第六章汽油机混合气形成和燃烧

1、第六章第六章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 第一节第一节 汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程第二节第二节 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室 第三节第三节 汽油机电控汽油喷射系统汽油机电控汽油喷射系统 对汽油机燃烧过程的要求：对汽油机燃烧过程的要求： （1 1）完全：）完全：燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时影响排出废气的成分。同时影响排出废气的成分。 （2 2）及时：）及时：在上止点附近燃烧（即在上止点后在上止点附近燃烧（即在上止点后1212-15-15CACA燃烧完毕），循环功最多。燃烧完毕），循环功最多。 （3 3）正常：）正常：正常燃烧

2、，才能保证发动机稳定、可正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠的工作。靠的工作。汽油喷射：汽油喷射：进气管喷射进气管喷射( (气门口的多点喷射和进气总管中的单点喷气门口的多点喷射和进气总管中的单点喷射射) )；缸内直接喷射缸内直接喷射。缸内直喷系统：兼有汽油机均质混合气和柴油机非均质混合气形成缸内直喷系统：兼有汽油机均质混合气和柴油机非均质混合气形成的双重特点的双重特点 。目前的汽油喷射大都是电子控制，机械喷射用得很少。目前的汽油喷射大都是电子控制，机械喷射用得很少。第一节第一节 汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程（一）正常燃烧过程进行情况（一）正常燃烧过程进行情况一、正常燃烧过一、正常燃烧过程程

3、将燃烧过程分为三将燃烧过程分为三个阶段个阶段: :(a(a) )着火落后期；着火落后期；(b)(b)明显燃烧期；明显燃烧期；(c)(c)后燃期。后燃期。 通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。在燃烧压力线上，在燃烧压力线上，1 1点为火花塞跳火点，点为火花塞跳火点，2 2点为出现点为出现火焰中心，火焰中心，3 3为最高压力点。为最高压力点。（a a）着火落后期（）着火落后期（1-21-2段）段）特点：特点：（1 1）火花放电时两极电）火花放电时两极电压达压达10-35kV10-35kV，局部温度，局部温度可达可达3000K3000K，加快了混合，加

4、快了混合气的氧化反应速度。气的氧化反应速度。（2 2）此阶段缸内压力无）此阶段缸内压力无明显升高。明显升高。 从火花塞跳火到形成从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴火焰中心时的时间或曲轴转角。转角。着火延迟期的长短与以下因素有关：着火延迟期的长短与以下因素有关： （1 1）混合气成分：）混合气成分：混合气过量空气混合气过量空气a=0.8-0.9a=0.8-0.9时，时，着火落后期最短。着火落后期最短。 （2 2）开始点火时的缸内气体温度和压力：）开始点火时的缸内气体温度和压力：开始点开始点火时缸内气体温度和压力越高，着火落后期越短火时缸内气体温度和压力越高，着火落后期越短 （3 3）缸内气

5、体流动：）缸内气体流动：加强紊流运动，会加快混合加强紊流运动，会加快混合气的氧化反应速度，着火落后期缩短。气的氧化反应速度，着火落后期缩短。 （4 4）火花能量：）火花能量：加大火花能量，着火落后期缩短。加大火花能量，着火落后期缩短。 （ 5 5）残余废气量：）残余废气量：残余废气对燃烧反应起阻碍作残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期变长，所以应尽量减少残余废气。用，使着火落后期变长，所以应尽量减少残余废气。 着火延迟期在不同循环有变化，最大着火延迟期在不同循环有变化，最大值可达最小值的数倍。为了提高效率，希值可达最小值的数倍。为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期，为了发动机运转望尽量缩

6、短着火落后期，为了发动机运转稳定，希望着火落后期稳定。稳定，希望着火落后期稳定。 是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。角。可用其表示点火时刻。点火提前角：点火提前角：(b)(b)明显燃烧期明显燃烧期(2-3(2-3段段)()(火焰传播阶段火焰传播阶段) ) 从形成火焰中心到火焰烧遍整个燃烧从形成火焰中心到火焰烧遍整个燃烧室、最高压力出现。室、最高压力出现。 在均值混合气中，当火焰中心形成后，火焰在均值混合气中，当火焰中心形成后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层

7、层向四周未燃混合气焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。 常用平均压力升高率常用平均压力升高率ppkPakPa( () )表征压力变化表征压力变化的急剧程度。的急剧程度。 p 式中：式中：pp明显燃烧期始点和终点的气体压力差（明显燃烧期始点和终点的气体压力差（kPakPa）; ; 明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（转角差（CACA）。）。 汽油机的汽油机的pp在在200-400 kpa/(200-400 kpa/() )的范围内。的范围内。 pp明显燃烧

8、期是汽油机燃烧的主要时期明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期: : 明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，使燃烧噪声力升高率值过高，工作粗暴，使燃烧噪声和振动增加，对排污亦不利。和振动增加，对排污亦不利。 从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期（后燃期）。称为补燃期（后燃期）。 （c c）后燃期）后燃期 在在后燃期后燃期参加燃烧的燃料主要有：参加燃烧的燃料主要有：（1 1）火焰前锋后未完全燃烧掉的燃料再燃烧。）火焰前锋后未完全燃烧掉的燃

9、料再燃烧。（2 2）贴附在缸壁）贴附在缸壁熄火区熄火区未燃混合气层的部分燃烧。未燃混合气层的部分燃烧。 （3 3）高温分解的燃烧产物（）高温分解的燃烧产物（H H2 2、O O2 2、COCO等）重新氧等）重新氧化。燃烧产物化。燃烧产物COCO2 2、H H2 2O O中，有少部分在高温的作用下中，有少部分在高温的作用下，分解成，分解成H H2 2、O O2 2、COCO等产物，在膨胀过程中，因工质等产物，在膨胀过程中，因工质温度下降，热分解产物又继续燃烧、放热。温度下降，热分解产物又继续燃烧、放热。 这种燃烧已远离上止点，为保证循环热效率和循这种燃烧已远离上止点，为保证循环热效率和循环功，应

10、尽量减少环功，应尽量减少后燃期后燃期时间。时间。 为了保证汽油机工作柔和、动力性良好，一为了保证汽油机工作柔和、动力性良好，一般使般使明显燃烧期起点明显燃烧期起点2 2在上止点前在上止点前1212-15-15曲轴转曲轴转角，角，燃烧最高压力燃烧最高压力3 3点出现在上止点后点出现在上止点后1212-15-15曲曲轴转角，轴转角，p=175-250kpa/(p=175-250kpa/() )为宜。整个燃烧持为宜。整个燃烧持续期约占曲轴转角续期约占曲轴转角4040-60-60。 （二）燃烧速率（二）燃烧速率 燃烧速率是指单位时间燃烧的混合气量。燃烧速率是指单位时间燃烧的混合气量。可以表达为可以表达

11、为 mTTdmFdt 式中式中 m m未燃混合气密度；未燃混合气密度； T T火焰传播速度，火焰传播速度， F F T T火焰前锋面积。火焰前锋面积。 控制燃烧速率就能控制明显燃烧期的控制燃烧速率就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。长短及其相对曲轴转角的位置。 影响燃烧速率的因素有：影响燃烧速率的因素有： 1 1、火焰传播速度、火焰传播速度T T 火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的要因素。现代汽油机的T T 可高达可高达50-80m/s50-80m/s。 影响影响T T的主要因素是：的主要因素是： 1) 1)燃烧室中气体的紊

12、流运动燃烧室中气体的紊流运动; ; 2)2)混合气成分混合气成分; ; 3)3)混合气初始温度、压力等。混合气初始温度、压力等。火焰传播速度：火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。 1 1）湍流运动：）湍流运动：湍流运动是由一定运动方向的湍流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成。湍流运动可涡流和无规则的气体脉动所组成。湍流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚，火焰传播速度加心，使火焰前锋燃烧区加厚，火焰传播速度加快，如图所示。快，如图所示。提高混合气的

13、湍流程度是改善提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。汽油机燃烧的有效手段。湍流强烈湍流强烈湍流较弱湍流较弱2 2）混合气成分）混合气成分: :混合气成分不同，火焰传播混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。传播速度与过量空气系数的关系。 当当a=0.850a=0.8509595时，时，火焰传播速度最大，燃烧火焰传播速度最大，燃烧速度最快，功率也最大，速度最快，功率也最大，称为功率混合比。称为功率混合比。 当当a=1.03-1.1a=1.03-1.1时，火时，火焰传播速度较大，氧气又焰传播速度较大

14、，氧气又充足，燃烧完全，称为经充足，燃烧完全，称为经济混合比。济混合比。 火焰传播下限：火焰传播下限：aa1.3-1.41.3-1.4时，火焰传播速度降时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。低，甚至不能传播。 火焰传播上限：火焰传播上限：aa0.4-0.50.4-0.5时，混合气过浓，也时，混合气过浓，也使火焰不能传播。使火焰不能传播。 为了保证可靠的工作，为了保证可靠的工作，汽油机的汽油机的aa在在0.6-1.20.6-1.2范围，范围，即空燃比即空燃比A/F=9A/F=9- -1818。 3 3）混合气初始温度、压力等：）混合气初始温度、压力等：混合气初始温度、压混合气初始温度、压力越高，火

15、焰传播速度增加。力越高，火焰传播速度增加。 2 2、火焰前锋面积、火焰前锋面积F FT T 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。它直接影响到明显燃烧期相以调整燃烧速度。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。压力上升密切相关。3 3、可燃混合气密度、可燃混合气密度m m 增大未燃混合气密度，可以提高燃烧增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，速度，因此增

16、大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。均可加大燃烧速度。二、汽油机的不规则燃烧二、汽油机的不规则燃烧 定义：定义：指在指在稳定正常运转情况稳定正常运转情况下，各下，各循环之间的燃烧变动循环之间的燃烧变动（循环变动）（循环变动）和各缸和各缸之间的燃烧差异（之间的燃烧差异（各缸工作不均匀）各缸工作不均匀）。（一）各循环之（一）各循环之间的燃烧变动间的燃烧变动 表现为循环的压力表现为循环的压力波动、火焰传播情况及波动、火焰传播情况及发动机功率输出均不相发动机功率输出均不相同。同。 当采用稀薄燃烧时当采用稀薄燃烧时，循环的变动加剧，故，循环的变动加剧，故循环变动是汽油机实施循环变动是汽油机实施稀薄燃

17、烧的难点所在。稀薄燃烧的难点所在。 燃烧变动是点燃燃烧变动是点燃式发动机燃烧过程的式发动机燃烧过程的一大特征。一大特征。 产生循环变动的主要原因是：产生循环变动的主要原因是：（1 1）火花塞附近混合气的成分波动火花塞附近混合气的成分波动：致使着火落后期：致使着火落后期的长短、火花点火后形成的火焰中心的轨迹在各循环的长短、火花点火后形成的火焰中心的轨迹在各循环变动。变动。（2 2）气体运动状态波动气体运动状态波动：燃烧室内的气体流场即湍流：燃烧室内的气体流场即湍流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰的初始生长性质、程度在各循环均有变动，致使火焰的初始生长速率、其后火焰的发展进程在各循环变动。速率

18、、其后火焰的发展进程在各循环变动。 这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。性能下降。 对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不十分清楚，但可以肯定：十分清楚，但可以肯定：（1 1）a=0.8-1.0a=0.8-1.0时循环燃烧变动最小，混合气加浓时循环燃烧变动最小，混合气加浓或减稀变动均增加。因此，为了减少排气中的

19、或减稀变动均增加。因此，为了减少排气中的COCO而运而运用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循环变动，用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循环变动，成为用稀混合气的障碍。成为用稀混合气的障碍。（2 2）在中等负荷以上变动较小，低负荷（残余废气）在中等负荷以上变动较小，低负荷（残余废气量相对增多）、低转速（湍流程度会降低）时，变动量相对增多）、低转速（湍流程度会降低）时，变动更为明显。更为明显。（3 3）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，有助于改善循环变动；因此转速增加，气的均匀性，有助于改善循环变动；因此转速增加，一般变动减小。一

20、般变动减小。（4 4）加大点火能量，采用多点点火，优化放电方式、）加大点火能量，采用多点点火，优化放电方式、采用大的火花塞间隙，循环波动情况有所改善。采用大的火花塞间隙，循环波动情况有所改善。（5 5）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。）点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。 （二）（二） 各缸之间的燃烧差异（各缸工作不均匀）各缸之间的燃烧差异（各缸工作不均匀） 各缸之间的燃烧差异主要是由于各缸进气充量不均、混合各缸之间的燃烧差异主要是由于各缸进气充量不均、混合气成分不均匀造成的。气成分不均匀造成的。 影响因素：影响因素：与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关与进气系统所有零件的设计和安装位

21、置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。中影响最大的是进气管的设计。 各缸工作不均匀的存在，使各缸工作不均匀的存在，使得难以找到对各缸都是最佳的得难以找到对各缸都是最佳的点火提前角和过量空气系数。点火提前角和过量空气系数。动力性、经济性、排放性等动力性、经济性、排放性等整机指标难以优化，振动及整机指标难以优化，振动及噪声也会增加。噪声也会增加。三、汽油机的不正常燃烧三、汽油机的不正常燃烧 定义：定义：是指设计或控制不当，汽油机偏离正常是指设计或控制不当，汽油机偏离正常点火的时间及地点，由此引

22、起燃烧速率急剧上升点火的时间及地点，由此引起燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。，压力急剧增大等异常现象。 汽油机的不正常燃烧主要是汽油机的不正常燃烧主要是爆燃爆燃和和表面点火表面点火。一、爆燃一、爆燃是汽油机最主要的一种不正是汽油机最主要的一种不正常燃烧现象，常在压缩比比常燃烧现象，常在压缩比比较高时出现。较高时出现。（一）爆燃的外部特征（一）爆燃的外部特征 气缸内发出特别尖锐的金气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸。属敲击声，亦称为敲缸。 轻微敲缸时：轻微敲缸时：发动机功率发动机功率上升，油耗下降；上升，油耗下降； 严重敲缸时：严重敲缸时：会产生冷却会产生冷却水过热，功率下降，

23、油耗上水过热，功率下降，油耗上升，发动机磨损加剧，排放升，发动机磨损加剧，排放污染增加（主要是排气冒黑污染增加（主要是排气冒黑烟）。烟）。（二）爆燃产生的原因（二）爆燃产生的原因 正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。传播，直至燃烧完毕。 爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。，产生新的火焰传播。 正常燃烧与爆燃的不同：正常燃烧与爆燃的不同： 正常燃烧的火焰传播速度为正常燃烧的火焰传播速度为50-80

24、m/s50-80m/s，无压力波，无压力波，压力升高率在压力升高率在200-400 kpa/(200-400 kpa/() )的范围内。的范围内。 爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速度约为度约为100m/s-300m/s100m/s-300m/s，强烈爆燃时可高达，强烈爆燃时可高达800m/s-800m/s-1000m/s1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧度很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。室壁，发出尖

25、锐的敲缸声。 ( (三三) ) 爆燃的危害爆燃的危害 1 1、机件过载、机件过载 强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。 2 2、机件烧损、机件烧损 汽油机燃烧终了时的温度可达到汽油机燃烧终了时的温度可达到2000-2500, 2000-2500, 而活塞顶、而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为燃烧室壁及缸壁的温度仅为200-300200-300，除了冷却水的作用外，除了冷却水的作用外，能够维持如此低温度的原因，还包括在这些壁面上形成了气体的附能够维持

26、如此低温度的原因，还包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面面层，它起到隔热的作用。而强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃气温度可层，使机件直接与高温燃气接触。而严重爆燃时，局部燃气温度可高达高达40004000以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水引起发动机过热。传给冷却水引起发动机过热。 3 3、性能指标下降、性能指标下降 严重爆燃时局部高温及强烈的压力冲击波，破坏了附面层，气严重爆燃时局部高温及强烈的压力冲击波，破坏了附面层，气

27、体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，油耗增加。体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，油耗增加。4 4、发动机磨损加剧、发动机磨损加剧 由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，使润滑油润由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，使润滑油润滑效果变差，零件磨损加剧。滑效果变差，零件磨损加剧。实验表明，严重爆燃时磨损比正常燃实验表明，严重爆燃时磨损比正常燃烧时大烧时大2727倍。倍。 爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件的正常工作，使发动机可靠性下降。的正常工作，使发动机可靠性下降。5 5、排气冒

28、黑烟，补燃增加，排气温度增加、排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加 爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为HCHC、H H2 2、O O2 2、NONO及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。 HCHC、H H2 2、O O2 2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。增高。 （四）影响爆燃的因素（四）影响爆燃的因素 发动机工作是否有爆燃现象，发动机工作是否有爆燃现象，一方面取决于所用一方面取决于所用燃料，另一方面取决于发动机的运转条件和燃烧室的燃料，另

29、一方面取决于发动机的运转条件和燃烧室的设计。设计。 1 1、燃料的性质、燃料的性质 辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。四乙铅添加剂能辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。四乙铅添加剂能有效地提高燃料的抗爆燃能力，但这会排出有毒的含有效地提高燃料的抗爆燃能力，但这会排出有毒的含铅颗粒，污染大气并影响催化剂的使用，因此近年来铅颗粒，污染大气并影响催化剂的使用，因此近年来各国都对含铅汽油的使用加以限制。各国都对含铅汽油的使用加以限制。 可用醇类燃料作为添加剂提高汽油的辛烷值。可用醇类燃料作为添加剂提高汽油的辛烷值。 2、末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾末端混合气的压

30、力和温度增高，则爆燃倾向增大。例如：向增大。例如：提高压缩比提高压缩比，则气缸内压力、，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；温度升高，爆燃易发生；气缸盖、活塞的材料气缸盖、活塞的材料使用轻金属使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.4-0.4-0.70.7单位。单位。 3 3、火焰前锋传到末端混合气的时间、火焰前锋传到末端混合气的时间 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于

31、避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。径的汽油机。 二、表面点火二、表面点火 在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，统称表面点火。气的现象，统称表面点火。 它的点火时刻是不可控制的，多发生在它的点火时刻是不可控制的，多发生在=9=9以上的强化汽油机以上的强化汽油机上上。 炽

32、炽 热热 表表 面面 1 1、后火、后火 表面点火出现在火花塞跳火后，并表面点火出现在火花塞跳火后，并且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，称为后火。速度向未燃气体推进，称为后火。 可在发动机断火后发现，出现这种可在发动机断火后发现，出现这种现象时，发动机仍像有电火花一样，继现象时，发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。燃混合气为止，发动机才停转。后火对后火对发动机影响不大。发动机影响不大。 2 2、早燃、早燃 是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃是指在火花塞点

33、火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。混合气的现象。 由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。热。 早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。互相促进，危害可能更大。表面点火与爆燃的不同点

34、：表面点火与爆燃的不同点：1 1、爆燃是火花塞点火后末、爆燃是火花塞点火后末端混合气的自燃现象；表面点端混合气的自燃现象；表面点火一般是在火花塞点火之前由火一般是在火花塞点火之前由炽热物点燃混合气所致。炽热物点燃混合气所致。 2 2、爆燃时有强烈的压力冲、爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。击负荷产生振动而造成。 凡是能降低燃烧室温度和压力升高率、减凡是能降低燃烧室温度和压力升高率、

35、减少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止表面少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火。点火。防止表面点火的措施是防止表面点火的措施是: :(l)(l)清除燃烧室表面凸起物及清除燃烧室表面凸起物及积炭积炭。(2)(2)保证冷却系正常工作。保证冷却系正常工作。( (3 3) )使用抗爆性好的汽油燃料。使用抗爆性好的汽油燃料。 四、影响燃烧过程的因素四、影响燃烧过程的因素 1 1、汽油的品质、汽油的品质 汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过程的主要因素。程的主要因素。（一）汽油的蒸发性（一）汽油的蒸发性: :适中为好适中为好（二）汽油的抗爆性：（二）汽油的抗

36、爆性：越高越好越高越好 汽油辛烷值愈高，抗爆性愈好，燃烧越好。汽油辛烷值愈高，抗爆性愈好，燃烧越好。 2 2、混合气成分、混合气成分 在在a=0.8-0.9a=0.8-0.9时时，由于燃烧温，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，因此度最高，火焰传播速度最大，因此p pz z、T Tz z、p/p/、PePe均达最高值，均达最高值，且爆燃倾向最大。且爆燃倾向最大。 在在a=1.03-1.1a=1.03-1.1时时，由于燃烧，由于燃烧完全，完全，bebe最低，但此时缸内温度很最低，但此时缸内温度很高且空气富裕，高且空气富裕，NoNox x排放量大。排放量大。 使用使用aa1 1的浓混合气工作的浓混

37、合气工作，由于必然产生不完全燃烧，所以由于必然产生不完全燃烧，所以COCO排放量明显上升。排放量明显上升。 当当aa0.80.8及及aa1.21.2时时，火，火焰传播速度缓慢，部分燃料可能来焰传播速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，不及完全燃烧，因而经济性差，HCHC排放量增多且工作不稳定。排放量增多且工作不稳定。 3 3、点火提前角、点火提前角 定义：定义：点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。 点火提前角调整特性点火提前角调整特性：当汽油机保持节气门开度、转速以及混当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机

38、功率和耗油率随点火提前角改变而变化的合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系。关系。 最佳点火提前角：最佳点火提前角：对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角，最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后，最佳点火提前角相当于使最高燃烧压力在上止点后1212。-15-15。时到时到达，这时实际与理论示功图最为接近（时间损失最小），发动机功达，这时实际与理论示功图最为接近（时间损失最小），发动机功率最大，耗油率最低。率最大，耗油率最低。 影响最佳点火提前角的因素：影响最佳点火提前角的因素：大气压力、温度、湿度、缸体大气压力、温度、湿度、缸

39、体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等。温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等。 在现代实际应用中，一般都是采用开环和闭环并用的混合电在现代实际应用中，一般都是采用开环和闭环并用的混合电子控制方式来实现最佳点火提前角的精确控制。子控制方式来实现最佳点火提前角的精确控制。 点火提前角过小，点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。功率下降，耗油量增多。 点火提前角过大，点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中则大部分混合气

40、在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的有效功率下降，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。大。 点火提前角为最佳值时，点火提前角为最佳值时，压力升高率不是过高，最高压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大，完压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大，完成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。 4

41、4、发动机转速发动机转速 转速增加时，转速增加时，气缸中湍流增强，气缸中湍流增强，火焰传播速度加快，因而以秒计的火焰传播速度加快，因而以秒计的燃烧过程缩短、滞燃期缩短；另一燃烧过程缩短、滞燃期缩短；另一方面由于残余废气系数增加，气流方面由于残余废气系数增加，气流吹走电火花的倾向增大，滞燃期增吹走电火花的倾向增大，滞燃期增加。因而使得以秒计的滞燃期与转加。因而使得以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但一般燃烧过程相速的关系不大，但一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，当的曲轴转角增加，应当相应加大应当相应加大点火提前角点火提前角（靠离心提前调节装置（靠离心提前调节装置）。）。 转速增加时，火焰传播速度加快

42、，爆燃倾向减小。转速增加时，火焰传播速度加快，爆燃倾向减小。 5 5、发动机负荷、发动机负荷 转速一定，负荷减小时，转速一定，负荷减小时，节节气门开度减小，进入气缸的新鲜气门开度减小，进入气缸的新鲜混合气量减小，而残余废气量基混合气量减小，而残余废气量基本不变，故残余废气所占比例相本不变，故残余废气所占比例相对增加。因为残余废气对燃烧反对增加。因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近。为保证燃烧过程在上止点附近完成，完成，需增大点火提前角需增大点火提前角（靠真（靠真空提前点火装置来调节）。空提前点火装置来调节）。 低负荷时，爆燃倾

43、向较小。低负荷时，爆燃倾向较小。主要是负荷低时，主要是负荷低时，进气量少，进气量少，残余废气相对较多，使燃烧最高压力和残余废气相对较多，使燃烧最高压力和温度、压力升高率下降，冷却液散热损失相对增加。温度、压力升高率下降，冷却液散热损失相对增加。 6 6、冷却水温度、冷却水温度 冷却水温过高时：冷却水温过高时：1 1）会使燃烧室壁及缸壁过热，会使燃烧室壁及缸壁过热，爆燃及表面点火倾向增加。爆燃及表面点火倾向增加。2 2）同时进入气缸的混合气同时进入气缸的混合气温度升高，密度下降，充量减小，使发动机动力性、温度升高，密度下降，充量减小，使发动机动力性、经济性下降。经济性下降。 冷却水温过低时：冷却

44、水温过低时：1 1）传给冷却水热量增多，发动传给冷却水热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；机热效率降低，功率下降，耗油率增加；2 2）润滑油粘润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；磨损加剧；3 3）容易使燃气中的酸根和水蒸气结合成酸容易使燃气中的酸根和水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；类物质，使气缸腐蚀磨损增加；4 4）燃烧不良易形成积燃烧不良易形成积炭；炭；5 5）不完全燃烧现象严重，使排污增多。不完全燃烧现象严重，使排污增多。 7 7、燃烧室积炭、燃烧室积炭 1 1）促使爆燃倾向增加：）促使爆燃倾

45、向增加：积炭不易传热，温度较高积炭不易传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高快；积炭本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高了压缩比；了压缩比；2 2）易引起表面点火：）易引起表面点火：积炭表面温度很高，积炭表面温度很高，形成炽热表面或炽热点。形成炽热表面或炽热点。 8 8、压缩比、压缩比 1 1）热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效油耗热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效油耗率降低。率降低。 2 2）提高压缩比，会增加未燃混合气自燃的倾向，提高压缩比，会增加未燃混合气自燃的

46、倾向，易产生爆燃。易产生爆燃。 9 9、气缸直径、气缸直径 气缸直径增大，火焰传播距离增加，爆燃倾向气缸直径增大，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。增大，所以没有很大缸径的汽油机。1010、气缸盖和活塞材料、气缸盖和活塞材料 铝合金比铸铁导热性好，气缸盖和活塞采用铝铝合金比铸铁导热性好，气缸盖和活塞采用铝合金材料，可使燃烧室表面温度降低，热负荷明显合金材料，可使燃烧室表面温度降低，热负荷明显减小，减小了爆燃倾向。减小，减小了爆燃倾向。 1111、燃烧室的形状、燃烧室的形状 不同燃烧室形状和火花塞布置直接影响到发动不同燃烧室形状和火花塞布置直接影响到发动机充气系数、火焰传

47、播率及放热率、传热损失及爆机充气系数、火焰传播率及放热率、传热损失及爆燃的发生，从而影响发动机性能。燃的发生，从而影响发动机性能。 第二节第二节 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室 燃烧室结构直接影响到燃烧室结构直接影响到发动机充气系数发动机充气系数、火焰传播率火焰传播率及及放热率放热率、传热损失传热损失及及爆燃的发生爆燃的发生，从而影响发动机性能。从而影响发动机性能。 不同燃烧室形状实际上反映混合气气体的不同燃烧室形状实际上反映混合气气体的分布情况，与火花塞位置相配合，也就决定了分布情况，与火花塞位置相配合，也就决定了不同的燃烧放热率和火焰传播到边缘可燃混合不同的燃烧放热率和火焰传播到边缘可燃混合

48、气的距离，从而影响抗爆性、工作粗暴性、经气的距离，从而影响抗爆性、工作粗暴性、经济性和济性和动力性动力性。 对燃烧室提出的一系列要求：对燃烧室提出的一系列要求：（1 1）结构紧凑：）结构紧凑： 面容比值面容比值F/VF/V小，燃烧室紧凑的优点小，燃烧室紧凑的优点: : 1 1、火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比；、火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比； 2 2、相对散热损失小，热效率高；、相对散热损失小，热效率高； 3 3、熄火面积小，、熄火面积小，HCHC排量少。排量少。 顶置气门燃烧室顶置气门燃烧室F/VF/V值比侧置气门燃烧室小值比侧置气门燃烧室小很多。很多。（2 2）具有良好的充

49、气性能：）具有良好的充气性能： 允许有较大的进、排气门流通截面，可允许有较大的进、排气门流通截面，可以提高充气系数、降低泵气损失；燃烧室以提高充气系数、降低泵气损失；燃烧室壁面与气门头部要有足够的间隙，以避免壁面与气门头部要有足够的间隙，以避免壁面的遮蔽作用。壁面的遮蔽作用。（3 3）火花塞位置安排得当：）火花塞位置安排得当： 火花塞的位置直接影响火焰传播距离的火花塞的位置直接影响火焰传播距离的长短，火焰面积扩散、扩展率和燃烧率，长短，火焰面积扩散、扩展率和燃烧率，从而影响抗爆性。从而影响抗爆性。 在布置火花塞时必须考虑以下因素：在布置火花塞时必须考虑以下因素：1 1、能利用新鲜混合气充分，扫

50、除火花塞间隙处的、能利用新鲜混合气充分，扫除火花塞间隙处的残余废气，使混合气易于着火。这一点对暖机和残余废气，使混合气易于着火。这一点对暖机和低负荷的稳定运转性更为重要，使气流不能过强，低负荷的稳定运转性更为重要，使气流不能过强，以免吹散火花；以免吹散火花；2 2、火花塞应靠近排气门处，使受灼热表面加热的、火花塞应靠近排气门处，使受灼热表面加热的混合气及早燃烧，以免发展为爆燃燃烧；混合气及早燃烧，以免发展为爆燃燃烧；3 3、火花塞的布置应使火焰传播距离尽可能短；、火花塞的布置应使火焰传播距离尽可能短；4 4、不同的火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同。、不同的火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同。 使

51、火焰传播速度增使火焰传播速度增大；混合气的着火界限大；混合气的着火界限扩大，可以燃烧更稀的扩大，可以燃烧更稀的混合气；降低循环变动混合气；降低循环变动率；降低率；降低HCHC排量。排量。（4 4）要产生适当的气体紊流流动：）要产生适当的气体紊流流动： 进气涡流：为了不影响进气充量，较弱进气涡流：为了不影响进气充量，较弱 挤流：可以提高明显燃烧期火焰传播速挤流：可以提高明显燃烧期火焰传播速度，不会影响进气充量。度，不会影响进气充量。（5 5）适当冷却末端混合气：）适当冷却末端混合气： 末端混合气要有足够的冷却强末端混合气要有足够的冷却强度，以降低终燃混合气温度，减轻度，以降低终燃混合气温度，减轻

52、爆燃倾向；但又不可使激冷层过大爆燃倾向；但又不可使激冷层过大，以免增加，以免增加HCHC的排放。的排放。1 1、楔形燃烧室、楔形燃烧室优点：优点：1 1）结构较紧凑，火焰传播距离较短；）结构较紧凑，火焰传播距离较短；2 2）燃烧室气门直径较大，所以充气）燃烧室气门直径较大，所以充气性能好；性能好；3 3）末端混合气冷却作用较强，故压）末端混合气冷却作用较强，故压缩比可达缩比可达9.5-10.59.5-10.5；4 4）有较高的经济性、动力性；）有较高的经济性、动力性；5 5）火花塞布置在楔形高处，对着进、）火花塞布置在楔形高处，对着进、排气门之间，有利于新鲜混合气排气门之间，有利于新鲜混合气扫

53、除火花塞附近的废气，低速、扫除火花塞附近的废气，低速、低负荷性能稳定。低负荷性能稳定。一、传统发动机常见的几种燃烧室一、传统发动机常见的几种燃烧室缺点：缺点：1 1、由于混合气过分集中在火花塞处，使得初由于混合气过分集中在火花塞处，使得初期燃烧速度大，期燃烧速度大，p/p/值较高，工作粗暴，值较高，工作粗暴，NOxNOx排出量较高；排出量较高； 2 2、挤气面积内存在熄火现象，废气中挤气面积内存在熄火现象，废气中HCHC的的含量较多，应控制挤气面积。含量较多，应控制挤气面积。应用：应用：曾是车用汽油机采用比较广泛的一种，但由曾是车用汽油机采用比较广泛的一种，但由于这种燃烧室进、排气门只能单行排

54、列，采用多于这种燃烧室进、排气门只能单行排列，采用多气门机构困难，故高性能轿车汽油机上较少应用。气门机构困难，故高性能轿车汽油机上较少应用。我国我国CA-72CA-72型小客车汽油机及型小客车汽油机及486486（3Y3Y）、）、491491（4Y4Y）、）、489489（GM2.0GM2.0）型汽油机、切诺基轿车发）型汽油机、切诺基轿车发动机采用这种形式的燃烧室。动机采用这种形式的燃烧室。2 2、浴盆形燃烧室、浴盆形燃烧室优点：优点： p/p/值低，工作柔和，值低，工作柔和，NOxNOx的排放量较少，工艺性好。的排放量较少，工艺性好。缺点：缺点：1 1、具有一定的挤气面积，具有一定的挤气面积

55、，但挤流效果差；但挤流效果差； 2 2、火焰传播距离较大，燃火焰传播距离较大，燃烧速度较低，使整个燃烧时间烧速度较低，使整个燃烧时间长，经济性能、动力性能不高，长，经济性能、动力性能不高，HCHC排量多。排量多。应用：应用：我国我国6100Q6100Q汽油机、北汽生汽油机、北汽生产的轻型越野车产的轻型越野车BJ212BJ212汽油机采汽油机采用，捷达轿车发动机、奥迪轿用，捷达轿车发动机、奥迪轿车发动机也采用浴盆形燃烧室。车发动机也采用浴盆形燃烧室。3 3、半球形燃烧室、半球形燃烧室优点：优点：1 1、结构紧凑，火花塞位于结构紧凑，火花塞位于中间，火焰传播距离是最中间，火焰传播距离是最短的；短的

56、；2 2、进排气门倾斜布置，使进排气门倾斜布置，使气门直径较大，气道转弯气门直径较大，气道转弯较小，充气效率高，对转较小，充气效率高，对转速变化不敏感；速变化不敏感；3 3、具有较好的动力性能和具有较好的动力性能和经济性能，由于面容比小，经济性能，由于面容比小，HCHC排放量低。排放量低。缺点：缺点：1 1、由于火花塞附近有较大容积，使燃烧速率大，压、由于火花塞附近有较大容积，使燃烧速率大，压力升高率大，末端混合气冷却较差，工作粗暴；力升高率大，末端混合气冷却较差，工作粗暴；2 2、NOxNOx排放较多，气门驱动机构也较复杂。排放较多，气门驱动机构也较复杂。应用：应用：最高转速在最高转速在60

57、00r/min6000r/min以上的车用汽油机几以上的车用汽油机几乎都采用此类燃烧室。乎都采用此类燃烧室。 克莱斯勒克莱斯勒300C HEMI300C HEMI发动机（美国汽车制造发动机（美国汽车制造商克莱斯勒公司与梅塞德斯商克莱斯勒公司与梅塞德斯奔驰的生产者德国奔驰的生产者德国戴姆勒戴姆勒奔驰公司技术合作的产物）采用奔驰公司技术合作的产物）采用HEMIHEMI（代表半球状燃烧室结构（代表半球状燃烧室结构 ）燃烧室、）燃烧室、MDSMDS可变排可变排量系统和双火花塞点火系统。量系统和双火花塞点火系统。 不同燃烧室的特征及性能比较：不同燃烧室的特征及性能比较：二、稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机二、

58、稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机 常规汽油机：常规汽油机：混合气是均质的，一般在空燃比混合气是均质的，一般在空燃比=12.6-17=12.6-17范围内工作。范围内工作。 主要缺点：主要缺点：1 1）为防止爆燃，采用较低压缩比，这导致热效率较低；）为防止爆燃，采用较低压缩比，这导致热效率较低；2 2）浓混合气的比热容比低，使热效率降低；）浓混合气的比热容比低，使热效率降低；3 3）只能用进气管节流方式对混合气充量进行调节，即所）只能用进气管节流方式对混合气充量进行调节，即所谓量调节，这使得泵气损失较大；谓量调节，这使得泵气损失较大；4 4）在化学计量比附近燃烧，其有害排放特别是）在化学计量比附近燃烧

59、，其有害排放特别是NONOx x排放排放较高。较高。5 5）常规汽油机，特别是用三元催化转换器的汽油机，过）常规汽油机，特别是用三元催化转换器的汽油机，过量空气系数必须控制在量空气系数必须控制在a a1 1左右，从而限制其性能左右，从而限制其性能进一步提高。进一步提高。稀薄燃烧汽油机：稀薄燃烧汽油机：只要只要1717，且保证动力性，且保证动力性能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。能，就可以称为稀薄燃烧汽油机。分为两类：分为两类：1 1）非直喷式稀燃汽油机：）非直喷式稀燃汽油机：包括均质稀燃和分包括均质稀燃和分层稀燃式汽油机，一般只能在层稀燃式汽油机，一般只能在25172017）（1 1）TGPTGP

60、（Turbulence Generating Pot)Turbulence Generating Pot)燃烧室：燃烧室：这种这种燃烧室可燃用稀混合气，低负荷下经济性较好。燃烧室可燃用稀混合气，低负荷下经济性较好。（2 2）双火花塞燃烧室：）双火花塞燃烧室：在离半球形燃烧室中心两边等在离半球形燃烧室中心两边等距离处各布置一个火花塞，火焰传播距离仅为缸径的距离处各布置一个火花塞，火焰传播距离仅为缸径的一半，点火提前角可减小，这样提高了点火时混合气一半，点火提前角可减小，这样提高了点火时混合气的压力和温度，使着火性能得到改善，燃烧持续时间的压力和温度，使着火性能得到改善，燃烧持续时间缩短，提高了发