发动机原理-§3汽油机燃烧

1、2汽车发动机原理 第三章 汽油机混合气形成和燃烧 3-1 3-1 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 一、汽油机正常燃烧一、汽油机正常燃烧 二、汽油机不正常燃烧二、汽油机不正常燃烧 3-2 3-2 汽油机燃烧室汽油机燃烧室 一、燃烧室设计的基本原则一、燃烧室设计的基本原则 二、典型燃烧室二、典型燃烧室3第三章第三章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 3-13-1汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 由于燃料性质、混合气形成方式和着火方式的不同，汽由于燃料性质、混合气形成方式和着火方式的不同，汽油机的燃烧过程与柴油机的燃烧过程有较大的区别：油机的燃烧过程与柴油机的燃烧过程有较大的区别： 汽油机

2、燃烧过程属于预混合燃烧，具有定容燃烧的性汽油机燃烧过程属于预混合燃烧，具有定容燃烧的性质。燃烧持续时间较短（约质。燃烧持续时间较短（约25254040CACA，柴：，柴：50507070CACA）。）。 由于爆燃的限制，压缩比不能过高。导致燃烧过程热由于爆燃的限制，压缩比不能过高。导致燃烧过程热效率低，排气温度高。（膨胀不充分）效率低，排气温度高。（膨胀不充分） 由于接近定容燃烧，因此，燃烧最高温度较高；同时，由于接近定容燃烧，因此，燃烧最高温度较高；同时，由于过量空气系数较小，不完全燃烧现象容易出现，排气污由于过量空气系数较小，不完全燃烧现象容易出现，排气污染比染比柴油机严重。柴油机严重。4

3、 图图3-13-1汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程 滞燃期滞燃期 急燃期急燃期 补燃期补燃期 1 1开始点火开始点火 2 2形成火焰中心形成火焰中心 3 3最高压力点最高压力点 一、一、 汽油机正常燃烧汽油机正常燃烧 当汽油机压缩行程接近终了时，火花塞跳火点燃可燃混当汽油机压缩行程接近终了时，火花塞跳火点燃可燃混合气，形成火焰中心，火焰按一定速度连续传播到整个燃烧合气，形成火焰中心，火焰按一定速度连续传播到整个燃烧室的空间，这种燃烧现室的空间，这种燃烧现象称为汽油机正常燃烧。象称为汽油机正常燃烧。 在此期间，火焰前在此期间，火焰前锋面向前推进，使未燃锋面向前推进，使未燃混合气受到压缩和热辐混合

4、气受到压缩和热辐射，压力、温度急剧上射，压力、温度急剧上升。升。按其压力变化的特按其压力变化的特征，将燃烧过程人为的征，将燃烧过程人为的分为三个阶段，即滞燃分为三个阶段，即滞燃期、急燃期和补燃期。期、急燃期和补燃期。5 燃烧过程分析燃烧过程分析 1 1、滞燃期（着火延迟期或着火落后期）、滞燃期（着火延迟期或着火落后期） 从火花塞点火到火焰核心形成的阶段。从火花塞点火到火焰核心形成的阶段。即从火花塞点火即从火花塞点火( (点点1)1)至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时( (点点2)2)的时的时间或曲轴转角。间或曲轴转角。 火花塞点火，加速电极周围的预混合

5、气热反应速度，温火花塞点火，加速电极周围的预混合气热反应速度，温度、压力升高而着火，形成火焰中心。度、压力升高而着火，形成火焰中心。 特点特点 压力、温度按压缩规律变化。压力、温度按压缩规律变化。 对性能的影响对性能的影响 汽油机燃烧滞燃期对性能的影响不如柴油机大，主要影汽油机燃烧滞燃期对性能的影响不如柴油机大，主要影响示功图的位置。响示功图的位置。（应力求缩短滞燃期，控制着火时间）（应力求缩短滞燃期，控制着火时间）6 2 2、明显燃烧期（急燃期）、明显燃烧期（急燃期） 指气缸压力线脱离压缩线开始急剧上升（点指气缸压力线脱离压缩线开始急剧上升（点2 2）到缸内压）到缸内压力达到最高点力达到最高

6、点( (点点3)3)。 这期间经历了火焰核心形成到火焰传遍整个燃烧室。这期间经历了火焰核心形成到火焰传遍整个燃烧室。 特点特点 是汽油机燃烧过程的主要阶段。是汽油机燃烧过程的主要阶段。燃烧掉绝大部分的可燃烧掉绝大部分的可燃混合气（燃混合气（80809090 ）; ; 燃烧速度（火焰传播速度）快（燃烧速度（火焰传播速度）快（505080m/s80m/s）; ; 缸内温度、压力急剧上升，出现缸内温度、压力急剧上升，出现 、 ，缸内最，缸内最高压力可达高压力可达3 35 5MPaMPa 。 对性能的影响对性能的影响 最高压力最高压力 到达的时刻（到达的时刻（点点3 3 ）对汽油机动力性、经济）对汽油

7、机动力性、经济性、工作性、工作粗暴等有重大影响。粗暴等有重大影响。Tmaxpmaxpmax7 3 3点位置：点位置： 3 3点的出现的时刻非常重要。点的出现的时刻非常重要。 太早：压缩功太早：压缩功 ，膨胀功，膨胀功 ，动力性，动力性 ，经济性经济性 、 、 ，机械负荷，机械负荷 热负荷热负荷 。 （压力升高率代表发动机工作粗暴程度）压力升高率代表发动机工作粗暴程度） 太迟：热量利用率太迟：热量利用率 。（。（加热时刻远离上止点加热时刻远离上止点） 还易造成排气管还易造成排气管“放炮放炮”，进气管，进气管“回火回火”现象。现象。 一般一般 出现在上止点后出现在上止点后12121515CA, C

8、A, MPa/degCAMPa/degCA 为宜为宜。可通过调整最佳点火提前角实现。可通过调整最佳点火提前角实现。ttpmaxTmaxppmax25. 0175. 0p8 3 3、补燃期、补燃期 从最高燃烧压力点从最高燃烧压力点3 3到燃烧结束称为补燃期。到燃烧结束称为补燃期。 特点特点 燃烧火焰前锋面过后未燃烧的可燃混合气，以及燃燃烧火焰前锋面过后未燃烧的可燃混合气，以及燃 烧室边缘和缝隙中的未燃烧的可燃混合气。烧室边缘和缝隙中的未燃烧的可燃混合气。 补燃期的燃烧与柴油机有所区别补燃期的燃烧与柴油机有所区别。（汽油机不象柴。（汽油机不象柴 油机随喷随燃，燃料在油机随喷随燃，燃料在 以后还有喷

9、入，补燃情以后还有喷入，补燃情 况要小得多。）况要小得多。） 对性能的影响对性能的影响 补燃期燃烧放出的热量不能有效转变为功，使排气温度补燃期燃烧放出的热量不能有效转变为功，使排气温度升高，热效率下降。（升高，热效率下降。（活塞下行，压力降低活塞下行，压力降低） 要求：尽量缩短补燃期。要求：尽量缩短补燃期。pmax9二、汽油机不正常燃烧二、汽油机不正常燃烧 v 1.1.爆燃爆燃 现象：现象： 爆燃时，缸内出现特爆燃时，缸内出现特别高的压力和压力升高率别高的压力和压力升高率 3 3 MPaMPa/ /CA CA 并出现高频激振波并出现高频激振波( (锯齿锯齿波波) )，敲击气缸和燃烧室，敲击气缸

10、和燃烧室 正常燃烧正常燃烧 爆燃爆燃壁面，壁面，除发生金属敲击声除发生金属敲击声 图图3-2 3-2 汽油机正常燃烧与爆燃的比较汽油机正常燃烧与爆燃的比较外，还会破坏缸壁上润滑油膜，加剧运动件的磨损。经常敲外，还会破坏缸壁上润滑油膜，加剧运动件的磨损。经常敲缸的发动机排气温度增加，冷却水过热，润滑油老化加剧。缸的发动机排气温度增加，冷却水过热，润滑油老化加剧。 maxddp10v 产生机理产生机理 火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以正常火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以正常传播速度（传播速度（30307070m ms s）向周围传播，缸内压力和温向周围传播，缸内压力和温度急剧升高，末端

11、混合气在火焰前锋面尚未到达之前度急剧升高，末端混合气在火焰前锋面尚未到达之前产生自燃现象的结果产生自燃现象的结果。v 末端可燃混合气由于压缩、加热（传热、热辐射）末端可燃混合气由于压缩、加热（传热、热辐射）的作用，加速了先期物、化反应，形成一个或几个新的作用，加速了先期物、化反应，形成一个或几个新的火焰中心，并以很快的火焰传播速度将终燃混合气的火焰中心，并以很快的火焰传播速度将终燃混合气燃烧完毕。燃烧完毕。 11 特点特点 火焰传播速度快。火焰传播速度快。轻微爆燃时轻微爆燃时100100300m/s,300m/s,强烈爆强烈爆 燃时可达燃时可达8008001000m/s1000m/s或以上或以

12、上; ; 燃烧最高温度、压力高。燃烧最高温度、压力高。燃气燃气 40004000k; k; 局部最局部最 高压力可达高压力可达1010MPa;MPa; 3MPa/3MPa/CACA； 产生高频压力冲击波。产生高频压力冲击波。会发出金属敲击声，也会破坏会发出金属敲击声，也会破坏 层流气膜和缸壁油膜，使传热损失层流气膜和缸壁油膜，使传热损失 ，磨损，磨损 ，水温，水温 油温油温 ； 动力性动力性 ，经济性，经济性 ； 高温分解现象严重，碳烟高温分解现象严重，碳烟 ，CH , , CO , , 。TmaxddpxNO12v 影响爆燃的因素影响爆燃的因素v 燃料性质燃料性质 辛烷值高的燃料，抗爆燃能力

13、强。辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。v 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，则爆燃倾向增大。末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。 例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆 燃易发生。提高冷却强度，爆燃倾向减小。燃易发生。提高冷却强度，爆燃倾向减小。 汽油机压缩比的提高受到爆燃的限制。汽油机压缩比的提高受到爆燃的限制。v 火焰前锋传播到末端混合气的时间火焰前锋传播到末端混合气的时间 缩短火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避缩短火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避 免爆燃。免爆燃。 提高火焰传播速度

14、（增加气流运动的紊流度）提高火焰传播速度（增加气流运动的紊流度） 缩短火焰传播距离（燃烧室结构、火花塞位置等）缩短火焰传播距离（燃烧室结构、火花塞位置等） 13v 2 2、表面点火、表面点火v 凡是不靠电火花点火而是由燃烧室内炽热表面凡是不靠电火花点火而是由燃烧室内炽热表面( (如排气门如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等) )点燃混合气点燃混合气的现象，统称表面点火。的现象，统称表面点火。v 根据被炽热表面点燃的火焰传播速度是否以正常速度根据被炽热表面点燃的火焰传播速度是否以正常速度 传播，表面点火可分为正常性表面（非爆燃性表面点火）传

15、播，表面点火可分为正常性表面（非爆燃性表面点火） 和爆燃性表面点火。和爆燃性表面点火。 非爆燃性表面点火：火焰传播速度正常非爆燃性表面点火：火焰传播速度正常 早火（早燃）：发生在正常火焰形成之前。早火（早燃）：发生在正常火焰形成之前。 使：使： ，压缩消耗功压缩消耗功 ，工作粗暴，动力性工作粗暴，动力性 。 后火：发生在正常火焰形成之后。后火：发生在正常火焰形成之后。 对汽油机性能影响不大。对汽油机性能影响不大。 爆燃性表面点火（激爆）：可以是多点点燃爆燃性表面点火（激爆）：可以是多点点燃 混合气剧烈燃烧，混合气剧烈燃烧， ， 。ddpddpmaxp14v 防止表面点火的措施 减少或消除燃烧室

16、积炭 使用含胶质少的燃料、润滑油； 燃烧室结构简单、光整等。 提高点火能量 降低压缩比15v 三、运转因素对燃烧的影响三、运转因素对燃烧的影响v 1. .点火提前角点火提前角 混合气在气缸内完全燃烧需要一定的时间，为使最高混合气在气缸内完全燃烧需要一定的时间，为使最高 燃烧压力出现在上止点后燃烧压力出现在上止点后12121515CACA，因此，点火时间，因此，点火时间 必须提前。必须提前。v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，汽油机功率和耗及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称油率随

17、点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性，如图为点火提前角调整特性，如图3-33-3。v不同工况下，点火提前角是不同的。不同工况下，点火提前角是不同的。 图图3-3 3-3 汽油机点火提前角调整特性汽油机点火提前角调整特性16v 当点火提前角当点火提前角过大时：过大时： 压缩消耗功压缩消耗功 ，膨胀功膨胀功 ， ， ， ，工作粗暴，工作粗暴， 爆燃倾向加大。爆燃倾向加大。v 当点火提前角当点火提前角过小时：过小时： ， ，传热损失，传热损失 ，排温，排温 ，动力性，动力性 ，经济性，经济性 ， 爆燃倾向减小。爆燃倾向减小。 图图3-43-4为为 点火提前角不点火提前角不 同时的同时的p

18、-p- 图图 。 图图3-4 3-4 点火提前角不同时的点火提前角不同时的p p - -图图pmaxddpTmaxpmaxTmax17v2.混合气浓度 混合气对汽油机燃烧过程和性能有很大影响。改变混合气对汽油机燃烧过程和性能有很大影响。改变 过量空气系数过量空气系数值时，火焰传播速度值时，火焰传播速度 不同。不同。v 0.80.80.90.9时，时， ，Pz 、Tz 、 均达均达 到最高值，火焰传播时间缩短，使爆燃倾向减小；到最高值，火焰传播时间缩短，使爆燃倾向减小； 同时，缸内压力、温度较高，使末端混合气自燃发火同时，缸内压力、温度较高，使末端混合气自燃发火的准备时间也缩短，又使爆燃倾向增大

19、。的准备时间也缩短，又使爆燃倾向增大。 实践证明，后者是影响的主要方面。因此，当实践证明，后者是影响的主要方面。因此，当0.80.80.90.9时，爆燃倾向加大。时，爆燃倾向加大。v 1.031.031.101.10时时, ,燃烧最完全，经济性最好。燃烧最完全，经济性最好。ussuus,maxp18v 4.4.转速转速 转速增加时，气缸中紊流增强，火焰传播速转速增加时，气缸中紊流增强，火焰传播速 度加快。度加快。v 着火延迟期的影响着火延迟期的影响 n n ：紊流紊流混合气混合好混合气混合好 （以（以s s计）计） 散热损失散热损失 （以（以s s计）计） 但但着火延迟期着火延迟期（以曲轴转角

20、计）（以曲轴转角计） v 所以，转速增加时应增大点火提前角。所以，转速增加时应增大点火提前角。v 对爆燃的影响对爆燃的影响 n n ：紊流强度紊流强度 爆燃倾向爆燃倾向 。cpcTiius19v 3. 3.负荷负荷 汽油机的负荷调节属于量调节。汽油机的负荷调节属于量调节。 v 负荷负荷 ：节气门开度节气门开度 进入气缸的混合气进入气缸的混合气 残余残余废气量相对废气量相对火焰传播速度火焰传播速度每循环每循环 经历时间经历时间传热损失传热损失 （燃烧后移、恶化）。（燃烧后移、恶化）。 所以，负荷减小时，需要增大点火提前角所以，负荷减小时，需要增大点火提前角。v 负荷负荷 ：缸内缸内P P ，T

21、T爆燃倾向爆燃倾向 。20v 5. .大气状态大气状态 v G经济性，动力性。 但爆燃趋势。v G经济性，动力性。 易发生气阻，但爆燃趋势。p00T21 3-2 3-2 汽油机燃烧室汽油机燃烧室 汽油机燃烧室结构对燃烧过程的火焰传播、燃烧汽油机燃烧室结构对燃烧过程的火焰传播、燃烧速率、爆燃及热损失、充气效率均有较大影响，进而速率、爆燃及热损失、充气效率均有较大影响，进而影响汽油机的动力性、经济性、工作稳定性及排放。影响汽油机的动力性、经济性、工作稳定性及排放。因此，燃烧室的结构设计应兼顾汽油机的各项性能。因此，燃烧室的结构设计应兼顾汽油机的各项性能。 一、燃烧室设计的基本原则：一、燃烧室设计的

22、基本原则：v 1 1、结构尽量紧凑、结构尽量紧凑 用燃烧室的面容比用燃烧室的面容比 F/V(F/V(燃烧室表面积与容积之燃烧室表面积与容积之比比) )来表征燃烧室的紧凑性。来表征燃烧室的紧凑性。v F/V F/V小，燃烧室结构紧凑：小，燃烧室结构紧凑： 火焰传播距离短，爆燃倾向减少，提高压缩比；火焰传播距离短，爆燃倾向减少，提高压缩比； 相对散热面积小，热损失小，循环热效率高；相对散热面积小，热损失小，循环热效率高； 缸壁激冷区域小，缸壁激冷区域小，HCHC排放量少。排放量少。22vL L型燃烧室与楔型燃烧室的对比：型燃烧室与楔型燃烧室的对比：vL L型燃烧室型燃烧室 不仅不仅F/VF/V大，

23、火焰传播距大，火焰传播距离远，进、排气通道弯道多。离远，进、排气通道弯道多。（只能在只能在6.26.27.07.0之间）之间）v楔型燃烧室（盆型的改进）楔型燃烧室（盆型的改进） 结构紧凑，再加上高强度结构紧凑，再加上高强度的挤气漩流，离火花塞较远处的挤气漩流，离火花塞较远处成为挤气区和混合气很少的区成为挤气区和混合气很少的区域。域。 爆燃爆燃，（ 可达可达9.59.510.510.5）23v 2 2、火花塞位置适当、火花塞位置适当 火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度的变化率也不同，从而影响汽油机的性能。的变化率也不同，从而影响汽油机的性能。v 火花塞尽

24、可能位于燃烧室中心，以缩短火火花塞尽可能位于燃烧室中心，以缩短火焰传播距离；焰传播距离；v 应能利用新鲜混合气充分扫除火花塞周围应能利用新鲜混合气充分扫除火花塞周围的残余废气，使混合气易于点燃；的残余废气，使混合气易于点燃；v 火花塞应靠近排气门处，使受火花塞应靠近排气门处，使受炽热表面加炽热表面加热的混合气及早燃烧，热的混合气及早燃烧，避免爆燃产生。避免爆燃产生。24v 3 3、燃烧室形状合理分布燃烧室形状合理分布（与火花塞位置相配合）v 燃烧室的容积分布若与火花塞位置相配合，决 定了燃烧的放热规律、压力升高率及工作稳定性等。v 最有利的燃烧室容积分布是使燃烧初期放热量少，压力升高率小，发动

25、机工作柔和；中期放热量 最多，以获得较大 的循环功；后期补 燃较少，具有高的 热效率（容积分布 由小到大，再由大到 小）。25v 4 4、具有高的充气效率、具有高的充气效率 进气口、进气道的布置应尽进气口、进气道的布置应尽量减小进气阻力。如量减小进气阻力。如楔型燃烧室可楔型燃烧室可安排直径较大的进气门。安排直径较大的进气门。 混合气流经处应尽量光滑、混合气流经处应尽量光滑、转弯少。如半球型燃烧室的进气弯转弯少。如半球型燃烧室的进气弯道少，且燃烧室弓高稍高（斜面积道少，且燃烧室弓高稍高（斜面积大），有利于布置较大面积的进、大），有利于布置较大面积的进、排气门排气门26 5 5、形成适当的紊流运动

26、、形成适当的紊流运动 燃烧室内形成适当强度的气体流动，可以加快 火焰传播，增加末端混合气冷却；扩大混合气着火 界限，有利于燃烧更稀混合气；减少 HC排放量。 如射流型燃烧室、碗型燃烧室，压缩过程中形成 挤气紊流，燃烧膨胀时形成燃烧紊流，火焰传播速度 和燃烧速度均提高， 可大大提高压缩比（11左右）。 27 二、汽油机分层燃烧及其燃烧室二、汽油机分层燃烧及其燃烧室 传统的燃烧均质混合气的汽油机，工作时混合气浓度范围传统的燃烧均质混合气的汽油机，工作时混合气浓度范围窄，并经常在窄，并经常在A/FA/F1 14.74.7的浓混合气下工作，是燃油消耗率高和的浓混合气下工作，是燃油消耗率高和排污率大的根本原因。如果将混合气的浓度变稀则受到着火浓排污率大的根本原因。如果将混合气的浓度变稀则受到着火浓度界线的限制。度界线的限制。 实践证明，火焰在实践证明，火焰在A/FA/F6060的极稀混合气中仍能传播，但的极稀混合气中仍能传播，但它超出了着火浓度的界限而不能着火，只有在火花塞附近保持它超出了着火浓度的界限而不能着火，只有在火花塞附近保持A/FA/F1 12 21414的浓混合气，才能形成稳定的着火核心，并由此的浓混合气，才能形成稳定的着火核心，并由此向可燃混合气传播火焰。向可燃混合气传播火焰。 可见要实现稀混合气的燃烧（例如可见要实现稀混