发动机原理B-第四五章 汽油机柴油机混合气的形成和燃烧-2012

发动机原理武汉理工大学汽车工程学院刘志恩2012年6月2023/2/1发动机原理2

绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章发动机的燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第九章排气污染与控制目录2023/2/1发动机原理3第四章汽油机混合气的形成和燃烧发动机的燃烧过程是影响发动机动力性、经济性和排气污染的主要过程，对噪声、振动、起动性能和使用寿命也有重大影响。4.1汽油机正常燃烧过程4.2汽油机不规则及不正常燃烧4.3影响燃烧过程的因素4.4常用典型燃烧室结构4.1汽油机正常燃烧过程汽油机的混合气的形成和燃烧过程是：先在气缸外部的进气管（进气道）内，利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，形成可燃混合气；混合气进入气缸后，到压缩行程终了时形成均匀混合气，再经电火花点火进行燃烧。汽油机的正常燃烧过程是由火花塞点火开始，火焰前锋以一定的速度传遍整个燃烧室的过程。

汽油机着火和燃烧的火焰传播过程特点：均质透明火焰，前锋面皱褶火核形成对汽油机燃烧过程的分析主要根据展开示功图P-φ进行。根据缸内压力变化的特征，汽油机的燃烧过程可分为三个阶段：Ⅰ-着火落后期Ⅱ-明显燃烧期Ⅲ-补燃期对在燃烧压力线上:1点为火花塞跳火点；2点为燃烧压力线脱离压缩压力线点；3点为最高压力点。右图中虚线表示只压缩不点火的压缩线；1.着火落后期（φA～φB

）特性参数：着火落后期φi10°～20°CA注意区别点火提前角θigφi

相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响现象：在φA点开始火花点火，高温单阶段着火；在φB点产生稳定的火核，开始火焰传播；φB点也可用CA05表示，即累计放热5%的相位。pmax

↑，ηi

↑，Wi↑，NOx↑，机械负荷及热负荷↑；pmax位置，φc＝10～15CA（ATDC）2.明显燃烧期（φB～φC

）

现象：

由明显火核产生～火焰充满 燃烧室；

90％燃料在此期间被燃烧。也称为速燃期

Δp/Δφ在0.2--0.4MPa/CA

放热速率特征值CA50：累计放 热50%的相位，0～10CAATDC

主要控制参数1：最高爆发压力pmax3.后燃期（φC～φD

)要求：燃期短—后燃期↑，ηi↓，排温↑，甚至“放炮”燃烧净—否则，HC↑，CO↑现象

燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气2023/2/1发动机原理10燃烧速度

燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量AT--火焰前锋面积ρT--未燃混合气密度UT--火焰速度控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。现代汽油机转速很高，一般在5000—8000r/min，燃烧时间极短，1—2ms2023/2/1发动机原理11燃烧速度－影响因素火焰速度UT火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。

•气体的紊流运动

•混合气成分•混合气初始温度

火焰前锋面积AT

可燃混合气密度ρT

2023/2/1发动机原理124.2汽油机不规则及不正常燃烧（一）、不规则燃烧在稳定正常运转的情况下，各循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。

•循环变动：各循环间的燃烧变动

•各缸工作不均匀：各缸间燃烧差异

对于各缸和各循环而言，混合气温度等都可能互不相同，点火提前角和空燃比的调节不可能都处在最佳值，这就影响各缸和各循环初始火焰形成时刻的稳定性，导致各缸和各循环最大燃烧压力和平均指示压力的变化。

2023/2/1发动机原理13循环变动原因混合气成分波动气体运动状态波动影响循环变动的因素较多。如混合气浓度、发动机负荷、发动机转速、点火时刻、燃烧室的形状、火花塞位置、压缩比、配气定时等。为提高发动机功率、减少油耗、降低排放污染与噪声,应使燃烧变动降低到最小限度。可适当提高发动机转速及负荷、增大点火提前角、过量空气系数φat

控制在0.8～0.9左右、加强气体紊流、增加点火能量、采用多点点火等。2023/2/1发动机原理15各缸工作不均匀原因各缸进气充量不均匀混合气成分不均匀进气空气量、进气速度、气流扰动强度、燃烧室形状、压缩比、火花塞位置的差异也有影响。

从燃烧示功图也可看出各缸燃烧的差异，图5-3为CA6102发动机节气门开度75%，转速n=1400(r/min)和3000（r/min)时各缸燃烧示功图。2023/2/1发动机原理18（二）、不正常燃烧

在汽油机正常燃烧情况下，提高压缩比可以提高汽油机的动力性和燃油经济性。而当出现不正常燃烧时，热效率及功率均要下降。同时，由于不正常燃烧使零件磨损加剧，使用寿命下降，发动机振动及噪声增大，排放污染严重，发动机过热。汽油机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火。

2023/2/1发动机原理191.爆燃

外部特征：特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸产生原因：在火焰前锋尚未到达之前，末端混合气已经自燃影响因素：

•燃料性质，燃料的抗爆燃能力－辛烷值

•末端混合气的压力和温度

•火焰前锋传播到末端混合气的时间

2023/2/1发动机原理202023/2/1发动机原理212.表面点火

产生原因：不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面点燃混合气的现象。高温炽热表面在火花塞点火前点燃混合气的现象称为早燃。早燃的危害：发动机工作粗暴，压缩功增大，功率下降，火花塞、活塞等零件过热早燃与爆燃的关系：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，两者互相促进，危害可能更大。2023/2/1发动机原理222023/2/1发动机原理232023/2/1发动机原理244.3影响燃烧过程的因素（一）混合气浓度

（二）点火提前角

（三）转速

（四）负荷

（五）大气状况

2023/2/1发动机原理25（一）混合气浓度在α=0.8--0.9时

:

•

pz、Tz、Δp/Δφ、pe均达最高值

•爆燃倾向增大

•不完全燃烧，所以CO排放量明显上升在α=1.03--1.1时

:

•燃料燃烧完全，be最低

•缸内温度最高且有富裕空气，NOx排放量大在α<0.8及α>1.2时

:

•火焰速度缓慢，经济性差

•燃料不完全燃烧，HC排放量增多

•工作不稳定

2023/2/1发动机原理26（二）点火提前角定义：从发出电火花到上止点间的曲轴转角

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为点火提前角调整特性，如图4-14所示特点：对应于每一工况都存在一个“最佳”点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低2023/2/1发动机原理272023/2/1发动机原理28（二）点火提前角点火角过大，压缩功增加，且最高压力升高，爆燃倾向加大点火过迟，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，功率、热效率降低，但爆燃倾向减小，NOx排放量降低2023/2/1发动机原理29（三）转速转速增加时，气缸中紊流增强，火焰速度大体与转速成正比增加

转速增加时，爆燃倾向减小

转速增加时，应该相应加大点火提前角

2023/2/1发动机原理30发动机转速n

图5-9涡流状况对火焰传播速度的影响

a)无涡流b)有涡流2023/2/1发动机原理31（四）负荷汽油机负荷调节是量调节，当负荷减小时，残余废气所占比例相对增加

当负荷减小时，需要增大点火提前角

2023/2/1发动机原理32（五）大气状况大气压力低（高原），气缸充气量减少，经济性和动力性下降，爆燃倾向减小大气温度高，同样气缸充气量下降，容易发生爆燃和气阻

4.4常用典型燃烧室结构燃烧室的结构直接影响到发动机的充量系数，火焰传播速度及放热率、传热损失及爆燃的发生，从而影响发动机的性能。2023/2/1发动机原理34对燃烧室的要求

结构紧凑－小F/V值

•火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比

•相对散热损失小，热效率高•熄火面积小，HC排量少具有良好的充气性能火花塞位置安排适当•扫除火花塞周围的残余废气•火花塞尽量布置在排气门附近•火焰面变化分配合理•火焰传播距离应尽可能短燃烧室形状合理分布组织适当的紊流运动•进气涡流•挤流防止爆燃和早燃2023/2/1发动机原理35常用典型燃烧室

浴盆形燃烧室

•F/V较大

•压缩比一般不高•动力性、经济性不高•HC排出量多而NOx较少•曾经用于载货汽车、轻型车

楔形燃烧室•燃烧室较紧凑

•压缩比高•动力性、经济性高•工作粗暴•HC、NOx排出量多•曾广泛用于车用汽油机，但进排气门只能单行排列，难采用多气门机构

半球形燃烧室•结构紧凑，F／V值小•压缩比高•动力性、经济性高•工作粗暴•HC排出量少•NOx排出量多

2023/2/1发动机原理36其他汽油机燃烧室均质稀混合气的燃烧室分层给气式燃烧室

2023/2/1发动机原理37

绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章发动机的燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第九章排气污染与控制目录第五章

柴油机混合气的形成和燃烧

第一节

柴油机燃烧过程由喷射系统在压缩行程接近终了时开始直接喷入燃烧室内。混合气形成的时间极短，混合气不均匀，在高温、高压下多点自燃着火燃烧的。近年来柴油机发展，涌现出一些新型燃烧系统：高压共轨喷射系统、燃料参烧技术等。（一）燃烧过程概述（二）燃烧放热规律

2023/2/1发动机原理40（一）柴油机燃烧过程概述

着火延迟期

速燃期

缓燃期•着火延迟期也称为滞燃期。

•混合气准备的物理和化学过程。•温度或压力越高，着火延迟期越短。•燃烧室的形式和壁温，也影响着火延迟期长短。

•着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧。•应控制压力升高率，防止工作粗暴。•柴油机Δp/Δφ不大于0.4-0.5MPa/(°)的范围内。•燃烧的进行渐趋缓慢。•尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧。

补燃期•尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。2023/2/1发动机原理41（二）燃烧放热规律瞬时放热速率:

在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（或1°曲轴转角内）燃烧的燃油所放出的热量。累积放热百分比:

从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧放热规律。燃烧起点、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续时间被认为是燃烧放热规律的三要素。2023/2/1发动机原理42各种发动机的燃烧放热规律燃烧放热规律影响柴油机的性能，对了解、分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用。

2023/2/1发动机原理43较理想的柴油机燃烧放热规律

有一合适的燃烧(放热)起点，保证最大燃烧压力在上止点后10～15°CA。

在燃烧放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压力升高率，然后燃烧应加速进行，燃烧过程应该是先缓后急。燃烧持续时间不宜过长，汽油机一般为40～60°CA，柴油机为50～70°CA。第二节燃油喷射和雾化2023/2/1发动机原理45一、供油系统和喷射过程

柴油机供油系统

喷油泵速度特性及其校正喷射过程

供油规律和喷油规律

不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀破坏

2023/2/1发动机原理46

柴油机供油系统柴油机供油系统一般由油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等组成，另外还包括调速器和供油提前角调节装置等。其中的喷油泵、喷油器和高压油管等组成了高压油路，称为喷射系统，是整个柴油机供油系统的关键部分。

2023/2/1发动机原理47

柴油机供油系统－喷油泵喷油泵的主要作用是定时、定量地向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。常见的有直列式喷油泵（柱塞泵）和分配式喷油泵（转子泵）两种类型。分配式喷油泵具有结构紧凑，能在较高转速下工作的优点，但供油压力较低。

2023/2/1发动机原理48

柴油机供油系统－喷油泵的结构直列式柱塞喷油泵又分为：单体泵与合成泵（整体泵）

2023/2/1发动机原理49柱塞式喷油泵的组成

柴油机供油系统－喷油泵的原理2023/2/1发动机原理50柱塞式喷油泵泵油原理2023/2/1发动机原理51

柴油机供油系统－喷油器喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。喷油器有孔式喷油器和轴针式喷油器两类。2023/2/1发动机原理52

柴油机供油系统－喷油器喷孔式a轴针式圆柱b轴针式截锥形c轴针式节流形2023/2/1发动机原理53

柴油机供油系统－喷油器

孔式喷油器

用于直喷式燃烧室中。较小的喷孔与高压泵配合，可形成较细的喷油颗粒。易引起积炭堵塞。

轴针式喷油器

用于分隔式燃烧室中。较低的喷油压力，喷油颗粒较大。有自洁作用，不易堵塞。喷孔有效流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的流通特性（开启特性）2023/2/1发动机原理54汽、柴油机混合气形成装置

对混合气的要求数量浓度空间形态燃烧起点

汽油机节气门化油器(均匀)火花塞

柴油机喷油泵喷油泵喷油器喷油泵2023/2/1发动机原理55喷油泵速度特性及其校正喷油泵油量控制机构位置固定，循环供油量随转速变化的关系称为喷油泵速度特性。对于柱塞式喷油泵，随着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势。为使供油量与空气量相匹配，对特性进行必要的校正，得到较理想的扭矩特性。2023/2/1发动机原理56

喷射过程定义：从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程（15-40℃A）

喷射延迟阶段

主喷射阶段

喷射结束阶段

2023/2/1发动机原理57供油规律和喷油规律两者的差异：喷油始点滞后于供油始点喷油持续时间较长最大喷油速率较低曲线的形状有一定的变化

定义：供油规律：喷油泵供入高压油管的供油量随时间（喷油泵凸轮转角）的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。

喷油规律：喷油过程中，喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间（喷油泵凸轮转角）的变化关系。产生差异的原因：燃油的可压缩性系统内产生压力波的传播滞后、压力波动、节流作用高压油管的弹性变形2023/2/1发动机原理58不正常喷射现象正常喷射过程二次喷射滴油现象断续喷射不规则喷射和隔次喷射为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动，减小其影响，并合理选择喷射系统的参数。2023/2/1发动机原理59喷射系统中的穴蚀破坏

穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。

2023/2/1发动机原理60二、燃油的雾化和油束特性

燃油的雾化：燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程。雾化可以大大增加蒸发表面积，加速吸热和汽化过程。可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的要求有所不同。2023/2/1发动机原理61二、燃油的雾化和油束特性

几何形状主要包括油束射程（又称为贯穿距离）L和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。影响油束几何形状的主要因素有：

•

喷射压力

•

喷油器喷孔的长径比

•

空气与燃油密度比2023/2/1发动机原理62二、燃油的雾化和油束特性

油束的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。细度可以用液滴平均直径来表示。均匀度是指油束中液滴大小相同的程度以及液滴在油束内分布的均匀程度。2023/2/1发动机原理63三、对喷射系统的要求在任一工况下都不出现不正常喷射现象，不产生穴蚀破坏。根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量。尽可能实现理想的喷油规律。良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求。对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，同时注意降低喷射系统的噪声与振动。

2023/2/1发动机原理64三、对喷射系统的要求

理想的喷油规律：更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷油持续时间已是技术发展的一个明显趋势。为避免柴油机工作过于粗暴，又希望实现“先缓后急”的喷油规律。在所有的工况下都希望在喷射结束阶段能尽可能迅速地结束喷射。第三节混合气的形成和燃烧室

2023/2/1发动机原理66一、柴油机混合气形成特点和方式

柴油机可燃混合气的品质较汽油机差，因此采用较大的过量空气系数。理想的柴油机混合气形成过程：柴油机混合气形成方式：

•

空间雾化混合（不完全气相）燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素

•

油膜蒸发混合（完全气相）起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。

柴油机的燃烧室预燃室半开式涡流室2023/2/1发动机原理68二、分隔式燃烧室涡流室燃烧室

•

涡流室容积约占整个燃烧室压缩容积的50%-60%

•

通道的截面积约为活塞截面积的1%～3.5％

•

涡流室燃烧过程

预燃室燃烧室

•

预燃室容积约占整个燃烧室压缩容积的35%-45%

•

通道的截面积约为活塞截面积的0.3%-0.6％

•

预燃室燃烧过程2023/2/1发动机原理69分隔式燃烧室柴油机的性能持点

靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高。空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好。喷射系统的要求较低，工作可靠性和使用寿命高。燃烧室结构较为复杂，面容比大。热效率低，经济性差。冷起动性也较差。工作较为平稳，燃烧噪声较小。预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般表现得更为突出。一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。在有害排放方面的突出问题是低负荷下的碳烟排放量较大，其余则优于直喷式燃烧室柴油机。

2023/2/1发动机原理70三、直喷式燃烧室－开式燃烧室凹坑较浅，凹坑口径与活塞直径之比一般大于0.7。主要依靠燃油的喷散雾化，因此要求高的喷射压力和较多喷孔数目。混合气形成方式为空间雾化，一般不组织空气运动，空气利用率相对较低（1.5-2.2)开式燃烧室一般适用于缸径较大（≥140mm），转速较低（≤2000r/min）的柴油机中。2023/2/1发动机原理71三、直喷式燃烧室－半开式燃烧室活塞顶部有较深的凹坑，有ω形和平底的深坑形，凹坑口径与活塞直径之比一般约在0.35～0.7之间。混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。运用较高的压力喷射，配合以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动。半开式燃烧室一般适用于缸径80～140mm，转速低于4500r／min的柴油机中。2023/2/1发动机原理72直喷式燃烧室柴油机的性能持点

由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。

燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。

对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。冷起动性能较好。工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。

2023/2/1发动机原理73四、不同燃烧室的比较与选用

2023/2/1发动机原理74四、不同燃烧室的比较与选用

2023/2/1发动机原理75四、不同燃烧室的比较与选用

2023/2/1发动机原理76四、不同燃烧室的比较与选用对于碳烟的排放量，开式燃烧室最低，半开式燃烧室次之，而分隔式燃烧室最高；半开式燃烧室的HC的排放量最高，特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也较高；直喷式燃烧室较分隔式燃烧室NOx的排放量明显要高，特别在较高负荷工况下。在有害排放和噪声的控制方面，分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下；而直喷式燃烧室主要应解决好控制碳烟和NOx之间的矛盾，降低燃烧噪声和控制部分负荷工况下HC的排放量。

2023/2/1发动机原理77四、不