第五章 内燃机混合气的形成及燃烧1

第五章内燃机混合气的形成和燃烧1第五章内燃机混合气的形成和燃烧第一节内燃机缸内的气体流动第二节点燃式内燃机的燃烧第三节点燃式内燃机的燃烧室第四节压燃式内燃机的燃烧第五节压燃式内燃机的燃烧室

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第一节内燃机缸内的气体流动对空气运动的认识早期内燃机一般缸径大，转速低，认为混合气形成主要是靠油的雾化质量来实现，不组织空气运动，其措施：1.早期认识(40年代前)（1）采用多孔喷油器（4～8个）（2）提高喷油压力（3）喷柱同燃烧室结构尺寸和形状相匹配效果：由于n低，D大，循环供油量多，动力性、经济性、起动性都理想，但噪音大，油嘴易堵塞。2.近期认识(50年代后)内燃机向高速小型发展，以上方法，出现油耗偏高，发动机冒烟（混合时间缩短，燃烧恶化），喷孔堵塞严重（D小，燃油消耗量小，孔多孔径小）。组织空气运动3

第一节内燃机缸内的气体流动内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响。动力性、经济性、燃烧噪声、有害废气的排放汽油机组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用；柴油机对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合(热混合作用)有重要作用。深入了解内燃机缸内空气运动对燃烧过程的影响和作用，对于组织良好的燃烧过程，开发具有高性能和低污染的发动机具有重要意义。4内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流

第一节内燃机缸内的气体流动5

第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流1、进气涡流定义：在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。进气过程所产生的旋流可以持续到燃烧膨胀过程。柴油机进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油与空气混合速率，这有助于柴油机的快速燃烧。汽油机进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。6

第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流2.进气涡流的产生方法采用带导气屏的进气门切向气道螺旋气道7

第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门2.进气涡流的产生方法强制空气从导气屏的前面流出,依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。8

第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门由于导气屏的存在，使在导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心O的动量矩。平直无旋气道改变导气屏包角β的大小和导气屏安装角α的大小，均可改变涡流强度。β角一般常选80—120°，α角在90-270°附近可望形成较强的涡流(两者产生的涡流转动方向相反)。9

第一节内燃机缸内的气体流动一、涡流(1)采用带导气屏的进气门导气屏缺点：a.由于导气屏减小气流流通截面，流动不对称，使流动阻力增加，充量系数降低。b.由于气门上有导气屏，为保证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，这都使结构复杂，制造成本增加。c.气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又不能转动，使气门容易偏磨，对气门密封不利。10

第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(2)切向气道在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。切向进气道结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求进气涡流强度不高的发动机上。11

第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(2)切向气道12

第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法（3）螺旋气道在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成—定强度的旋转，促使进气过程中形成绕气缸轴线旋转的气流。13

第一节内燃机缸内的气体流动2.进气涡流的产生方法(3)螺旋气道相当于在平直气道出口速度分布的基础上，增加—个切向速度，合成后的速度图是一个对称图形。14

第一节内燃机缸内的气体流动3.气道的评定方法一、涡流为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越好；气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度；希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。评定指标：无量纲流量系数无量纲涡流数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力评价不同气门行程下气道形成涡流的能力。涡流比评价不同气门行程下气道形成涡流的强度。15在稳流气道试验台(图5—3)上评定涡流强度的方法基本相近，一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。16Q为试验测得的实际空气流量A为气门座内截面面积无量纲流量系数定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比dv为气门座内径n为进气门数目υ0为理论进气速度为进气道压力降，一般取2.5kPaρ为气门座处气体的密度(kg／m3)（1）无量纲流量系数（气道的流通能力）17Ricardo无量纲涡流数NR为:D为缸径υ0为理论进气速度为叶片旋转角速度（2）无量纲涡流数（形成涡流的能力）18Ricardo涡流比为为叶片旋转角速度ωe为发动机旋转角速度（3）涡流比19

第一节内燃机缸内的气体流动二.挤流定义：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。逆挤流：当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。逆挤流在柴油机上有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。20

第一节内燃机缸内的气体流动二.挤流挤流压缩涡流逆挤流膨胀涡流挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。形成的有组织的旋转空气运动21

第一节内燃机缸内的气体流动三、滚流和斜轴涡流滚流：在进气过程中形成的，绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气漩流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用。缸内直喷汽油机斜向旋流由进气涡流和滚流两部分组成的。绕气缸轴线旋转的横向分量绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量斜轴涡流在上止点附近能形成更强的湍流运动，提高混合气（特别是稀混合气）燃烧速率。22当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。23

第一节内燃机缸内的气体流动四、湍流主要用于提高火焰传播速度组织适当的湍流可以改善燃油（壁面油膜）与空气混合（4JB1柴油机）定义：在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。（四气门双气道）汽油机柴油机24

第一节内燃机缸内的气体流动四、湍流采用统计的方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某方向上的当地瞬时流速U可以写为平均速度u(t)为流速的脉动分量τ为时间；t0为起始时间湍流强度脉动速度分量的均方根值25

第一节内燃机缸内的气体流动五、空气运动带来的效果1.空气利用率大大提高,φa明显降低；（φa＝1.1~1.3）2.高速性能好；(be低,不冒烟)3.促使油粒分散,扩大了混合范围。4.充分利用了热混合作用。26热混合作用进气结束时，汽缸内旋流速度的分布表明，小于某一半径时，切线速度随半径的增加而增大，速度呈刚体流分布；越过这一半径时，切线速度随半径的增加而减小，速度呈势流分布。直接喷射式燃烧室内的空气运动在压缩上止点附近接近刚体流，即燃烧室中气流切向速度随燃烧室半径的增大而增大，气流压力同气流速度平方成正比，中心部分压力低，外围压力高；AF离F向PVm27热混合作用若一质点A在旋转气流中运动：一方面受离心力作用，向外运动，另一方面受压差作用，推向燃烧室中心；液体油滴或燃油蒸汽密度比空气大，离心力起主导作用，呈向外运动趋势。按螺旋线向外运动已燃气体密度比空气小，向内推力起主导作用，呈向内运动趋势。按螺旋线向内运动由于在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将部分的新鲜空气挤向外壁，以促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。AF离F向PVm28第二节点燃式内燃机的燃烧一、点火过程火花点火过程十分复杂，至今仍有许多方面还不清楚，整个放电过程可以分成三个阶段：1－高压连接端；2－Al2O3陶瓷绝缘体；3－外壳；4－隔热带；5－导电玻璃密封剂；6－外部卡口垫圈；7－Ni/Cu合金中心电极；8－接地电极击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段29(1)击穿阶段火花塞电极在高电压(约10~15kv)作用下，击穿电极间隙内的混合气，使它的温度升至60000K，压力上升到几十个MPa，从而产生一个强烈的激波向四周传播，使等离子通道的体积迅速膨胀，而压力、温度迅速下降，称为击穿阶段。通过火花塞间隙的峰值电流高达200A，但整个击穿阶段的时间约10ns。(2)电弧阶段电弧放电的电压较低(50~l00v)，电流仍高，在电弧阶段放电带的中心部分的离解程度仍很高，但离子化程度较低。一般认为，在电弧阶段火焰传播开始发生。(3)辉光放电阶段辉光放电阶段电流低于200mA，在阴极上有大的电压降。点火绝大部分的点火能量在此时放出，但能量损失比电弧阶段更大，气体的最高平衡温度下降到3000K。30第二节点燃式内燃机的燃烧一、点火过程在发动机运行条件下：静止的具有化学计量比的混合气：点火能量只需要0.2mJ较稀或较浓的混合气及电极处混合气有较高流速：点火能量为3mJ为能使发动机在各种上况下都能可靠点火：常规点火系统供给的能量一般为30~50mJ31二、点燃式内燃机中的正常燃烧预混燃烧：扩散燃烧：火焰中心到达之前燃料与空气充分混合的燃烧。燃料着火后仍有燃料喷入气缸，处于一边喷油，一边混合，一边燃烧，混合过程控制了燃烧速率。汽油机柴油机汽油机燃烧的特点：1.外部形成可燃混合气(混合时间长，混合均匀)2.外源点火(自燃温度高，压缩比小，不能自行着火)3.量调节(改变负荷是改变混合气量)4.预混燃烧对燃烧的要求：燃烧完全及时，轻声无烟。32二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧(二)点燃式发动机的燃烧过程(三)燃烧过程按已燃质量分量划分(四)火焰传播速率和燃烧速率(五)着火界限(六)利用示功图获取的燃烧特征参数(七)不同工况下燃烧过程的特点(八)燃烧的循环变动33二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧定容燃烧弹分成相等的四部分，包含等量的可燃混合气，状态为(p0，T0)。第一部分燃烧后，压力温度升高，压缩其余未燃部分，其余部分由于压缩与传热的影响，温度与压力也有所提高区域2开始燃烧时，混合气是在比始压始温高的压力温度下燃烧。燃烧时气体膨胀，进而压缩已燃烧气体1和未燃烧气体3和4，使它们的压力温度再升高，然后依次燃烧3和4部分的混合气。34二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧结论：1)火焰沿燃烧室不断传播，后一层比前一层混合气有更高的密度，因此等截面燃烧室内，燃烧速率是不相等的。2)燃烧室内各处的燃气温度不相等。靠近火花塞混合气最先在较低温度下燃烧，在低压下膨胀，最后在高压下回到原来体积。除获得燃烧的化学能外，还获得压缩功，因而最终温度较高。最后燃烧的混合气要损失一部分功，因而温度较低。100℃燃烧过程(在火焰传播接近终点时)

，火花塞附近发生所谓“后辉”现象的原因。35二、点燃式内燃机中的正常燃烧(一)定容燃烧弹中的燃烧结论：3)由于燃烧室内火焰传播所引起的压缩一膨胀作用，在气流静止的燃烧室内引起气流的运动，而且燃烧初期的运动方向与燃烧末期是相反的。使火焰传播速度产生先加速后减速的倾向。36二、点燃式内燃机中的正常燃烧(二)点燃式发动机的燃烧过程点燃式发动机的燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期（滞燃期）急燃期后燃期I着火延迟期II急燃期III后燃期37(二)点燃式发动机的燃烧过程I着火延迟期1.着火延迟期（滞燃期）从火花塞跳火到形成火焰中心的阶段。由于汽油的自燃温度高，压缩比小，则压缩终点温度压力低，混合气不能产生自燃。在火花塞跳火后，需经过一段时间的准备后，才形成明显燃烧的火焰核心。存在原因:气缸压力开始与压缩压力相分离的2点点火提前角：从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角，一般为20—35ºCA。38(二)点燃式发动机的燃烧过程I着火延迟期1.着火延迟期（滞燃期）影响滞燃期长短的因素：燃料的品质。（活化能，辛烷值。辛烷值↑，滞燃期↑）2)

开始点火时气缸内气体的压力、温度。它与压缩比有关，压缩比↑

，滞燃期↓。3)过量空气系数。φa当φa＝0.8~0.9时，滞燃期最短。4)残余废气量残余废气量↑

，τi↑。5)点火能量火花能量↑，τi↓6）缸内混合气运动混合气运动↑→紊流↑→τi↓混合气运动↑→对流换热损失↑→散热↑→τi↑τi稍有增加汽油机缸内着火的时间(2点)可用控制点火提前角的办法来达到，所以滞燃期的长短对汽油机工作的影响不大，这一点是与柴油机完全不同的。2点在上止点前12℃A~15℃A39(二)点燃式发动机的燃烧过程II急燃期2.急燃期（火焰传播阶段）是从火焰中心形成到最大压力的阶段，这时期火焰中心传遍了整个燃烧室。压力升高很快，压力升高率大，为dp/dφ=0.2~0.4MPa/CA，最大压力出现。特点：注意：压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。火焰传播速率↑，dp/dφ↑。（1）火焰传播速率（2）燃烧结构燃烧结构紧凑，dp/dφ↑（3）火花塞的安装位置影响火焰中心的传播距离40(二)点燃式发动机的燃烧过程最高压力点2.急燃期（火焰传播阶段）最高压力点：最高燃烧压力点3到达的时刻，对发动机的功率、经济性有重大影响。到达过早：

dp/dφ增加，最高燃烧压力过高，工作粗暴。压缩过程负功增加。到达过晚：膨胀比减小，燃烧高温时期的传热表面积增加，油耗上升，但工作柔和。最高压力在上止点后12℃A~15℃A，可通过点火提前角调整。41(二)点燃式发动机的燃烧过程3.后燃期由于：III后燃期从最高压力点到燃烧结束点。（1）混合不均匀，湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面的混合气层继续燃烧。（2）汽油机燃烧产物CO2和H2O的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合就放出热量，一般也作后燃看待。42二、点燃式内燃机中的正常燃烧(三)燃烧过程按已燃质量分量划分按每循环的已燃质量分数与曲轴转角的关系可分为：快速燃烧期燃料－空气混合物的燃烧速度：火焰发展期小→大→0。指从火花点火到燃料化学能释放10％之间。从火焰扩展阶段（已燃质量百分数达到10％）到火焰传播过程终点（已燃质量百分数达到90％）之间。

总燃烧期：整个燃烧过程的持续期，它是火焰发展期与快速燃烧期之和。43二、点燃式内燃机中的正常燃烧(四)火焰传播速率和燃烧速率1.火焰传播速率Sf区分三种不同的速率火焰传播速率Sf层流火焰传播速率SL混合气运动速率Sg火焰前锋相对于燃烧室壁面传播的绝对速率。火焰前锋相对于未燃混合气的相对速率。已燃气体SL未燃气体SgSf三种速率的关系：44二、点燃式内燃机中的正常燃烧(四)火焰传播速率和燃烧速率2.湍流火焰速率ST由于层流火焰速度很低，不满足内燃机混合要求，应组织湍流。大尺度的湍流将使火焰前锋面发生扭曲，除使其面积增大外，还使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致湍流火焰速率大大增加；小标尺的湍流也可大大增加焰面中分子与新鲜混合气中的分子的相互渗透，因此也使湍流速率增加。45二、点燃式内燃机中的正常燃烧(四)火焰传播速率和燃烧速率2.湍流火焰速率ST经验公式：n为发动机转速(r／min)Se:已燃区膨胀速率46二、点燃式内燃机中的正常燃烧(四)火焰传播速率和燃烧速率2.湍流火焰速率ST实际燃烧过程中，火焰传播速率与湍流强度之间的关系：湍流强度不高时火焰传播速率与湍流强度呈线性关系。湍流增加到一定强度时火焰传播速率随湍流强度的增加而呈非线性增加趋势。湍流强度太强火焰传播速率有可能会随湍流强度的增加而降低。汽油机中，组织适当强度的湍流有助于提高火焰传播速率，但太强的湍流不仅不利于提高火焰传播速率，反而会使传播中的火焰淬熄。47二、点燃式内燃机中的正常燃烧(四)火焰传播速率和燃烧速率3.燃烧速率Un燃烧速率是单位火焰前锋表面积在单位时间燃烧的新鲜混合气量。4.火焰前峰面的放热率F:火焰前锋在传播途径上的表面积。48二、点燃式内燃机中的正常燃烧(五)着火界限当P,T一定时，燃料氧化（反应）速度同可燃混合气浓度有关。可燃混合气过浓即油多氧少，当火焰中心形成后，由于氧少，氧化速度减慢，放热量减少，不能迅速传播。不能着火可燃混合气过稀即油少氧多，当火焰中心形成后，由于燃油少，热值低，放热量少，传播速度慢，甚至中断。不能着火可燃混合气，只有放出的热量大于向四周混合气的散热量，火焰才能传播发展；反之，将自行熄灭。这两个界限的混合气浓度称为可燃范围或着火界限。49二、点燃式内燃机中的正常燃烧(五)着火界限几种燃料的可燃范围大致如下：燃料浓限稀限燃料浓限稀限汽油0.51.30酒精0.41.70苯0.41.25醚0.41.25各种燃料着火界限的数值是不同的，所有影响可燃混合气初期放热速率和散热速率的因素，都会影响着火界限。可燃混合气初始温度增高着火界限扩大残余废气系数增加着火界限减小50二、点燃式内燃机中的正常燃烧(五)着火界限在实际发动机气缸内，由于各处的温度、压力并不完全相同，空气、燃料及残余废气的混合也不一定绝对均匀，着火界限比上面列出的范围窄。在汽油喷射、分层燃烧的汽油机以及柴油机中，由于整个燃烧室内混合气分布不均匀。因此按平均意义上的过量空气系数表示的可燃范围就失去意义。51二、点燃式内燃机中的正常燃烧（六）利用示功图获得的燃烧特征参数1、最高燃烧压力Pmax

及其对应的曲轴转角φPmax2、最高燃烧温度Tmax

及其对应的曲轴转角φTmax3、最大压力升高率(dp/dφ)max

及其对应的曲轴转角4、最高放热率峰值(dQB/dφ)max

及其对应的曲轴转角5、火焰发展期，快速燃烧期及其对应的曲轴转角52二、点燃式内燃机中的正常燃烧（六）利用示功图获得的燃烧特征参数6、放热率曲线面心对应的曲轴转角φc。φc

越小，燃烧越靠近上止点，燃烧效率高，但工作粗暴。53二、点燃式内燃机中的正常燃烧(七)不同工况下燃烧过程的特点1、点火提前角不同时的燃烧过程2、混合气浓度不同时的燃烧过程3、负荷不同时的燃烧过程4、转速不同时的燃烧过程54

1、点火提前角不同时的燃烧过程(七)不同工况下燃烧过程的特点点火提前角是从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。点火提前角过大时增加了压缩功的消耗，示功图面积也减小，功率降低，同时，发动机工作粗暴性增加，爆燃的倾向也增加。点火提前角过小时使燃烧在膨胀过程中进行，燃烧的最高压力和最高温度将降低，热损失增多，功率下降。55

1、点火提前角不同时的燃烧过程(七)不同工况下燃烧过程的特点最佳点火提前角Pebeθ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12～15CA时到达，这时实际示功图与理论示功图最为接近(时间损失最小)。选择最佳点火提前角时，要考虑到发动机的整个运行范围能保证最大功率而无爆燃发生。影响汽油机最佳点火提前角的因素很多，如转速、过量空气系数、进气压力和温度等，它只能在试验中予以测定。56

1、点火提前角不同时的燃烧过程(七)不同工况下燃烧过程的特点汽油机点火提前特性:在汽油机上，保持节气门开度、转速及混合气浓度一定，记录功率、燃油消耗率、排气温度随点火提前角的变化。a）节气门全开b）转速n=1600r/min对于发动机每—上况都存在一最佳点火提前角。57(七)不同工况下燃烧过程的特点Φa对燃烧过程的影响可用调整特性来反映在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性。2、混合气浓度不同（Φa不同）时的燃烧过程58(七)不同工况下燃烧过程的特点2、混合气浓度不同（Φa不同）时的燃烧过程1）当φa=0.8~0.9时，火焰传播速度最快，这时发动机的功率Pe最大。称为功率混合气。由于这时燃烧产生的压力和温度都较高，所以产生的爆燃的倾向也最大。2）当φa=1.03~1.1时，燃油消耗率最低，称为经济混合气。这主要是因为气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对均匀混合，因而不可能刚好在φa=1时获得完全燃烧。3）当混合气过浓或过稀时，都会产生不完全燃烧，CO、HC排放量增大。火焰传播界限：

0.5<φa<1.3。59(七)不同工况下燃烧过程的特点2、混合气浓度不同（Φa不同）时的燃烧过程汽油机常用工况中小功率，因此按经济混合气来工作，当负荷超过80％以后，为获得动力性，则牺牲经济性，多加油（加浓）。低负荷或怠速时→较浓的混合气60(七)不同工况下燃烧过程的特点3、负荷不同时的燃烧过程在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量来到达不同的负荷要求。当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高比均下降，冷却水散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。在传统汽油机中，采用点火提前真空调节器来自动调整。61(七)不同工况下燃烧过程的特点4、转速不同时的燃烧过程转速n↑湍流↑→火焰传播速率↑→τi↓进气阻力↑→φc

↓，φr

↑→τi↑燃烧时间缩短（1/6n)→τi↑综合影响，使以秒计的滞燃期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大。由自动点火提前装置来实现。62点火提前角对汽油机的经济性影响较大。据统计，如果点火提前角偏离最佳值5°(CA)，热效率下降1％；偏离10°(CA)，热效率下降5％；偏离20°(CA)，热效率下降16％。传统的真空和离心调节装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似控制；此外，影响最佳点火提前角的因素较多(如大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等)，传统的点火控制装置只考虑了其中的两个因素。63为实现点火提前角的精确控制，近年来发展了一种点火时间的电子控制，它大体上分成两类。一类是计算机开环控制，它是一种预定顺序控制，根据转速传感器和负荷传感器测得的信号，在存储器中预定的特性图上找出对应于该工况的近似最佳点火提前角来控制点火系统点火。预定特性图是事先通过试验得到的近似最佳点火提前角与转速和负荷的三维曲线图或表格，存储在存储器中，若多加几个传感器还可监控更多的参数。6465另一类是闭环控制，它是一种自适应控制或反馈控制，根据反馈信息确定下一次点火提前角的调节方向。目前作为反馈信息的参数采用转速较多，其调节点火提前角的控制逻辑为：当负荷不变时，改变点火提前角一个步长，则：

点火提前后，转速增加——点火再提前点火提前后，转速下降——点火推迟点火推迟后，转速增加——点火再推迟点火推迟后，转速下降——点火提前66二、点燃式内燃机中的正常燃烧(八)燃烧的循环变动1、燃烧循环变动现象2、燃烧循环变动的表征参数3、产生燃烧循环变动的原因4、降低燃烧循环变动的措施67(八)燃烧的循环变动1、燃烧循环变动现象在发动机以其某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。68(八)燃烧的循环变动1、燃烧循环变动现象采用稀薄燃烧和在低负荷、低转速下运转时，这种循环的变动会加剧。有些循环的燃烧过程进行得快，有些循环进行得慢，这将使发动机的转速和输出转矩产生波动，因而影响发动机的性能。燃烧快的循环气缸最高爆发压力和爆燃的趋势都增加。因而限制了使用低辛烷值汽油和采用高压缩比。燃烧慢的循环HC排放及油耗都会大幅度上升燃烧循环变动每一循环点火提前角不可能都处在最佳值影响发动机性能指标提高可降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染。消除气缸压力的循环变动69(八)燃烧的循环变动2、燃烧循环变动的表征参数最佳点火提前角空燃比根据平均循环的要求确定的压缩比燃料辛烷值根据最倾向于爆燃的要求确定的只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳的性能。燃烧的循环变动较高的排气污染平均指示压力以及输出转矩的变动，使车辆的驱动性能恶化。70(八)燃烧的循环变动2、燃烧循环变动的表征参数1)与气缸压力有关的参数：2)与燃烧速率有关的参数：3)与火焰前锋位置相应的参数：4)与排放有关的参数：最高气缸压力及对应的曲轴转角最大压力升高率及对应的曲轴转角平均指示压力最大燃烧速率、火焰发展曲轴转角、快速燃烧曲轴转角火焰半径、火焰前锋面积、己燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。CO、未燃HC、NOX的含量71(八)燃烧的循环变动2、燃烧循环变动的表征参数由于压力参数比较容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动。从压力参数出发、可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数，即平均指示压力变动系数是燃烧稳定性和评价车辆驱动件的主要参数，一般认为此值不应超过10%为宜。72(八)燃烧的循环变动3、产生燃烧循环变动的原因(1)气缸内气体运动状况的循环变动。(2)气缸内的混合气成分的循环变动。总之，气流速度(平均参数和湍流参数)的变动，空燃比的变动以及空气、燃料和废气混合情况的变动，是造成燃烧循环变动的主要原因。湍流强度循环变动气流场作循环变动火焰中心轨迹及火焰的初始生长速率改变。火焰向整个燃烧室发展的进程，如火焰与壁面的关系、火焰前锋面积的变化以及燃烧速率等，受气流变化的影响。由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成燃烧的变动。73

1)多点点火有利于减少压力的循环变动。2)组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循环变动的目的。3)提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动。

4)采用化学计量空燃比，由于火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小。5)采用燃油电控喷射技术(特别是多点燃油喷射)可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动的目的。6)采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，有助于减小燃烧循环变动；7)加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动。4、降低燃烧循环变动的措施(八)燃烧的循环变动74三、点燃式内燃机的不正常燃烧(一)爆燃(二)表面点火(三)续走汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。75三、点燃式内燃机的不正常燃烧(一)爆燃1.爆燃在某种条件下(如压缩比过高)，汽油机的燃烧会变得不正常，压力曲线出现高频、大幅波动，上止点附近的压力升高率值急剧波动，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，称为爆燃。76(一)爆燃1.爆燃现象:1)缸内出现尖锐的金属敲击声(敲缸)2)在轻微爆燃时，发动机功率略有增加；强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。3)冷却系统过热(冷却水、润滑油温度均上升)。燃烧室过热，排温增加；4)排污增加，严重时排气冒黑烟；5)压力线出现爆震波。77(一)爆燃2.爆燃产生机理汽油机的爆燃现象就是终燃混合气的自燃现象。有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。正常燃烧：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，以极高速度向未燃区传播，由于速度极快气体容积来不及膨胀，使缸内温度压力急增，形成压力波，激波以音速向前传播，撞击活塞、缸壁、产生敲击声。（800~1000m/s）(30~70m/s)78与柴油机的工作粗暴性在燃烧本质上是一致的，均是可燃混合气的自燃结果。两者发生的时间和气缸内的状况是有差异的。柴油机的工作粗暴性发生在急燃期始点，压力升高比大，但气缸内压力还是均匀的；而汽油机的爆燃是发生在急燃期的终点，气缸内有压力波冲击现象。对汽油机而言是优良的燃料，对柴油机就是最差的燃料，反之亦然。汽油机爆燃与柴油机工作粗暴性的异同79(一)爆燃3.爆燃造成的危害1）机件过载强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。2）机件烧损汽油机燃烧终了的温度为2000~2500℃，由于冷却水和气体附面层的作用，活塞顶、燃烧室壁和缸壁的温度保持在200~300℃。爆燃冲击波破坏燃烧室内附面层和局部高温，使活塞头和气门等烧损，同时会引起发动机过热。3）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烧时大27倍。80(一)爆燃3.爆燃造成的危害4）Pe下降、be上升气体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，耗油率增加。5）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加6）轻微爆燃有利爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为CH、H2、O2、NO及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。CH、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。

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。接近等容燃烧，热效率提高，汽车上坡时驾驶员感觉轻松。81(一)爆燃4.影响因素为便于分析，对发动机产生爆燃的条件作如下简化：在火花放电以后，火焰并始传播，同时终燃混合气进行焰前反应，为着火作准备。由火焰中心形成至正常火焰传播到终燃混合气为止所需的时间为t1由火焰中心形成至终燃混合气自燃所需的时间为t2当t1＜t2时，就不发生爆燃；当t1＞t2时，则发生爆燃。因此，凡是t1减小、t2增加的因素均可减少爆燃倾向；反之，均使爆燃倾向增加。例如：缸径D↑t1↑爆燃倾向加剧压缩比↑t2↓爆燃倾向加剧有燃料因素、使用因素、结构因素等。82(一)爆燃4.影响因素1）燃料因素辛烷值越高，抗爆性越好。2）运转因素运转因素点火提前角转速负荷混和气浓度燃烧室沉积物834.影响因素2）运转因素点火提前角点火提前角推迟急燃期后移→PZ,TZ↓→t2↑→爆燃↓844.影响因素2）运转因素转速的影响：转速↑Un↑→t1↓爆燃↓湍流↑→阻力↑→PZ↓→t2↑负荷的影响：负荷↓（转速一定而节气门关小）残余废气系数增大，气缸壁相对传热损失增加。PZ↓t2↑爆燃↓854.影响因素2）运转因素混合气浓度的影响：φa值的改变将引起火焰传播速度、火焰与气缸壁的温度与终燃混合气滞燃期的改变。φa＝0.8~0.9时，火焰传播速度最高，t1最小，但此时终燃混合气的滞燃期t2也最小。试验表明，后者起主要作用，因而在

φa＝0.8~0.9时爆燃倾间最大，过浓或过稀的混合气有助于减小爆燃。864.影响因素2）运转因素燃烧室沉积物的影响:在发动机工作过程中，燃烧室内壁产生一层沉积物，通常称之为积碳。由于燃烧室中形成沉积物，造成如下现象：沉积物温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气。沉积物是热的不良导体，温度高沉积物本身占有—定的体积，提高了压缩比爆燃↑87结构因素气缸直径火花塞位置气缸盖和活塞材料燃烧室结构4.影响因素3）结构因素884.影响因素3）结构因素气缸直径气缸直径大，火焰传播距离长，使t1大，同时由于燃烧室冷却面积与容积之比减小，使t2小，因而爆燃倾向增大。火花塞位置火花塞位置影响火焰传播距离，也影响终燃混合气在气缸内所处部位上的变动，从而影响终燃混合气的温度。例如，火花塞靠近排气门最不容易引起爆燃。但火花塞离进气门过远，火花塞间隙中的废气不易清除，常常影响到发动机低负荷时工作的稳定性。894.影响因素3）结构因素燃烧室结构:这是影响爆燃最主要的结构参数。燃烧室形状影响到火焰传播距离、湍流强度、向冷却水的散热量以及终燃混合气的数量和温度。凡是火焰传播距离短、湍流强度高、火焰传播速度高的燃烧室结构，均有助于减小爆燃倾向。气缸盖与活塞的材料: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，热负荷明显减小，减小了爆燃倾向。90(一)爆燃5.防止爆燃的方法

1)推迟点火；

2)缩短火焰燃烧传播距离；

3)终燃混合气的冷却，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却得较好，如减小终燃混合气部分的余隙高度；4)增加流动，使火焰传播速度增加，且终燃混合气的散热也好；5)燃烧室扫气(如加大进、排气重叠期)的冷却作用可减轻爆燃。防止发动机爆燃的方法很多，如使用抗爆性高的燃料，降低终燃混合气温度，提高火焰传播速度或缩短火焰传播距离，缩短终燃混合气暴露在高温中的时间等。具体措施如下：91三、点燃式内燃机的不正常燃烧(二)表面点火定义：在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面(如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门，更多的是燃烧室表面炽热的沉积物)点燃混