《汽车发动机原理（第5版）》 课件 颜伏伍 第3-5章 燃料与燃烧、汽油机混合气的形成与燃烧、柴油机混合气的形成与燃烧

汽车发动机原理

2024/10/132

目录第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章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汽车发动机特性第七章车用发动机废气涡轮增压第八章发动机排气污染与噪声控制第九章新型汽车动力装置第十章发动机动力学第三章燃料与燃烧

在发动机的工作过程中，气缸内的工作物质是成分和比例不断变化的混合气体：空气、燃料蒸气及燃料燃烧后的混合物（气体、固体、燃料液滴等）。

发动机的燃料占有重要的地位，它是发动机动力的来源。发动机的存在与发展，不同类型的发动机在结构与性能上的差异，发动机排放物对环境造成的污染等等，都与发动机燃料的种类和品质有着密切的关系。第一节发动机的燃料并非所有燃料都可以被用作汽车发动机燃料，汽车发动机燃料必须满足以下条件：1）储量丰富，供应充足而且价格适当；2）燃料理化性能适应发动机燃烧及车辆行驶的综合性能的要求；3）燃料本身对人体健康影响小，有害排放物及噪声通过一定措施能达到有关法规要求；4）能量密度高，能满足较长距离行驶的要求，燃料储运、使用及管网设置安全、方便；5）燃料对发动机寿命及可靠性无不良影响，供给及燃烧装置不能过于昂贵。发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃。

利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气-汽油-煤油-轻、重柴油-渣油原油的蒸馏（Distillation）蒸馏塔沥青润滑油柴油煤油汽油石油气原油2024/10/13发动机原理7C原子数

沸点

品种

相对分子质量

理化性质的变化趋势

质量

挥发性

粘度

化学安定性

自燃性

点燃性

C1-C4

常温

石油气

16-58轻

易

小

好

难

易

C4-C12

40-210℃

汽油

95-120C11-C19

180-300℃

煤油

100-180C16-C23

250-360℃

轻、重柴油

180-200C23以上

360℃以上

渣油

220-280重

难

大

差

易

难

第二节燃料的使用特性汽油、柴油不是单一成分和结构的物质，都是由几百种有机物组成的混合物。最初使用的汽油、柴油是原油直馏时不同分馏段的产物。近代汽油、柴油中，直馏成分已占到很少的比例。为了提高燃料的使用特性，汽油、柴油中都加入了大量的热裂解、催化裂解和加氢裂解的产物。同时，还有改善各种性能的添加剂。可见，近代汽油、柴油是工艺复杂的高技术产品。图3－2燃料蒸馏曲线1－轻柴油；2－煤油；3－车用汽油；4－航空汽油一、汽油的性能1.辛烷值

在汽油机燃烧过程中，由于压缩比及气缸内气体温度的升高，可能出现一种不正常的燃烧现象，称为爆燃。影响汽油机爆燃的关键因素之一是燃料的品质。辛烷值是用来表征汽油抗爆性的一项指标。汽油的辛烷值越高，抗爆震能力越强。国产汽油就是用辛烷值来标号的。为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂－四乙铅[Pb(C2H5)4]和溴化乙烷（C2H4Br2）组成的混合物，由于四乙铅有毒，现已禁止使用2024/10/13发动机原理10测量燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷C7H16（辛烷值定为0)和抗爆性好的异辛烷C8H18（其辛烷值定为100）的混合液与被测定的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷Iso-OctaneC8H18

Octanenumber100辛烷值＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

Octanenumber0辛烷值＝0CCCCCHHHHHHHHH测量燃料辛烷值的CFR发动机辛烷值的测定方法:马达法与研究法。马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。国产汽油是以辛烷值（研究法）来标号的

市面上常见的汽油标号：90、93、97929598北京2012年5月，实行了新的汽油标号京V标准将硫含量指标限值由50mg/kg降低为10mg/kg，将车用汽油的锰含量指标限值由0.006g/L降低为0.002g/L。同时根据汽油辛烷值的变化，京V标准汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92号、95号。研究法的数值比马达法要高出8-10单位用下面这个公式可以换算：

马达法辛烷值=研究法辛烷值×0.8+10

美国认为用辛烷值指数[ONI，即（RON＋MON）／2]来表征在各种道路行驶（工作情况）时的抗爆性能，并将汽油按ONI分为85、87、89、91、93、95、97共七个等级2.馏程

汽油馏出温度的范围称为馏程。馏程是用来评价汽油蒸发性的一项指标。为了评价汽油的挥发性，常以10％、50％和90％的馏出温度作为几个有代表意义的点。

（1）10％的馏出温度（≤70℃）汽油馏出10％的温度标志着它的起动性。馏出10％的温度低，说明发动机使用这种燃料时，容易冷车起动。但是此温度过低，就会使管路输送中的汽油，受到发动机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，从而使发动机断火，影响正常运转。（2）50％的馏出温度（≤120℃）汽油馏出50％的温度标志着它的平均蒸发性。此温度高低直接影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性。此温度较低，说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间，而且从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气。（3）90％的馏出温度（≤190℃）汽油馏出90％的温度标志着它的含有难于挥发的重质成分的数量。此温度低，燃料中所含的重质成分少，进入气缸中能够完全挥发，有利于燃烧过程的进行。此温度过高，燃料中含有较多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭；或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部位的润滑。二、柴油的性能柴油分为轻柴油和重柴油。高速柴油机中使用轻柴油，中、低速柴油机中使用重柴油。车用柴油机中主要使用轻柴油。

凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度。轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、－10号、－20号、－35号、—50号六级，其凝点分别不高于10℃、0℃、－10℃、－20℃、－35℃、－50℃。选用柴油时，应按最低环境温度高出凝点5℃以上，即－20号柴油适用于最低环境温度为－15℃的场合。对于车用轻柴油，影响柴油机性能的关键性指标主要有以下一些：1．十六烷值

十六烷值就是评定柴油自燃性好坏的一项指标。它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。对于自燃性好的燃料，着火延迟期短，在着火延迟期内，气缸中形成的混合气少，着火后压力升高速度低，工作柔和，冷起动性能亦随之改善。测定柴油的十六烷值，采用由十六烷和α甲基萘混合制成的混合液。十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.......HCCHHHHCetanenumberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3CetanenumberCN=0a－甲基萘aMethylnaphtaleneC11H10十六烷α-甲基苯容易自燃最不容易自燃十六烷值为100十六烷值为0待测柴油所配置混合液自燃性十六烷的体积百分比十六烷值┼测量燃料十六烷值的CFR发动机当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。国产柴油的十六烷值规定在40-50之间2024/10/13发动机原理192、馏程表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示，与燃烧完善程度及起动性能有密切关系燃料馏出50%的温度（≤300℃）此温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。90%和95%馏出温度（≤355℃，≤365℃）标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。

车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。

3、粘度是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。影响燃料喷射雾化的质量。

当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大．使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气带烟。粘度雾化油滴平均直径燃烧不及时或不完全燃油消耗率增加，排气带烟喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在20℃时为（2.5～8）×10-6m2/s。2024/10/13发动机原理21

三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响

混合气形成上的差异着火上的差异燃烧上的差异汽油机汽油挥发性强，能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，控制混合气的数量便能调节汽油机的功率，是量调节

汽油自燃温度较高，适宜外源点火

防止自燃，促使其有规律的燃烧，混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开

柴油机柴油蒸发性差，但粘性好，适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，吸入的空气量基本不变，是质调节

柴油化学安定性差，易自燃，采用压燃的方式

柴油喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，燃烧时间延长

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归纳（汽油、柴油性能差异对发动机的影响）

混合气形成上的差异

着火上的差异

燃烧上的差异汽油机1、外部形成2、均匀混合气3、过量空气系数比较小4、量调节（负荷）1、外源点火2、单火源发火1、以火焰传播方式为主2、接近等容燃烧柴油机1、内部形成2、非均匀混合气3、过量空气系数比较大4、质调节（负荷）1、自行着火2、多火源着火1、以扩散燃烧方式为主2、接近先等容后等压燃烧2024/10/13发动机原理23第三节

燃烧热化学

内燃机的燃烧过程是一个复杂的过程，为了给车用发动机经验设计及调试提供依据，需要进行燃烧热化学的分析。燃料的燃烧，本质上是燃料中的碳、氢元素与空气中的氧气进行氧化反应的放热过程。对于已知的燃料，各元素的含量易于测得，而空气中氧和氮的比例又是固定的，因此，按照完全燃烧的化学反应式，可以求出燃料燃烧的基本关系。一、燃料完全燃烧所需的理论空气量组成发动机燃料的主要元素是碳（C）、氢（H）、氧（O），其它元素含量很少，计算时可略去不计。设1kg燃料中各元素的质量组成为：gC+gH+gO=1式中：gC、gH、gO分别为1kg燃料的C、H、O的质量。空气中的主要元素是氧（O）和氮（N）。按体积计（即按物质的量计），O2约占21％，N2约占79％；按质量计，O2约占23％，N2约占77％。燃油中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式分别是：

按照化学反应的当量关系，可求出1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量标准状况下以体积表示的理论空气量为：可得：汽油的理论空气量为14.8（kg/kg），柴油的理论空气量为14.5(kg/kg)。二、过量空气系数φa发动机工作过程中，燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需空气量L0之比，称为过量空气系数Φa。φa是发动机工作过程的一个重要参数。过量空气系数φa值的大小与发动机类型、混合气形成的方法、燃料的种类、工况（负荷与转速）、功率调节的方法等因素有关。对于进气道喷射的汽油机，由于燃烧时用的是预先混合好的均匀混合气，过量空气系数只在狭小的范围内变化（φa＝0.8～1.2）。当负荷变化时，φa略有变化。对于柴油机，其负荷是靠质调节的（即混合气浓度调节），φa的变化范围很大。由于混合气形成不均匀，所以φa总是大于1的。一般车用高速柴油机，φa＝1.2～1.6；增压柴油机，φa＝1.8～2.2。

图3－3Φa随负荷的变化关系除了用φa表示混合气的浓度以外，也可用燃烧时空气量与燃料量的比例，即空燃比α来表示的：对于汽油，理论上完全燃烧时（φa＝1）的空燃比α=14.8。对于柴油机，当转速一定时，进入缸内的空气量基本保持不变，空燃比的大小取决于供油量的多少（质调节）。当φa

=1，即按理论空气量燃烧时，该空燃比称为理论空燃比。汽油和柴油的理论空燃比分别为14.8和14.5。混合气的空燃比大于理论空燃比时为稀混合气，小于理论空燃比时为浓混合气。三、φa>1时完全燃烧产物的数量考虑内燃机燃烧过程的复杂性，为保证燃油的充分燃烧，提高燃烧的热效率，一般情况，供给气缸的空气量总是大于理论空气量，因此，过量空气系数φa＞1。

1.燃烧前混合气的数量对于汽油机，燃烧前新鲜混合气由空气和燃料蒸气组成，若燃料相对分子质量为MrT,则1kg燃料形成的混合气量（kmol/kg燃料）是：对于柴油机是在压缩终点向气缸内喷人液体状态的燃料，体积不及空气体积的1/10000，可忽略不计，认为燃烧前的工质是空气M(kmol/kg燃料)2.燃烧后燃烧产物的数量在φa＞1的情况下，完全燃烧的产物是由CO2、H2O、剩余的O2及未参与反应的N2组成，即根据前面的化学反应方程式，很方便地求出M2（kmol/kg燃料）四、燃烧热值与混合气热值

1.燃烧热值燃料的热值指1kg燃料完全燃烧所放出的热量。汽油的燃料低热值为44000kJ/kg，轻柴油的燃料低热值为42500kJ/kg。（指未计入水的汽化潜热

）2.混合气热值当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值，而不是决定于燃料的热值。可燃混合气的热值以kJ/kmol或kJ/m3（标准）计。1kg燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生的热量是燃料的低热值hu。因此，单位数量可燃混合气的热值（kJ/kmol）是M1随过量空气系数φa而变化，当φa＝1时，燃料与空气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。汽油在标准状态下的理论混合气热值为3750kJ/m3，轻柴油在标准状态下的理论混合气热值也为3750kJ/m3

第四节燃烧的基本知识燃烧过程的完善程度很大程度上决定于发动机运转性能的优劣。汽油与柴油都属于多种碳氢化合物（烃）的混合物，由于它们的相对分子质量与分子结构不一样，在物理化学性质上有差异，因而，在发动机的混合气形成、着火与燃烧等方面引起许多质的不同。一、燃烧现象燃烧是一种放热的氧化反应，一个完整的燃烧过程包括着火和燃烧两部分。所谓着火，是指可燃混合气在一定的压力、温度、浓度的条件下，氧化反应自动地加速，并产生温升，以致引起火焰出现的现象。对于发动机的着火过程的解释，目前有两种理论：热着火理论和链式反应理论。所谓燃烧，是指可燃混合气中的燃料与空气中的氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。燃烧实际上是火焰传播、扩散的混合过程，这一过程中往往伴有复杂的传热、流动和化学反应现象。热着火理论热着火理论认为，燃料燃烧的原因在于热量的积累。因此，具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，就能自发地引起火焰的过程。这也就是我们在柴油机压缩燃烧过程中的自燃现象。热着火理论从简单化合物反应中两个活性分子相互碰撞的机理出发，导出反应放出热量的速度与温度成指数关系，而系统向环境散热的速度与温度是一个线性关系。在着火过程中，只有当放热速率dq1/dt≥散热速率dq2/dt的时候，有了热量积累，才可能着火。如图3－4所示，存在下列三种可能性：1）dq1/dt＞dq2/dt时，必然着火，如图中散热速率线①明显低于dq1/dt。2）dq1/dt与dq2/dt相切时，存在临界着火条件，TC称为临界温度，见图中散热速率线②。3）dq1/dt＜dq2/dt时，不可能着火，见图中散热速率线③。因此，着火的临界条件应当是，反应放热曲线与散热曲线相切。反之，如果达不到这一条件，便不能着火。影响燃料着火的因素有：1）着火温度着火温度不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形状及散热情况等有关。即使同一种燃料，因条件不同，着火温度也可能不同。

2）临界压力和温度如图3-5所示，临界压力和温度明显地影响到着火区域。在低压时，要求很高的着火温度，反之也是一样。

3）可燃混合物的浓度如图3-6所示，存在着一个有关可燃混合物着火的百分比浓度上限（富油极限）与下限（贫油极限）。随着温度、压力升高，着火的浓度界限有所加宽；但温度、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。另一方面，当温度、压力过低（低于临界值），则无论在什么浓度下均不能着火。2.链式反应理论热着火理论是建立在分子碰撞理论基础上的，并不能解释所有着火现象。试验表明烃燃料的着火区域在低温、低压区，表现出与高温完全不同的着火规律性。链式着火理论认为，高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心，然后通过链式反应，就能引起着火。由于汽车发动机的传统燃料，大部分都是由单烃组成的混合物，因此，首先，对烃的氧化反应来加以了解。烃的氧化反应，可以写成烃的氧化反应进行的非常快，根据链锁反应的机理，它可以分为链引发、链传播及链中断等三个阶段。所谓链引发，就是反应物分子受到某种因素激发（如受热裂解、受光辐射），分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由基（如H、O、OH等等）具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，使新的化学反应得以进行。所谓链传播，就是指已生成的自由原子或自由基继续与反应物作用，一方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基。

1）如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作用产生一个新的活性中心，整个反应以恒定速度进行，这样的反应称为直链反应。

2）如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，这种反应称为支链反应。不少烃的氧化反应是先通过直链反应，生成一个新的活性中心和某种过氧化物或高级醛的中间产物，然后再由过氧化物或高级醛引起新的支链反应。所谓链中断，就是指在链锁反应中，可能由于具有很大反应能力的自由原子或自由基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反应。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反应完全停止。2024/10/13发动机原理41例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O2→2H2O实际过程是：链引发：H2→2H链传播(链爆炸)：H+O2→OH+O

O+H2→OH+H2OH+H2→2H2O+2H链中断：H+H+M→H2+M（M是惰性气体分子）H+OH+M→H2O+MH+O+M→OH+M混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在相互促进。一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。大量的试验研究表明，烃类燃料的氧化反应过程中，存在着高温和低温条件下的不同的着火规律，如图3－7所示。（1）低温多阶段着火这种在低温下特殊的着火规律，实际上就是退化支链反应引起的一种现象，通常称为“着火半岛”。通过光谱分析发现，烃燃料低温下着火需经历三个阶段：冷焰诱导阶段（τ1）、冷焰（τ2）、蓝焰（τ3）（图3－8）。图3－8烃燃料的低温多阶段着火过程

（2）高温单阶段着火在较高温度下，着火过程不经过冷焰而直接进入蓝焰——热焰阶段。由于这两个阶段很短，也很难区分，所以统称为高温单阶段着火。柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点；而汽油机的火花点燃和柴油机着火后喷入气缸内的燃料着火具有高温单阶段着火的特性。

应该指出的是，内燃机的着火过程是非常复杂的，有的资料上提出“链式热力着火”的说法，即开始是链反应，当热量积累到一定程度后，按热着火过程进行。二、在预混气体中的火花点燃与火焰传播汽油机中的可燃混合气，在着火前经过化油器（或进气道汽油喷射雾化）、进气管、缸内气体运动等环节，燃料蒸气和空气的浓度已达到十分均匀的程度，成为以一定比例预先混合好的预混气体。它的点燃，是利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程。火焰传播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力状态以及气体的流动状况。1.火花点燃火花点燃过程是一极短的瞬间过程。在火花点火以后，靠火花提供的能量，不仅使局部混合气温度进一步升高，而且引起了火花附近的混合气电离，形成活性中心，出现了明显发热、发光的小区域，这就是火焰核。正因为火焰核的形成，是局部混合气吸收电火花能量后，经化学反应过程的累积所致，所以这部分混合气的组成和吸收火花能量情况的不同，以及气流扰动对火焰核的干扰，使火焰核形成所用的时间不同。造成在实际汽油机的同一气缸中，连续诸循环的情况不可能完全一致，因而产生了燃烧的循环变动。这种燃烧不稳定的情况，在汽油机低负荷及在稀薄混合气中尤为突出。2.火焰传播火花点燃过程中形成的火焰核，顺序点燃周围的混合气，火焰范围逐渐扩大，并伴随着热量的释放，称为燃烧现象的火焰传播。根据气体流动的状况，火焰传播方式可分为层流火焰传播与湍流火焰传播。1）层流火焰传播在预燃气体静止或流速很低的状态下，用电火花点燃混合气而局部着火后，火焰就会向四周传播开来，形成一个球状的火焰面，称为火焰前锋面。δp--预热区δc--化学反应区

火焰面温度与浓度的变化，在火焰面内出现了一定的温度梯度与浓度梯度，造成火焰在空间的移动。图3-10放大的火焰前锋面的构造层流火焰传播速度vL

很低，受到预混气体理化性质的影响，其中，φa影响很大。试验表明（图3-11），在过量空气系数φa＝0.8～0.9时，反应温度最高，vL最大；如果φa＝1，vL下降10﹪；φa＝1.1，vL下降15﹪；当混合气成分过稀或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。图3-11φa对vL的影响

2）湍流火焰传播层流火焰传播速度很低，远远不能满足实际发动机燃烧的要求。由于气流的湍流运动可以大大加速火焰传播速度，因此，实际汽油机中的火焰传播是以湍流火焰方式进行的，此时vT＝20～70m/s。

所谓湍流，是粘性气流由于壁面边界的阻碍作用，或者外部扰动，在传播过程中进行的无规则的脉动运动。湍流的变化在空间上与时间上呈现出无秩序性，主要体现在两个方面：一是微元气体变化的随机性，二是整体上表现出符合力学规律的确定性。

湍流运动的变化常用以下参数决定：（1）湍流尺度它可分为宏观湍流与微观湍流两种，湍流的力学性质主要由宏观湍流决定，湍流在粘性的影响下能量转化为热而消失则由微观湍流决定。（2）湍流强度它对湍流火焰传播速度影响很大，与湍流的能量有关，常用雷诺数（脉动速度的均方根）来表示。湍流运动能强化燃烧，加快火焰传播。原因如下：1）宏观湍流使层流火焰前锋变得弯曲，产生皱折，从而增大了燃烧的表面积。

2）微观湍流加强了火焰的传热与传质，在通过预热区与反应区的热量及活性分子增多的情况下，火焰传播速度加快。3）雷诺数Re的增大，使湍流强度提高。当Re＜2300时，火焰传播仍为层流火焰传播形式，火焰前锋面薄且圆滑，速度vL较低。当Re＝2300～6000时，变为湍流火焰，其前锋面变厚且出现皱折，vT较vL有明显增长。在Re＞6000后，转变为强湍流火焰，湍流强度得到很大提高，前锋火焰表面皱折破裂，已燃与未燃气体迅速混合，燃烧放热率提高。图3-12Re对火焰传播速度的影响

混合气的湍流程度的提高，能有效地改善汽油机的燃烧过程。三、喷射燃料的雾化与扩散燃烧柴油的燃烧要经历高压喷射、雾化、混合、压缩着火以及扩散燃烧几个阶段，喷雾状态的好坏对燃烧过程有重要的影响。1.喷射燃料的雾化由于柴油的蒸发性能比汽油差，因此，只能采用喷射与雾化的方法，将燃料在与空气混合前先粉碎成许多细小油滴（这些雾状油滴的集合体通常称为喷雾），以扩大燃料蒸发的表面积。燃油雾化质量主要受到油束射程（也称贯穿距离），喷雾锥角和液滴平均直径等的影响。油束要有足够的贯穿力，穿透火焰到达周围的空气区。贯穿率是常用参数之一。贯穿率是指油束的贯穿距离与喷孔至燃烧室壁面的距离的比值。对直喷式柴油机，贯穿率一般小于1，以避免燃油喷到壁面上；在强涡流时，贯穿率大于等于1，以确保喷射的油束能到达壁面附近。近年来出现的撞击喷雾，贯穿率要大于1。喷雾锥角过大，油束射程会减小；而过小，雾化程度又会变差。液滴平均直径越小，油粒与周围空气混合程度越好，可以加速燃料的吸热和气化，为燃烧过程的组织提供良好的前提条件。2.油滴的蒸发与燃烧1）单个油滴的蒸发与燃烧燃烧室内的一颗静止的油滴，在高温高压介质作用下，经历如图3—13所示的蒸发与燃烧过程。单个油滴受到周围高温高压空气的加热，油滴表面被蒸发气化，与空气混合形成可燃混合气。单个油滴的蒸发与燃烧模型r0-油滴半径rf-火焰半径T0-油滴表面温度Tf-火焰温度

T-空气温度Co-氧含量CFI-油蒸汽含量τ-到油滴中心的距离着火首先在混合气浓度适宜的位置发生，并在油滴周围形成一层球状的燃烧区，即火焰锋面。此后，燃油蒸气不断自油滴表面向外扩散，火焰面外的氧气不断从四周向火焰面扩散，在火焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度Cf1和氧气浓度Co均变为零，而温度达到最高。高温燃烧产物和热量向火焰面两侧扩散，油滴受到火焰面传来的热量，加速进行蒸发汽化。因此，油滴的扩散燃烧速度，完全取决于燃油蒸气和空气向火焰面的扩散速度。

由于油滴和油蒸发区将火焰面形成的高温气体包围起来，形成了高温缺氧区域，易生成炭烟。2）油束及油滴群的蒸发与燃烧实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸发与燃烧过程复杂得多。喷雾中的大小不等的油滴间相互存在着干扰，燃料的扩散燃烧就成了油滴群的复杂燃烧现象。实验研究表明，当油滴粒径在10μm以下时，油滴在着火前均已完全蒸发，着火后可以观察到的火焰面呈蓝色的连续抛物面形状，这同前述的预混合气的火焰传播具有相同的燃烧方式。当油滴粒径为20~40μm时，在连续的蓝色火焰中可以看到白色与黄色的亮点，这表明每个油滴处独立的扩散燃烧和各油滴间的预混合燃烧同时存在。当油滴粒径在40μm以上时，火焰面已不连续了，各油滴独立燃烧，以单油滴扩散燃烧为主。实际的喷雾燃烧，是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。油滴群的着火与在整个燃烧室内油气的宏观空燃比例无关，因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的空燃比区域，就能在一点或多点同时着火。它的稳定燃烧范围比预混合气要广泛得多。四、均质充量压缩着火燃烧在往复式发动机中，除了传统的火花点燃式（SI）燃烧和压燃式（CI）燃烧外，还有第3种燃烧方式，即均质充量压缩着火(HomogeneousChargeCompressionIgnition,HCCI)燃烧。在传统的SI和CI燃烧方式里，都存在着温度分布和燃烧过程不均匀的特点，同时实现高效率和低排放都是困难的。HCCI燃烧方式能降低氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放，同时能实现较高的热效率。均质充量压缩着火(HCCI)燃烧是一种全新的内燃机燃烧概念，其基本特性是均质混合气的压缩着火和低温燃烧。HCCI方式综合了传统汽油机（均质充量火花点燃）和柴油机（非均质充量压缩着火）燃烧方式的优点：类似于传统汽油机，使用均质混合气，因而避免了柴油机中浓的扩散火焰，极大地降低了颗粒物排放；类似于柴油机，使用压燃着火，缸内均质混合气自燃，避免了汽油机中点火后产生的高温火焰，降低了氮氧化物的排放。1.HCCI发动机的主要特点

（1）超低的NOx和PM排放。

HCCI发动机在部分负荷工况下的NOx排放相对于传统柴油（汽油）机可降低95%～98%。由于炭粒形成被抑制，PM排放非常低。（2）热效率高。HCCI采用稀薄混合气燃烧，在中、低负荷运行时几乎实现了等容燃烧，接近理想Otto循环，具有很高的放热效率，此外，HCCI发动机燃烧室内没有局部高温区，热辐射损失减少，因此，HCCI部分负荷运行具有比直喷柴油机更高的热效率。（3）HCCI燃烧过程主要受燃烧化学反应动力学控制。其着火与燃料特性和缸内热氛围条件密切相关。（4）HCCI发动机运行范围较窄。其燃烧受到失火（混合气过稀）和爆燃（混合气过浓）的限制，使发动机运行范围变窄。对于高十六烷值燃料，在高负荷工况下（混合气浓度大）易发生爆燃。对于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下容易失火。（5）HCCI发动机HC、CO排放偏高。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的EGR，缸内燃烧温度较低；此外，在混合气形成过程中，一部分燃料会进入燃烧室缝隙中，最终导致HC和CO排放增加。可以通过催化转化器进行后处理加以解决。2.HCCI的燃烧特点HCCI发动机的燃烧过程是一种受化学动力学控制的自燃过程，其特点是：

（1）采用均质混合气。空气和燃油在进气/或压缩过程进行预混合，在着火之前形成均质的空气/燃油混合气。

（2）采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃，不需要任何点火系统。

（3）具有独特的两阶段放热特点。第一阶段放热是低温化学动力学反应，此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热与主放热阶段之间有一个很短的时间延迟。第二阶段燃烧是多点同时进行的，一旦开始着火，燃烧迅速且比较均匀，既没有局部高温区，也没有明显的火焰传播，因而NOx和炭粒的形成能够被有效抑制。两阶段放热现象的出现与燃料的辛烷值或十六烷值有关，使用低辛烷值或高十六烷值燃料很容易观察到两阶段放热过程。

（4）火焰传播不明显。点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程，具有明显的火焰传播过程，其中点燃式汽油机主要是利用热扩散来实现火焰传播，压燃式柴油机的主要燃烧是依靠燃油蒸气和氧气的扩散产生热化学反应。HCCI燃烧是多点同时着火，没有明显的火焰传播过程。（5）燃烧始点和燃烧速率难以控制。HCCI发动机的燃烧始点是由均质混合气的自燃着火特性控制，其混合气的自燃受混合气化学特性和燃烧室内时间-温度历程的影响，燃烧始点难以控制。又由于HCCI燃烧是缸内均质混合气多点同时着火，燃烧速率难以控制。

（6）燃烧循环变动小。由于HCCI燃烧着火始点与气缸内气流状况关系较少，且燃烧速率较快，每个循环燃烧的持续时间差距不大，有利于减少燃烧循环变动。3.HCCI燃烧始点和燃烧速率的控制HCCI的燃烧始点对于发动机的热效率和排放都有十分重要的影响。燃烧始点控制，也就是放热始点（SOHR）受各种发动机性能和工况条件，诸如空气/燃油比、进气温度、压缩比、残余废气量和冷却液温度的影响。如果采用EGR，还受EGR的影响。控制燃烧始点常用的方法有：可变压缩比、可变气门定时、双重燃油操作等。改变气门定时，特别是改变排气门定时，可以改变残余废气量和气缸温度，进而调节燃烧始点。所谓双重燃油操作，就是通过改变所用的两种燃油的比例来调节燃烧始点：例如调节辛烷值。又如采用天然气作为主要燃料，同时利用氢加浓天然气以控制燃烧定时。空气/燃油比和EGR量对燃烧速率有着非常重要的影响。活塞顶部燃烧室的几何形状对燃烧速率和指示效率也有明显的影响。4.HCCI技术尚待解决的问题HCCI方式是使用稀薄的均质混合气来达到减少NOx和PM的目的，在内燃机上的应用有着诱人的前景。要在发动机上应用均质压燃由两个关键：

一是向混合气提供足够的热量，使之能在压缩上止点附近达到自燃温度；

二是对混合气温度进行控制，使之能在最佳曲轴相位达到自燃温度开始燃烧。过早将使燃烧粗暴，热效率下降，过晚会使发动机失火。目前要实现HCCI燃烧在发动机上的应用，需要解决以下一些问题。（1）随发动机转速和负荷改变控制着火正时（IgnitionTiming）。（2）高负荷运行时燃烧速率的控制（使放热率减缓，以限制噪声或过高的燃烧压力）。（3）改善冷启动和发动机变工况运行的响应特性。（4）排放（特别是低负荷HC和CO的排放）控制系统的发展。（5）发动机控制策略和系统（闭环反馈系统）的发展以及相应传感器的研制。（6）HCCI燃烧运行范围扩展。（7）适合燃料（包括混合燃料）的开发。（8）多缸机各缸均匀性的保证。五、几种燃烧方式的比较火花点燃式燃烧压缩点燃式燃烧预混合的压缩点燃燃烧进气道喷射缸内直喷GDI使用的燃油汽油汽油柴油汽油、天然气、二甲醚等或多种燃料混合物燃油引燃方法火花点燃火花点燃压缩点燃（缸内高压喷射）压缩点燃（进气口低压喷射）燃烧方式预混合燃烧分层燃烧+预混合燃烧喷雾扩散燃烧预混合燃烧混合气空气/燃油比精确控制，有稀燃极限中小负荷稀燃,空燃比变化较大与宏观空燃比例无关需要高稀释度的空气/燃油混合气转矩调节方式量调节量调节变质调节变质调节泵气损失大大小小压缩比较小（防爆震）较小大适中（适当提高压缩比）燃油经济性较低好好很好有害物质排放带三效催化转化器后，污染低NOx排放高,采用氧化催化+NOx吸附催化还原CO2、HC、CO的排放低、但Nox、炭烟等微粒物高废气中NOx排放少，低排气温度对催化转化器来说是一个问题燃烧噪声低低高较高热效率较低高高很高本章完

发动机原理C

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目录第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成与燃烧第五章柴油机混合气的形成与燃烧第六章汽车发动机特性第七章车用发动机废气涡轮增压第八章发动机排气污染与噪声控制第九章新型汽车动力装置第十章发动机动力学第四章汽油机混合气的形成和燃烧

发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃烧过程是直接影响到发动机经济性、动力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很大影响。

汽油机混合气的形成方式主要有化油器式和汽油喷射式两大类型。近年来，由于电子技术的发展，其成本已大为降低，加上汽油喷射的燃烧系统便于电子控制，性能优越，在汽油机混合气的形成方式上汽油喷射已经取代化油器。第一节汽油机的燃烧过程一、正常燃烧过程汽油机正常燃烧过程是由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。1．正常燃烧过程进行情况一般通过测取发动机的示功图来研究其燃烧过程，汽油机典型的示功图如图4—l所示。为分析方便，按其压力变化特点，将燃烧过程分成着火落后期、明显燃烧期和补燃期三个阶段。图4-1汽油机的燃烧过程I—着火落后期II—明显燃烧期III—后燃期1开始点火2—形成火焰中心3—最高压力点为了保证汽油机工作柔和、动力性能良好，一般应使点2在上止点前12o～15o；最高燃烧压力点3在上止点后12o～15o到达；(dp／dφ)max=0.175～0.25MPa／(°)；整个燃烧持续期在40°～60°曲轴转角。(1)着火落后期(图中1～2段)它是指从火花塞点火到火焰核心形成的阶段，即从火花塞点火(点1)至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时(点2)的时间或曲轴转角，这段时间约占整个燃烧时间的15％左右。着火落后期的长短与混合气成分(φa=0.8～0.9时最短)、开始点火时缸内气体温度和压力、缸内气体流动、火花能量及残余废气量等因素有关。它在每一循环都可能有变动，有时最大值可达最小值的数倍。显然，为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。(2)明显燃烧期(图中2～3段)是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段。在示功图上指气缸压力线脱离纯压缩线（图中虚线）开始急剧上升(图中2点)，到压力达到最高点(图中3点)为止。明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。因为绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，在这一阶段内，压力升高很快，压力升高率为0.2～0.4MPa／(°)。一般用压力升高率代表发动机工作粗暴度和等容度。

压力升高率越高，则燃烧的等容度越高，这对动力性和经济性是有利的，但同时会使燃烧噪声和振动增加。火焰传播速率与压力升高率密切相关，火焰传播速率高的可燃混合气会促使压力升高率增加，另外，火花塞位置、燃烧室型式对压力升高率也有影响。

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。如点3到达时间过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。相反，如点3到达时间过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面积增加，也是不利的。点3的位置可以通过调整点火提前角θ来调整。

(3)后燃期(图中点3以后)后燃期相当于明显燃烧期终点3至燃料基本上完全燃烧为止，p-φ图上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附着在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。此外，汽油机燃烧产物中CO和H20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而放出热量，一般也看作后燃。为了保证高的循环热效率和循环功，应使后燃期尽可能短。2．燃烧速率燃烧时，由于各处混合气的浓度、温度和压力是一致的，因而火焰在各方向的扩展速度基本相等。燃烧主要在厚度为δ的火焰面上进行，称为火焰前锋面。火焰前锋面的界面明显，以火核为中心呈球面波形式向周围扩展，习惯上称这种燃烧现象为火焰传播。根据混合气运动状态不同，火焰传播方式可分为层流火焰传播和湍流火焰传播。层流火焰传播和湍流火焰传播燃烧速率大小差别很大。（1）层流火焰燃烧速率层流火焰[混合气静止或层流状态(雷诺数Re<2300)]层流火焰传播速度很低，一般vL<1m／s。主要受混合气温度、压力、φa以及燃料特性等因素影响，实际发动机中还应考虑残余废气系数的影响。（2）湍流火焰燃烧速率所谓湍流，是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的脉动运动。这些由气体质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。湍流运动使火焰前锋表面出现皱折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度δ增加

雷诺数Re<2300为层流火焰，其传播速度与雷诺数的开方成正比,其前锋面薄且圆滑(图4—2)。当Re=2300～6000时为湍流火焰，火焰前锋厚度变厚并出现皱折。图4-2层流火焰与火焰前锋面形状的关系图4-3在不同湍流作用下的火焰前锋厚度δa）湍流较弱b）湍流较强提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。二、不规则燃烧

汽油机不规则燃烧是指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。前者称为循环变动，后者称为各缸工作不均匀。

1、循环变动燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征，是指发动机以某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程进行情况的不断变化，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。图4—5示出不同循环的气缸压力变化情况。由于存在循环变动，对于每一循环，点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳值，导致油耗↑，功率↓，甚至造成失火→HC↑，动力性、经济性↓震动，噪声增大，零部件寿命下降。

当采用稀薄燃烧时，这种循环变动会加剧。所以循环变动也是汽油机实施稀薄燃烧的难点所在。pz为峰值压力导致点燃式发动机燃烧循环变动的原因很多，目前，火花塞附近混合气成分波动和气体运动状态波动这两个因素被认为是最重要的。（1）混合气成分波动火花塞附近的混合气成分是随时间不断变化的，这会导致着火落后期的长短和火核初始生长过程随循环产生变动。（2）气体运动状态波动燃烧室内气体的流场特别是湍流强度分布是极不均匀的，火花塞附近微元气体的运动速度和方向，影响火花点火后形成的火焰中心的轨迹以及火焰的初始生长速率，随后的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，也受燃烧室内微元气体的运动速度和方向的影响。气体运动状态的波动加剧了循环变动。下列因素或措施影响循环变动：①一般φa=0.8～1.0时循环变动最小，过浓或过稀都会使循环变动加剧。可见过量空气系数φa对循环变动的影响很大。②适当的提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，进而改善循环变动。③残余废气系数φr过大,则循环变动加剧。④发动机在低负荷(φr会增大)、低转速(湍流程度会降低)时，循环变动加剧。⑤多点点火有利于减少循环变动。⑥提高点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环波动。2、各缸工作不均匀

各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。产生各缸工作不均匀的主要原因是各缸进气充量的不均匀、混合气成分的不均匀等。汽油机进气管内存在空气、燃料蒸汽、各种浓度的混合气、大小不一的油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不均的油膜，这样进气管内的油气分布是多相和极不均匀的；另外，由于进气系统设计不当、进气管动态效应以及各缸进气重叠干涉等原因，使得各缸的实际充量系数不均匀，而进入汽油机是油气混合气，因而进入各缸的燃料绝对量不同。这些原因造成进人各缸的混合气的质和量都不同，由此造成各缸工作不均匀。

各缸工作不均匀性的存在，使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，动力性、经济性、排放性等整机指标难以优化，振动及噪声也会增加。三、不正常燃烧汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油机偏离正常点火的时间及地点，由此引起燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。不正常燃烧可分爆燃和表面点火两类。

1.爆燃（爆震）爆燃是汽油机最主要的一种不正常燃烧现象，常在压缩比较高时出现。爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波)，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸。轻微爆燃时，发动机功率上升；严重爆燃时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机体有较大振动，同时冷却液过热，润滑油温度明显上升。图4-6正常燃烧与暴燃时p-t图和dp/dt图的比较a）正常燃烧b）爆燃点火后,火焰前锋面呈球面波形传播（30～70m/s）

火焰锋面到达之前，末端混合气即以低温多阶段方式开始自燃，则引发爆燃爆燃发生时，火焰传播速度可陡然高达100～300m／s(轻微爆燃)或800～1000m／s(强烈爆燃)

图4-7汽油机爆燃的机理爆燃带来的危害：

1）发动机零部件机械负荷增加；

2）活塞、气缸和活塞环磨损加剧；

3）热负荷及散热损失增加；

4）发动机动力性和经济性恶化。影响爆燃的因素如下：1)燃料性质。辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。2)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。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生。3)火焰前锋传播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，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。

（燃料性质；发动机运转条件及燃烧室设计）2.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。表面点火的点火时刻是不可控制的。早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气的现象。由于它提前点火而且热点表面比电火花大，使燃烧速率变快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。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，两者互相促进，危害可能更大。与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰燃烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。四、使用因素对燃烧的影响

1．点火提前角

点火提前角是从火花塞跳火到上止点之间的曲轴转角。

点火提前角应该随燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等因素的变化而变化。当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机有效功率和有效燃油消耗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。节气门全开n=1600r/min进气管真空度=大气压强-进气管压强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，油耗最低。最佳点火提前角使最高燃烧压力出现在上止点后12～15°，这时实际示功图与理论示功图最为接近(时间损失最小)。点火过迟，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，排温升高，热效率降低，爆燃倾向减小，有效功率下降，NOx、HC的排放量降低。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°曲轴转角，热效率下降1％；偏离10°曲轴转角，热效率下降5％；偏离20°曲轴转角，热效率下降16％。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、排气再循环率等)，传统的真空式和离心式点火提前角调整装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似调整。

为实现点火提前角的精确控制，汽油机上越来越多地应用了一种电子控制点火时刻的装置，它大体上分成两类。一类是开环控制，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，在存储器中预定的点火MAP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。点火MAP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，并根据其它传感器的信号变化，对点火提前角进行修正。

另一类是闭环控制，闭环控制是根据发动机实际运行的反馈信息来控制点火提前角的，所以又称为反馈控制。反馈控制所用的反馈信息是发动机的爆燃信号。在实际应用中，一般都是开环控制和闭环控制并用的混合控制方式。

2．混合气浓度在汽油机的转速、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。混合气浓度对汽油机动力性能、经济性能是有影响的，当φa=0.8～0.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，Pe达最大值，但爆燃倾向增大。当φa=1.03～1.1时，由于燃烧完全，be最低。使用φa＜1的浓混合气工作，由于必然会产生不完全燃烧，所以CO排放量明显上升。当φa＜0.8及φa＞1.2时，火焰速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HC排放量增多且工作不稳定。可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。3．负荷在汽油机上，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，以达到不同的负荷要求。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，使残余废气系者加，着火延迟期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率均下降，冷却液散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角需要增大。负荷率（%）图4-13最佳点火提前角随负荷的变化4．转速当转速增加时，气缸中湍流增加，火焰传播速率大体与转速成正比例增加，因而最高爆发压力、压力升高率随转速的变化不大；在转速升高时，由于散热损失减少，进气被加热，使气缸内混合得更均匀，有利于缩短滞燃期。但另一方面，由于残余废气系数增加，气流吹走电火花的倾向增大，又促使滞燃期增加。以上两种因素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。爆燃倾向减小转速增加时，应增大点火提前角。第二节汽油机电控汽油喷射系统概述为使发动机能够正常运转，必须为其提供连续的可燃混合气。通过直接或间接测量进入发动机的空气量，并按规定的空燃比计量燃油的供给量，这一过程称为燃油配制。汽油机的燃油配制型式，根据汽油的供给方式可分为化油器式和燃油喷射式两种。这两种装置均是依据节气门开度和发动机转速计量进气量，然后根据进气量供给适当空燃比的混合气进入气缸。化油器式：结构简单、使用方便，成本低，但是存在充气及混合气质量分配不均，对提高发动机的动力性、经济性、排放性不利，难以满足日趋严格的汽车排放法规的要求。

电子燃油喷射(EFI，electronicfuelinjection)系统：进气流动阻力小，充气性好，输出功率大，混合气的分配均匀性好；可以随着发动机使用情况及使用场合的变化配制最佳的混合气成分，具有较好的经济性、动力性；具有较好的加速等过渡性能，但该系统布置复杂，制造成本高。已经取代传统的化油器供给系统。一、汽油发动机对可燃混合气体的要求

1．空燃比对发动机性能的影响空气和燃油的混合比，即空气质量与燃油质量比称为空燃比，通常用α表示。汽油完全燃烧并生成CO2、H2O时的空燃比称为理论空燃比，理论空燃比约为14.7。实际所供空气量可能大于或小于理论空气量。

在空燃比为13.5～14.0时，燃烧火焰温度出现最高值，这种空燃比称为功率空燃比。当混合气的空燃比为16左右时，燃油燃烧完全，发动机的油耗率最低，这种空燃比称为经济空燃比。在功率空燃比与经济空燃比范围内的混合气是汽油发动机常用的混合气，它可使发动机获得较好的使用性能。图4-16空燃比与发动机的动力性能和经济性能的关系燃烧后排出的排气成分除C02和H20外，还有空气中没有参与燃烧的NOx剩余的O2、未燃烧和未完全燃烧的HC、燃烧不完全的C0及高温富氧条件下燃烧生成的N0x。由此可见，发动机的性能与空燃比有着密切的关系，但影响的程度和变化规律各不相同。所以，如何精确控制混合气的空燃比是比较复杂而又非常重要的问题。2．发动机各种工况对混合气的要求发动机在实际运行过程中，其工况在工作范围内是不断变化的，且在工况变化时，发动机对可燃混合气空燃比的要求也是不同的，现分述如下。（1）稳定工况对混合气的要求发动机的稳定工况是指发动机已经完全预热，进入正常运转，且在一定时间内转速和负荷没有突然变化的情况。稳定工况又可分为怠速、小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷等几种。①怠速和小负荷工况

怠速工况是指发动机对外无功率输出且以最低稳定转速运转。此时，混合气燃烧后所做的功，只用于克服发动机内部的阻力，并使发动机保持最低转速稳定运转。在怠速工况下，节气门处于关闭状态。

对于化油器配制混合气方式，进气管内的真空度很大，在进气门开启时，气缸内的压力可能高于进气管压力，废气膨胀进入进气管内。在进气冲程中，把这些废气和新混合气同时吸入气缸，结果气缸内的混合气含有比例较大的废气，为保证这种经废气稀释过的混合气能正常燃烧，就需要供给较浓的混合气。随着节气门开度增大，稀释将逐渐减弱，所以小负荷工况下要求混合气加浓的程度随负荷的增加而减小。对于电控燃油喷射混合气配制方式，如果采用开环控制，配制的混合气与化油器式相似。如果采用闭环控制方式，在怠速和小负荷工况时，混合气一般控制在理论空然比。②中等负荷工况汽车发动机的大部分工作时间都处在中等负荷状态。在中等负荷运行时，节气门已有足够的开度，废气稀释影响已不复存在。如果为了获得最佳经济性，则采用开环控制方式，空燃比控制在17左右；为了获得最佳排放，并获得较好的经济性，空燃比控制在理论空燃比附近。③大负荷和全负荷工况在大负荷时，节气门开度已超过3／4，此时应随着节气门开度的增大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求。但实际上，在节气门尚未全开之前，如果需要获得更大的转矩，只要把节气门进一步开大就能实现，没有必要使用功率空燃比来提高功率，而应当继续使用经济混合气来达到省油的目的或者使用理论混合气来达到降低排放的目的。因此，在节气门全开之前所有的部分负荷工况都应按经济混合气或理论混合气配制。只是在全负荷工况时，节气门已经全开，此时为了获得该工况下的最大功率必须供给功率混合气。在从大负荷过渡到全负荷工况的过程中，混合气的加浓也应该是逐渐变化的。(2)过渡工况对混合气的要求汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷起动、暖机、加速和减速等几种，分述如下。冷车起动时，由于发动机的转速和燃烧室壁面温度低、空气流速慢，导致汽油蒸发和雾化条件不好，因此要求发动机供给较浓的混合气。暖机过程中，尽管发动机温度随着转速的提升也在逐步上升，但发动机温度仍然较低，气缸内的废气相对较多，混合气受到稀释，对燃烧不利，为保持发动机稳定的运行也要求浓的混合气。暖车的加浓程度，应在暖车过程中逐渐减小，一直到发动机能以正常的混合气在稳定工况下运转为止。汽车在加速时，节气门突然开大，进气管压力随之增加。由于液体燃料流动的惯性和进气管压力增大后燃料蒸发量减少，部分汽油颗粒沉积在进气管壁上，形成厚油膜，这样会造成实际混合气成分瞬间被稀释，使发动机转速下降。为防止这种现象发生，要喷入进气管附加燃料，才能获得良好的加速性能。汽车急减速时，驾驶员迅速松开加速踏板，节气门突然关闭，此时由于惯性作用，发动机仍保持很高的转速。因为进气管真空度急剧升高，进气管内压力降低，促使附着在进气管壁上燃油加速气化，造成混合气过浓。为避免这一情况发生，在发动机减速时，供给的燃料应减少甚至切断供油。二、电控汽油喷射供给系统的类型1．按喷射位置分类根据汽油的喷射位置，汽油喷射系统可分为缸内喷射和进气管喷射两大类，进气管喷射又进一步分为单点喷射和多点喷射。(1)缸内喷射缸内喷射是将喷油器安装于缸盖上直接向气缸内喷油，因此需要较高的喷油压力(3.0～4.0MPa)。(2)进气管喷射进气管喷射又分为单点喷射和多点喷射。单点喷射系统是把喷油器安装在化油器所在的节气门段，它是用一个喷油器将燃油喷人进气流，形成混合气进入进气歧管，再分配到各缸中。多点喷射系统是在每缸进气口处装有一只喷油器，由电控单元(ECU)控制进行顺序喷射或分组喷射，汽油直接喷射到各缸的进气门前方，再与空气一起进入气缸形成混合气。多点喷射系统是目前最普遍的喷射系统。2．按喷射控制装置分类按喷射控制装置的形式，汽油喷射系统分为机械式(机电式)和电控式两种。机械式燃油的计量是通过机械传动与液压传动实现的，电控式燃料的计量是由电控单元(ECU)与电磁喷油器实现的。3．按喷射方式分类按喷射方式，汽油喷射系统可分为连续喷射和间歇喷射两种。连续喷射是指在发动机整个工作过程中连续喷射燃油。连续喷射是燃油喷到进气道内，而且大部分的燃油是在进气门关闭时喷射的，因此大部分的燃油是在进气道内蒸发的。由于连续喷射系统无需考虑发动机的工作顺序，故控制系统结构较为简单，一般多应用于机械式或机电结合式燃油喷射系统中。间歇喷射又称为脉冲喷射。间歇喷射是每缸每次喷射都有一个限定的持续时间。由于间歇喷射方式的控制精度较高，故被现代发动机广泛采用。间歇喷射又分为同步喷射和异步喷射。同步喷射按喷油时序又可细分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种形式。同时喷射：发动机每转一圈，所有气缸喷油器同时喷射一次，每一循环喷射两次；分组喷射：将喷油器分成两组，发动机每一循环中，每组轮流喷射一次；顺序喷射：各缸喷油器分别按发动机的工作顺序每个循环各喷射一次，具有喷射正时。异步喷射喷油器的开启时刻与曲轴转角、发动机的转速及做功顺序无关。没有确定的规律性，是在同步喷油的基础上，为改善发动机性能，临时的补偿性喷油，主要有起动异步喷射和加速异步喷射。

同一台发动机并不是始终采用同一种喷射方式，有些发动机在稳定工况下采用同步喷射，而在启动和加速等过渡工况采用异步喷射；而有些采用同步喷射系统的发动机，冷启动喷油器在冷启动时则是采用连续喷射。

4．按空气流量测量方法分类按空气流量的测量方法，汽油喷射系统可分为三种，第一种是直接测量空气质量流量的方式，称为质量流量控制的汽油喷射系统；第二种是根据进气管压力和发动机转速，推算吸入的空气量，并计算燃油流量的速度密度方式，称为速度密度控制的汽油喷射系统；第三种是根据节气门开度和发动机转速，推算吸入的空气量并计算燃油流量的节流速度方式，称为节流速度控制的汽油喷射系统。三、化油器供油系统与汽油喷射供油系统的比较概括起来，与化油器相比，汽油喷射具有下列优点：1、可以实现对混合气空燃比进行精确控制，最终实现排放污染物降低。2、由于进气系统不需要喉管，减少了进气阻力，加上不需要对进气管加热来促进燃油的蒸发，所以充气效率高，动力性提高。3、由于进气温度低，使得爆燃燃烧得到了有效控制，从而有可能采取较高的压缩比，这样提高了发动机的热效率，改善了经济性。4、保证各缸混合比的均匀性问题比较容易解决，相对发动机可以使用辛烷值低的燃料。5、发动机冷起动性能和加速性能良好，过渡圆滑，减速断油控制方便。四、几种电子控制燃油喷射系统的结构原理1、D型电控汽油喷射系统D型电控汽油喷射系统是根据进气管压力和发动机转速推算