1、2汽車發動機原理 第三章 汽油機混合氣形成和燃燒 3-1 3-1 汽油機燃燒過程汽油機燃燒過程 一、汽油機正常燃燒一、汽油機正常燃燒 二、汽油機不正常燃燒二、汽油機不正常燃燒 3-2 3-2 汽油機燃燒室汽油機燃燒室 一、燃燒室設計的基本原則一、燃燒室設計的基本原則 二、典型燃燒室二、典型燃燒室3第三章第三章 汽油機混合氣的形成和燃燒汽油機混合氣的形成和燃燒 3-13-1汽油機燃燒過程汽油機燃燒過程 由于燃料性質、混合氣形成方式和著火方式的不同，汽由于燃料性質、混合氣形成方式和著火方式的不同，汽油機的燃燒過程與柴油機的燃燒過程有較大的區別：油機的燃燒過程與柴油機的燃燒過程有較大的區別： 汽油機

2、燃燒過程屬于預混合燃燒，具有定容燃燒的性汽油機燃燒過程屬于預混合燃燒，具有定容燃燒的性質。燃燒持續時間較短（約質。燃燒持續時間較短（約25254040CACA，柴：，柴：50507070CACA）。）。 由于爆燃的限制，壓縮比不能過高。導致燃燒過程熱由于爆燃的限制，壓縮比不能過高。導致燃燒過程熱效率低，排氣溫度高。（膨脹不充分）效率低，排氣溫度高。（膨脹不充分） 由于接近定容燃燒，因此，燃燒最高溫度較高；同時，由于接近定容燃燒，因此，燃燒最高溫度較高；同時，由于過量空氣系數較小，不完全燃燒現象容易出現，排氣污由于過量空氣系數較小，不完全燃燒現象容易出現，排氣污染比染比柴油機嚴重。柴油機嚴重。4

3、 圖圖3-13-1汽油機的燃燒過程汽油機的燃燒過程 滯燃期滯燃期 急燃期急燃期 補燃期補燃期 1 1開始點火開始點火 2 2形成火焰中心形成火焰中心 3 3最高壓力點最高壓力點 一、一、 汽油機正常燃燒汽油機正常燃燒 當汽油機壓縮行程接近終了時，火花塞跳火點燃可燃混當汽油機壓縮行程接近終了時，火花塞跳火點燃可燃混合氣，形成火焰中心，火焰按一定速度連續傳播到整個燃燒合氣，形成火焰中心，火焰按一定速度連續傳播到整個燃燒室的空間，這種燃燒現室的空間，這種燃燒現象稱為汽油機正常燃燒。象稱為汽油機正常燃燒。 在此期間，火焰前在此期間，火焰前鋒面向前推進，使未燃鋒面向前推進，使未燃混合氣受到壓縮和熱輻混合

4、氣受到壓縮和熱輻射，壓力、溫度急劇上射，壓力、溫度急劇上升。升。按其壓力變化的特按其壓力變化的特征，將燃燒過程人為的征，將燃燒過程人為的分為三個階段，即滯燃分為三個階段，即滯燃期、急燃期和補燃期。期、急燃期和補燃期。5 燃燒過程分析燃燒過程分析 1 1、滯燃期（著火延遲期或著火落后期）、滯燃期（著火延遲期或著火落后期） 從火花塞點火到火焰核心形成的階段。從火花塞點火到火焰核心形成的階段。即從火花塞點火即從火花塞點火( (點點1)1)至氣缸壓力線明顯脫離壓縮線而急劇上升時至氣缸壓力線明顯脫離壓縮線而急劇上升時( (點點2)2)的時的時間或曲軸轉角。間或曲軸轉角。 火花塞點火，加速電極周圍的預混合

5、氣熱反應速度，溫火花塞點火，加速電極周圍的預混合氣熱反應速度，溫度、壓力升高而著火，形成火焰中心。度、壓力升高而著火，形成火焰中心。 特點特點 壓力、溫度按壓縮規律變化。壓力、溫度按壓縮規律變化。 對性能的影響對性能的影響 汽油機燃燒滯燃期對性能的影響不如柴油機大，主要影汽油機燃燒滯燃期對性能的影響不如柴油機大，主要影響示功圖的位置。響示功圖的位置。（應力求縮短滯燃期，控制著火時間）（應力求縮短滯燃期，控制著火時間）6 2 2、明顯燃燒期（急燃期）、明顯燃燒期（急燃期） 指氣缸壓力線脫離壓縮線開始急劇上升（點指氣缸壓力線脫離壓縮線開始急劇上升（點2 2）到缸內壓）到缸內壓力達到最高點力達到最高

6、點( (點點3)3)。 這期間經歷了火焰核心形成到火焰傳遍整個燃燒室。這期間經歷了火焰核心形成到火焰傳遍整個燃燒室。 特點特點 是汽油機燃燒過程的主要階段。是汽油機燃燒過程的主要階段。燃燒掉絕大部分的可燃燒掉絕大部分的可燃混合氣（燃混合氣（80809090 ）; ; 燃燒速度（火焰傳播速度）快（燃燒速度（火焰傳播速度）快（505080m/s80m/s）; ; 缸內溫度、壓力急劇上升，出現缸內溫度、壓力急劇上升，出現 、 ，缸內最，缸內最高壓力可達高壓力可達3 35 5MPaMPa 。 對性能的影響對性能的影響 最高壓力最高壓力 到達的時刻（到達的時刻（點點3 3 ）對汽油機動力性、經濟）對汽油

7、機動力性、經濟性、工作性、工作粗暴等有重大影響。粗暴等有重大影響。Tmaxpmaxpmax7 3 3點位置：點位置： 3 3點的出現的時刻非常重要。點的出現的時刻非常重要。 太早：壓縮功太早：壓縮功 ，膨脹功，膨脹功 ，動力性，動力性 ，經濟性經濟性 、 、 ，機械負荷，機械負荷 熱負荷熱負荷 。 （壓力升高率代表發動機工作粗暴程度）壓力升高率代表發動機工作粗暴程度） 太遲：熱量利用率太遲：熱量利用率 。（。（加熱時刻遠離上止點加熱時刻遠離上止點） 還易造成排氣管還易造成排氣管“放炮放炮”，進氣管，進氣管“回火回火”現象。現象。 一般一般 出現在上止點后出現在上止點后12121515CA, C

8、A, MPa/degCAMPa/degCA 為宜為宜。可通過調整最佳點火提前角實現。可通過調整最佳點火提前角實現。ttpmaxTmaxppmax25. 0175. 0p8 3 3、補燃期、補燃期 從最高燃燒壓力點從最高燃燒壓力點3 3到燃燒結束稱為補燃期。到燃燒結束稱為補燃期。 特點特點 燃燒火焰前鋒面過后未燃燒的可燃混合氣，以及燃燃燒火焰前鋒面過后未燃燒的可燃混合氣，以及燃 燒室邊緣和縫隙中的未燃燒的可燃混合氣。燒室邊緣和縫隙中的未燃燒的可燃混合氣。 補燃期的燃燒與柴油機有所區別補燃期的燃燒與柴油機有所區別。（汽油機不象柴。（汽油機不象柴 油機隨噴隨燃，燃料在油機隨噴隨燃，燃料在 以后還有噴

9、入，補燃情以后還有噴入，補燃情 況要小得多。）況要小得多。） 對性能的影響對性能的影響 補燃期燃燒放出的熱量不能有效轉變為功，使排氣溫度補燃期燃燒放出的熱量不能有效轉變為功，使排氣溫度升高，熱效率下降。（升高，熱效率下降。（活塞下行，壓力降低活塞下行，壓力降低） 要求：盡量縮短補燃期。要求：盡量縮短補燃期。pmax9二、汽油機不正常燃燒二、汽油機不正常燃燒 v 1.1.爆燃爆燃 現象：現象： 爆燃時，缸內出現特爆燃時，缸內出現特別高的壓力和壓力升高率別高的壓力和壓力升高率 3 3 MPaMPa/ /CA CA 并出現高頻激振波并出現高頻激振波( (鋸齒鋸齒波波) )，敲擊氣缸和燃燒室，敲擊氣缸

10、和燃燒室 正常燃燒正常燃燒 爆燃爆燃壁面，壁面，除發生金屬敲擊聲除發生金屬敲擊聲 圖圖3-2 3-2 汽油機正常燃燒與爆燃的比較汽油機正常燃燒與爆燃的比較外，還會破壞缸壁上潤滑油膜，加劇運動件的磨損。經常敲外，還會破壞缸壁上潤滑油膜，加劇運動件的磨損。經常敲缸的發動機排氣溫度增加，冷卻水過熱，潤滑油老化加劇。缸的發動機排氣溫度增加，冷卻水過熱，潤滑油老化加劇。 maxddp10v 產生機理產生機理 火花塞點火后，火焰前鋒面呈球面波形狀以正常火花塞點火后，火焰前鋒面呈球面波形狀以正常傳播速度（傳播速度（30307070m ms s）向周圍傳播，缸內壓力和溫向周圍傳播，缸內壓力和溫度急劇升高，末端

11、混合氣在火焰前鋒面尚未到達之前度急劇升高，末端混合氣在火焰前鋒面尚未到達之前產生自燃現象的結果產生自燃現象的結果。v 末端可燃混合氣由于壓縮、加熱（傳熱、熱輻射）末端可燃混合氣由于壓縮、加熱（傳熱、熱輻射）的作用，加速了先期物、化反應，形成一個或幾個新的作用，加速了先期物、化反應，形成一個或幾個新的火焰中心，并以很快的火焰傳播速度將終燃混合氣的火焰中心，并以很快的火焰傳播速度將終燃混合氣燃燒完畢。燃燒完畢。 11 特點特點 火焰傳播速度快。火焰傳播速度快。輕微爆燃時輕微爆燃時100100300m/s,300m/s,強烈爆強烈爆 燃時可達燃時可達8008001000m/s1000m/s或以上或以

12、上; ; 燃燒最高溫度、壓力高。燃燒最高溫度、壓力高。燃氣燃氣 40004000k; k; 局部最局部最 高壓力可達高壓力可達1010MPa;MPa; 3MPa/3MPa/CACA； 產生高頻壓力沖擊波。產生高頻壓力沖擊波。會發出金屬敲擊聲，也會破壞會發出金屬敲擊聲，也會破壞 層流氣膜和缸壁油膜，使傳熱損失層流氣膜和缸壁油膜，使傳熱損失 ，磨損，磨損 ，水溫，水溫 油溫油溫 ； 動力性動力性 ，經濟性，經濟性 ； 高溫分解現象嚴重，碳煙高溫分解現象嚴重，碳煙 ，CH , , CO , , 。TmaxddpxNO12v 影響爆燃的因素影響爆燃的因素v 燃料性質燃料性質 辛烷值高的燃料，抗爆燃能力

13、強。辛烷值高的燃料，抗爆燃能力強。v 末端混合氣的壓力和溫度末端混合氣的壓力和溫度 末端混合氣的壓力和溫度增高，則爆燃傾向增大。末端混合氣的壓力和溫度增高，則爆燃傾向增大。 例如，提高壓縮比，則氣缸內壓力、溫度升高，爆例如，提高壓縮比，則氣缸內壓力、溫度升高，爆 燃易發生。提高冷卻強度，爆燃傾向減小。燃易發生。提高冷卻強度，爆燃傾向減小。 汽油機壓縮比的提高受到爆燃的限制。汽油機壓縮比的提高受到爆燃的限制。v 火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間 縮短火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間，有利于避縮短火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間，有利于避 免爆燃。免爆燃。 提高火焰傳播速度

14、（增加氣流運動的紊流度）提高火焰傳播速度（增加氣流運動的紊流度） 縮短火焰傳播距離（燃燒室結構、火花塞位置等）縮短火焰傳播距離（燃燒室結構、火花塞位置等） 13v 2 2、表面點火、表面點火v 凡是不靠電火花點火而是由燃燒室內熾熱表面凡是不靠電火花點火而是由燃燒室內熾熱表面( (如排氣門如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉積物等頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉積物等) )點燃混合氣點燃混合氣的現象，統稱表面點火。的現象，統稱表面點火。v 根據被熾熱表面點燃的火焰傳播速度是否以正常速度根據被熾熱表面點燃的火焰傳播速度是否以正常速度 傳播，表面點火可分為正常性表面（非爆燃性表面點火）傳

15、播，表面點火可分為正常性表面（非爆燃性表面點火） 和爆燃性表面點火。和爆燃性表面點火。 非爆燃性表面點火：火焰傳播速度正常非爆燃性表面點火：火焰傳播速度正常 早火（早燃）：發生在正常火焰形成之前。早火（早燃）：發生在正常火焰形成之前。 使：使： ，壓縮消耗功壓縮消耗功 ，工作粗暴，動力性工作粗暴，動力性 。 后火：發生在正常火焰形成之后。后火：發生在正常火焰形成之后。 對汽油機性能影響不大。對汽油機性能影響不大。 爆燃性表面點火（激爆）：可以是多點點燃爆燃性表面點火（激爆）：可以是多點點燃 混合氣劇烈燃燒，混合氣劇烈燃燒， ， 。ddpddpmaxp14v 防止表面點火的措施 減少或消除燃燒室

16、積炭 使用含膠質少的燃料、潤滑油； 燃燒室結構簡單、光整等。 提高點火能量 降低壓縮比15v 三、運轉因素對燃燒的影響三、運轉因素對燃燒的影響v 1. .點火提前角點火提前角 混合氣在氣缸內完全燃燒需要一定的時間，為使最高混合氣在氣缸內完全燃燒需要一定的時間，為使最高 燃燒壓力出現在上止點后燃燒壓力出現在上止點后12121515CACA，因此，點火時間，因此，點火時間 必須提前。必須提前。v點火提前角調整特性點火提前角調整特性 當汽油機保持節氣門開度、轉速以當汽油機保持節氣門開度、轉速以及混合氣濃度一定時，汽油機功率和耗及混合氣濃度一定時，汽油機功率和耗油率隨點火提前角改變而變化的關系稱油率隨

17、點火提前角改變而變化的關系稱為點火提前角調整特性，如圖為點火提前角調整特性，如圖3-33-3。v不同工況下，點火提前角是不同的。不同工況下，點火提前角是不同的。 圖圖3-3 3-3 汽油機點火提前角調整特性汽油機點火提前角調整特性16v 當點火提前角當點火提前角過大時：過大時： 壓縮消耗功壓縮消耗功 ，膨脹功膨脹功 ， ， ， ，工作粗暴，工作粗暴， 爆燃傾向加大。爆燃傾向加大。v 當點火提前角當點火提前角過小時：過小時： ， ，傳熱損失，傳熱損失 ，排溫，排溫 ，動力性，動力性 ，經濟性，經濟性 ， 爆燃傾向減小。爆燃傾向減小。 圖圖3-43-4為為 點火提前角不點火提前角不 同時的同時的p

18、-p- 圖圖 。 圖圖3-4 3-4 點火提前角不同時的點火提前角不同時的p p - -圖圖pmaxddpTmaxpmaxTmax17v2.混合氣濃度 混合氣對汽油機燃燒過程和性能有很大影響。改變混合氣對汽油機燃燒過程和性能有很大影響。改變 過量空氣系數過量空氣系數值時，火焰傳播速度值時，火焰傳播速度 不同。不同。v 0.80.80.90.9時，時， ，Pz 、Tz 、 均達均達 到最高值，火焰傳播時間縮短，使爆燃傾向減小；到最高值，火焰傳播時間縮短，使爆燃傾向減小； 同時，缸內壓力、溫度較高，使末端混合氣自燃發火同時，缸內壓力、溫度較高，使末端混合氣自燃發火的準備時間也縮短，又使爆燃傾向增大

19、。的準備時間也縮短，又使爆燃傾向增大。 實踐證明，后者是影響的主要方面。因此，當實踐證明，后者是影響的主要方面。因此，當0.80.80.90.9時，爆燃傾向加大。時，爆燃傾向加大。v 1.031.031.101.10時時, ,燃燒最完全，經濟性最好。燃燒最完全，經濟性最好。ussuus,maxp18v 4.4.轉速轉速 轉速增加時，氣缸中紊流增強，火焰傳播速轉速增加時，氣缸中紊流增強，火焰傳播速 度加快。度加快。v 著火延遲期的影響著火延遲期的影響 n n ：紊流紊流混合氣混合好混合氣混合好 （以（以s s計）計） 散熱損失散熱損失 （以（以s s計）計） 但但著火延遲期著火延遲期（以曲軸轉角

20、計）（以曲軸轉角計） v 所以，轉速增加時應增大點火提前角。所以，轉速增加時應增大點火提前角。v 對爆燃的影響對爆燃的影響 n n ：紊流強度紊流強度 爆燃傾向爆燃傾向 。cpcTiius19v 3. 3.負荷負荷 汽油機的負荷調節屬于量調節。汽油機的負荷調節屬于量調節。 v 負荷負荷 ：節氣門開度節氣門開度 進入氣缸的混合氣進入氣缸的混合氣 殘余殘余廢氣量相對廢氣量相對火焰傳播速度火焰傳播速度每循環每循環 經歷時間經歷時間傳熱損失傳熱損失 （燃燒后移、惡化）。（燃燒后移、惡化）。 所以，負荷減小時，需要增大點火提前角所以，負荷減小時，需要增大點火提前角。v 負荷負荷 ：缸內缸內P P ，T

21、T爆燃傾向爆燃傾向 。20v 5. .大氣狀態大氣狀態 v G經濟性，動力性。 但爆燃趨勢。v G經濟性，動力性。 易發生氣阻，但爆燃趨勢。p00T21 3-2 3-2 汽油機燃燒室汽油機燃燒室 汽油機燃燒室結構對燃燒過程的火焰傳播、燃燒汽油機燃燒室結構對燃燒過程的火焰傳播、燃燒速率、爆燃及熱損失、充氣效率均有較大影響，進而速率、爆燃及熱損失、充氣效率均有較大影響，進而影響汽油機的動力性、經濟性、工作穩定性及排放。影響汽油機的動力性、經濟性、工作穩定性及排放。因此，燃燒室的結構設計應兼顧汽油機的各項性能。因此，燃燒室的結構設計應兼顧汽油機的各項性能。 一、燃燒室設計的基本原則：一、燃燒室設計的

22、基本原則：v 1 1、結構盡量緊湊、結構盡量緊湊 用燃燒室的面容比用燃燒室的面容比 F/V(F/V(燃燒室表面積與容積之燃燒室表面積與容積之比比) )來表征燃燒室的緊湊性。來表征燃燒室的緊湊性。v F/V F/V小，燃燒室結構緊湊：小，燃燒室結構緊湊： 火焰傳播距離短，爆燃傾向減少，提高壓縮比；火焰傳播距離短，爆燃傾向減少，提高壓縮比； 相對散熱面積小，熱損失小，循環熱效率高；相對散熱面積小，熱損失小，循環熱效率高； 缸壁激冷區域小，缸壁激冷區域小，HCHC排放量少。排放量少。22vL L型燃燒室與楔型燃燒室的對比：型燃燒室與楔型燃燒室的對比：vL L型燃燒室型燃燒室 不僅不僅F/VF/V大，

23、火焰傳播距大，火焰傳播距離遠，進、排氣通道彎道多。離遠，進、排氣通道彎道多。（只能在只能在6.26.27.07.0之間）之間）v楔型燃燒室（盆型的改進）楔型燃燒室（盆型的改進） 結構緊湊，再加上高強度結構緊湊，再加上高強度的擠氣漩流，離火花塞較遠處的擠氣漩流，離火花塞較遠處成為擠氣區和混合氣很少的區成為擠氣區和混合氣很少的區域。域。 爆燃爆燃，（ 可達可達9.59.510.510.5）23v 2 2、火花塞位置適當、火花塞位置適當 火花塞位置不同，火焰傳播距離和燃燒速度火花塞位置不同，火焰傳播距離和燃燒速度的變化率也不同，從而影響汽油機的性能。的變化率也不同，從而影響汽油機的性能。v 火花塞盡

24、可能位于燃燒室中心，以縮短火火花塞盡可能位于燃燒室中心，以縮短火焰傳播距離；焰傳播距離；v 應能利用新鮮混合氣充分掃除火花塞周圍應能利用新鮮混合氣充分掃除火花塞周圍的殘余廢氣，使混合氣易于點燃；的殘余廢氣，使混合氣易于點燃；v 火花塞應靠近排氣門處，使受火花塞應靠近排氣門處，使受熾熱表面加熾熱表面加熱的混合氣及早燃燒，熱的混合氣及早燃燒，避免爆燃產生。避免爆燃產生。24v 3 3、燃燒室形狀合理分布燃燒室形狀合理分布（與火花塞位置相配合）v 燃燒室的容積分布若與火花塞位置相配合，決 定了燃燒的放熱規律、壓力升高率及工作穩定性等。v 最有利的燃燒室容積分布是使燃燒初期放熱量少，壓力升高率小，發動

25、機工作柔和；中期放熱量 最多，以獲得較大 的循環功；后期補 燃較少，具有高的 熱效率（容積分布 由小到大，再由大到 小）。25v 4 4、具有高的充氣效率、具有高的充氣效率 進氣口、進氣道的布置應盡進氣口、進氣道的布置應盡量減小進氣阻力。如量減小進氣阻力。如楔型燃燒室可楔型燃燒室可安排直徑較大的進氣門。安排直徑較大的進氣門。 混合氣流經處應盡量光滑、混合氣流經處應盡量光滑、轉彎少。如半球型燃燒室的進氣彎轉彎少。如半球型燃燒室的進氣彎道少，且燃燒室弓高稍高（斜面積道少，且燃燒室弓高稍高（斜面積大），有利于布置較大面積的進、大），有利于布置較大面積的進、排氣門排氣門26 5 5、形成適當的紊流運動

26、、形成適當的紊流運動 燃燒室內形成適當強度的氣體流動，可以加快 火焰傳播，增加末端混合氣冷卻；擴大混合氣著火 界限，有利于燃燒更稀混合氣；減少 HC排放量。 如射流型燃燒室、碗型燃燒室，壓縮過程中形成 擠氣紊流，燃燒膨脹時形成燃燒紊流，火焰傳播速度 和燃燒速度均提高， 可大大提高壓縮比（11左右）。 27 二、汽油機分層燃燒及其燃燒室二、汽油機分層燃燒及其燃燒室 傳統的燃燒均質混合氣的汽油機，工作時混合氣濃度范圍傳統的燃燒均質混合氣的汽油機，工作時混合氣濃度范圍窄，并經常在窄，并經常在A/FA/F1 14.74.7的濃混合氣下工作，是燃油消耗率高和的濃混合氣下工作，是燃油消耗率高和排污率大的根本原因。如果將混合氣的濃度變稀則受到著火濃排污率大的根本原因。如果將混合氣的濃度變稀則受到著火濃度界線的限制。度界線的限制。 實踐證明，火焰在實踐證明，火焰在A/FA/F6060的極稀混合氣中仍能傳播，但的極稀混合氣中仍能傳播，但它超出了著火濃度的界限而不能著火，只有在火花塞附近保持它超出了著火濃度的界限而不能著火，只有在火花塞附近保持A/FA/F1 12 21414的濃混合氣，才能形成穩定的著火核心，并由此的濃混合氣，才能形成穩定的著火核心，并由此向可燃混合氣傳播火焰。向可燃混合氣傳播火焰。 可見要實現稀混合氣的燃燒（例如可見要實現稀混