發動機原理武漢理工大學汽車工程學院劉志恩2012年6月2023/2/1發動機原理2

緒論第一章發動機的性能第二章發動機的換氣過程第三章發動機的燃料與燃燒第四章汽油機混合氣的形成和燃燒第五章柴油機混合氣的形成和燃燒第六章發動機的特性第九章排氣污染與控制目錄2023/2/1發動機原理3第四章汽油機混合氣的形成和燃燒發動機的燃燒過程是影響發動機動力性、經濟性和排氣污染的主要過程，對噪聲、振動、起動性能和使用壽命也有重大影響。4.1汽油機正常燃燒過程4.2汽油機不規則及不正常燃燒4.3影響燃燒過程的因素4.4常用典型燃燒室結構4.1汽油機正常燃燒過程汽油機的混合氣的形成和燃燒過程是：先在氣缸外部的進氣管（進氣道）內，利用噴嘴或化油器使空氣和燃油混合，形成可燃混合氣；混合氣進入氣缸后，到壓縮行程終了時形成均勻混合氣，再經電火花點火進行燃燒。汽油機的正常燃燒過程是由火花塞點火開始，火焰前鋒以一定的速度傳遍整個燃燒室的過程。

汽油機著火和燃燒的火焰傳播過程特點：均質透明火焰，前鋒面皺褶火核形成對汽油機燃燒過程的分析主要根據展開示功圖P-φ進行。根據缸內壓力變化的特征，汽油機的燃燒過程可分為三個階段：Ⅰ-著火落后期Ⅱ-明顯燃燒期Ⅲ-補燃期對在燃燒壓力線上:1點為火花塞跳火點；2點為燃燒壓力線脫離壓縮壓力線點；3點為最高壓力點。右圖中虛線表示只壓縮不點火的壓縮線；1.著火落后期（φA～φB

）特性參數：著火落后期φi10°～20°CA注意區別點火提前角θigφi

相對穩定（相對柴油機），因此θig對pmax相位有重要影響現象：在φA點開始火花點火，高溫單階段著火；在φB點產生穩定的火核，開始火焰傳播；φB點也可用CA05表示，即累計放熱5%的相位。pmax

↑，ηi

↑，Wi↑，NOx↑，機械負荷及熱負荷↑；pmax位置，φc＝10～15CA（ATDC）2.明顯燃燒期（φB～φC

）

現象：

由明顯火核產生～火焰充滿 燃燒室；

90％燃料在此期間被燃燒。也稱為速燃期

Δp/Δφ在0.2--0.4MPa/CA

放熱速率特征值CA50：累計放 熱50%的相位，0～10CAATDC

主要控制參數1：最高爆發壓力pmax3.后燃期（φC～φD

)要求：燃期短—后燃期↑，ηi↓，排溫↑，甚至“放炮”燃燒凈—否則，HC↑，CO↑現象

燃燒剩余約10％燃料，主要存在于火焰前鋒面掃過后尚未完全燃燒區域、壁面附近未燃混合氣2023/2/1發動機原理10燃燒速度

燃燒速度是指單位時間燃燒的混合氣量AT--火焰前鋒面積ρT--未燃混合氣密度UT--火焰速度控制燃燒速度就能控制明顯燃燒期的長短及其相對曲軸轉角的位置。現代汽油機轉速很高，一般在5000—8000r/min，燃燒時間極短，1—2ms2023/2/1發動機原理11燃燒速度－影響因素火焰速度UT火焰前鋒相對于未燃混合氣向前推進的速度。

?氣體的紊流運動

?混合氣成分?混合氣初始溫度

火焰前鋒面積AT

可燃混合氣密度ρT

2023/2/1發動機原理124.2汽油機不規則及不正常燃燒（一）、不規則燃燒在穩定正常運轉的情況下，各循環之間的燃燒變動和各氣缸之間的燃燒差異。

?循環變動：各循環間的燃燒變動

?各缸工作不均勻：各缸間燃燒差異

對于各缸和各循環而言，混合氣溫度等都可能互不相同，點火提前角和空燃比的調節不可能都處在最佳值，這就影響各缸和各循環初始火焰形成時刻的穩定性，導致各缸和各循環最大燃燒壓力和平均指示壓力的變化。

2023/2/1發動機原理13循環變動原因混合氣成分波動氣體運動狀態波動影響循環變動的因素較多。如混合氣濃度、發動機負荷、發動機轉速、點火時刻、燃燒室的形狀、火花塞位置、壓縮比、配氣定時等。為提高發動機功率、減少油耗、降低排放污染與噪聲,應使燃燒變動降低到最小限度。可適當提高發動機轉速及負荷、增大點火提前角、過量空氣系數φat

控制在0.8～0.9左右、加強氣體紊流、增加點火能量、采用多點點火等。2023/2/1發動機原理15各缸工作不均勻原因各缸進氣充量不均勻混合氣成分不均勻進氣空氣量、進氣速度、氣流擾動強度、燃燒室形狀、壓縮比、火花塞位置的差異也有影響。

從燃燒示功圖也可看出各缸燃燒的差異，圖5-3為CA6102發動機節氣門開度75%，轉速n=1400(r/min)和3000（r/min)時各缸燃燒示功圖。2023/2/1發動機原理18（二）、不正常燃燒

在汽油機正常燃燒情況下，提高壓縮比可以提高汽油機的動力性和燃油經濟性。而當出現不正常燃燒時，熱效率及功率均要下降。同時，由于不正常燃燒使零件磨損加劇，使用壽命下降，發動機振動及噪聲增大，排放污染嚴重，發動機過熱。汽油機的不正常燃燒主要有爆燃和表面點火。

2023/2/1發動機原理191.爆燃

外部特征：特別尖銳的金屬敲擊聲，亦稱之敲缸產生原因：在火焰前鋒尚未到達之前，末端混合氣已經自燃影響因素：

?燃料性質，燃料的抗爆燃能力－辛烷值

?末端混合氣的壓力和溫度

?火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間

2023/2/1發動機原理202023/2/1發動機原理212.表面點火

產生原因：不靠電火花點火而由燃燒室內熾熱表面點燃混合氣的現象。高溫熾熱表面在火花塞點火前點燃混合氣的現象稱為早燃。早燃的危害：發動機工作粗暴，壓縮功增大，功率下降，火花塞、活塞等零件過熱早燃與爆燃的關系：早燃會誘發爆燃，爆燃又會讓更多的熾熱表面溫度升高，促使更劇烈的表面點火，兩者互相促進，危害可能更大。2023/2/1發動機原理222023/2/1發動機原理232023/2/1發動機原理244.3影響燃燒過程的因素（一）混合氣濃度

（二）點火提前角

（三）轉速

（四）負荷

（五）大氣狀況

2023/2/1發動機原理25（一）混合氣濃度在α=0.8--0.9時

:

?

pz、Tz、Δp/Δφ、pe均達最高值

?爆燃傾向增大

?不完全燃燒，所以CO排放量明顯上升在α=1.03--1.1時

:

?燃料燃燒完全，be最低

?缸內溫度最高且有富裕空氣，NOx排放量大在α<0.8及α>1.2時

:

?火焰速度緩慢，經濟性差

?燃料不完全燃燒，HC排放量增多

?工作不穩定

2023/2/1發動機原理26（二）點火提前角定義：從發出電火花到上止點間的曲軸轉角

點火提前角調整特性：當汽油機保持節氣門開度、轉速以及混合氣濃度一定時，汽油機功率和耗油率隨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4-14所示特點：對應于每一工況都存在一個“最佳”點火提前角，這時汽油機功率最大，耗油率最低2023/2/1發動機原理272023/2/1發動機原理28（二）點火提前角點火角過大，壓縮功增加，且最高壓力升高，爆燃傾向加大點火過遲，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排溫升高，功率、熱效率降低，但爆燃傾向減小，NOx排放量降低2023/2/1發動機原理29（三）轉速轉速增加時，氣缸中紊流增強，火焰速度大體與轉速成正比增加

轉速增加時，爆燃傾向減小

轉速增加時，應該相應加大點火提前角

2023/2/1發動機原理30發動機轉速n

圖5-9渦流狀況對火焰傳播速度的影響

a)無渦流b)有渦流2023/2/1發動機原理31（四）負荷汽油機負荷調節是量調節，當負荷減小時，殘余廢氣所占比例相對增加

當負荷減小時，需要增大點火提前角

2023/2/1發動機原理32（五）大氣狀況大氣壓力低（高原），氣缸充氣量減少，經濟性和動力性下降，爆燃傾向減小大氣溫度高，同樣氣缸充氣量下降，容易發生爆燃和氣阻

4.4常用典型燃燒室結構燃燒室的結構直接影響到發動機的充量系數，火焰傳播速度及放熱率、傳熱損失及爆燃的發生，從而影響發動機的性能。2023/2/1發動機原理34對燃燒室的要求

結構緊湊－小F/V值

?火焰傳播距離小，不易爆燃，可提高壓縮比

?相對散熱損失小，熱效率高?熄火面積小，HC排量少具有良好的充氣性能火花塞位置安排適當?掃除火花塞周圍的殘余廢氣?火花塞盡量布置在排氣門附近?火焰面變化分配合理?火焰傳播距離應盡可能短燃燒室形狀合理分布組織適當的紊流運動?進氣渦流?擠流防止爆燃和早燃2023/2/1發動機原理35常用典型燃燒室

浴盆形燃燒室

?F/V較大

?壓縮比一般不高?動力性、經濟性不高?HC排出量多而NOx較少?曾經用于載貨汽車、輕型車

楔形燃燒室?燃燒室較緊湊

?壓縮比高?動力性、經濟性高?工作粗暴?HC、NOx排出量多?曾廣泛用于車用汽油機，但進排氣門只能單行排列，難采用多氣門機構

半球形燃燒室?結構緊湊，F／V值小?壓縮比高?動力性、經濟性高?工作粗暴?HC排出量少?NOx排出量多

2023/2/1發動機原理36其他汽油機燃燒室均質稀混合氣的燃燒室分層給氣式燃燒室

2023/2/1發動機原理37

緒論第一章發動機的性能第二章發動機的換氣過程第三章發動機的燃料與燃燒第四章汽油機混合氣的形成和燃燒第五章柴油機混合氣的形成和燃燒第六章發動機的特性第九章排氣污染與控制目錄第五章

柴油機混合氣的形成和燃燒

第一節

柴油機燃燒過程由噴射系統在壓縮行程接近終了時開始直接噴入燃燒室內。混合氣形成的時間極短，混合氣不均勻，在高溫、高壓下多點自燃著火燃燒的。近年來柴油機發展，涌現出一些新型燃燒系統：高壓共軌噴射系統、燃料參燒技術等。（一）燃燒過程概述（二）燃燒放熱規律

2023/2/1發動機原理40（一）柴油機燃燒過程概述

著火延遲期

速燃期

緩燃期?著火延遲期也稱為滯燃期。

?混合氣準備的物理和化學過程。?溫度或壓力越高，著火延遲期越短。?燃燒室的形式和壁溫，也影響著火延遲期長短。

?著火延遲期內準備好的混合氣幾乎同時開始燃燒。?應控制壓力升高率，防止工作粗暴。?柴油機Δp/Δφ不大于0.4-0.5MPa/(°)的范圍內。?燃燒的進行漸趨緩慢。?盡可能地加速混合氣的形成，保證迅速而完全的燃燒。

補燃期?盡量縮短補燃期，減少補燃期內燃燒的燃油量。2023/2/1發動機原理41（二）燃燒放熱規律瞬時放熱速率:

在燃燒過程中的某一時刻，單位時間內（或1°曲軸轉角內）燃燒的燃油所放出的熱量。累積放熱百分比:

從燃燒過程開始至某一時刻為止已經燃燒的燃油與循環供油量的比值。瞬時放熱速率和累積放熱百分比隨曲軸轉角的變化關系，稱為燃燒放熱規律。燃燒起點、燃燒放熱規律曲線形狀和燃燒持續時間被認為是燃燒放熱規律的三要素。2023/2/1發動機原理42各種發動機的燃燒放熱規律燃燒放熱規律影響柴油機的性能，對了解、分析和改進燃燒過程有著特別重要的作用。

2023/2/1發動機原理43較理想的柴油機燃燒放熱規律

有一合適的燃燒(放熱)起點，保證最大燃燒壓力在上止點后10～15°CA。

在燃燒放熱階段，控制燃燒放熱速率，以降低壓力升高率，然后燃燒應加速進行，燃燒過程應該是先緩后急。燃燒持續時間不宜過長，汽油機一般為40～60°CA，柴油機為50～70°CA。第二節燃油噴射和霧化2023/2/1發動機原理45一、供油系統和噴射過程

柴油機供油系統

噴油泵速度特性及其校正噴射過程

供油規律和噴油規律

不正常噴射現象和噴射系統中的穴蝕破壞

2023/2/1發動機原理46

柴油機供油系統柴油機供油系統一般由油箱、輸油泵、柴油濾清器、噴油泵、噴油器等組成，另外還包括調速器和供油提前角調節裝置等。其中的噴油泵、噴油器和高壓油管等組成了高壓油路，稱為噴射系統，是整個柴油機供油系統的關鍵部分。

2023/2/1發動機原理47

柴油機供油系統－噴油泵噴油泵的主要作用是定時、定量地向各缸的噴油器周期性地供給高壓燃油。常見的有直列式噴油泵（柱塞泵）和分配式噴油泵（轉子泵）兩種類型。分配式噴油泵具有結構緊湊，能在較高轉速下工作的優點，但供油壓力較低。

2023/2/1發動機原理48

柴油機供油系統－噴油泵的結構直列式柱塞噴油泵又分為：單體泵與合成泵（整體泵）

2023/2/1發動機原理49柱塞式噴油泵的組成

柴油機供油系統－噴油泵的原理2023/2/1發動機原理50柱塞式噴油泵泵油原理2023/2/1發動機原理51

柴油機供油系統－噴油器噴油器的主要作用是將噴油泵供給的高壓燃油噴入柴油機燃燒室內，使燃油霧化成微細的油粒，并按一定的要求適當地分布在燃燒室內。噴油器有孔式噴油器和軸針式噴油器兩類。2023/2/1發動機原理52

柴油機供油系統－噴油器噴孔式a軸針式圓柱b軸針式截錐形c軸針式節流形2023/2/1發動機原理53

柴油機供油系統－噴油器

孔式噴油器

用于直噴式燃燒室中。較小的噴孔與高壓泵配合，可形成較細的噴油顆粒。易引起積炭堵塞。

軸針式噴油器

用于分隔式燃燒室中。較低的噴油壓力，噴油顆粒較大。有自潔作用，不易堵塞。噴孔有效流通截面積與針閥升程的關系稱為噴油器的流通特性（開啟特性）2023/2/1發動機原理54汽、柴油機混合氣形成裝置

對混合氣的要求數量濃度空間形態燃燒起點

汽油機節氣門化油器(均勻)火花塞

柴油機噴油泵噴油泵噴油器噴油泵2023/2/1發動機原理55噴油泵速度特性及其校正噴油泵油量控制機構位置固定，循環供油量隨轉速變化的關系稱為噴油泵速度特性。對于柱塞式噴油泵，隨著轉速的上升，循環供油量呈略有增大的趨勢。為使供油量與空氣量相匹配，對特性進行必要的校正，得到較理想的扭矩特性。2023/2/1發動機原理56

噴射過程定義：從噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程（15-40℃A）

噴射延遲階段

主噴射階段

噴射結束階段

2023/2/1發動機原理57供油規律和噴油規律兩者的差異：噴油始點滯后于供油始點噴油持續時間較長最大噴油速率較低曲線的形狀有一定的變化

定義：供油規律：噴油泵供入高壓油管的供油量隨時間（噴油泵凸輪轉角）的變化關系。它純粹是由噴油泵柱塞的幾何尺寸和運動規律確定的。

噴油規律：噴油過程中，噴油器噴入燃燒室內的燃油量隨時間（噴油泵凸輪轉角）的變化關系。產生差異的原因：燃油的可壓縮性系統內產生壓力波的傳播滯后、壓力波動、節流作用高壓油管的彈性變形2023/2/1發動機原理58不正常噴射現象正常噴射過程二次噴射滴油現象斷續噴射不規則噴射和隔次噴射為避免出現不正常噴射現象，應盡可能地縮短高壓油管長度，減小高壓容積，以降低壓力波動，減小其影響，并合理選擇噴射系統的參數。2023/2/1發動機原理59噴射系統中的穴蝕破壞

穴蝕破壞出現在系統內與燃油接觸的金屬表面上。產生的機理：在高壓容積內產生壓力波動時，在極低的壓力區形成汽泡，隨后壓力迅速升高使汽泡爆裂而產生沖擊波，這種沖擊波多次作用于金屬表面則引起穴蝕。穴蝕破壞會影響到噴射系統的工作可靠性和使用壽命。

2023/2/1發動機原理60二、燃油的霧化和油束特性

燃油的霧化：燃油噴入燃燒室內后被粉碎分散為細小液滴的過程。霧化可以大大增加蒸發表面積，加速吸熱和汽化過程。可以從幾何形狀和霧化質量兩個方面來描述油束特性。不同的燃燒室對油束的幾何形狀和霧化質量的要求有所不同。2023/2/1發動機原理61二、燃油的霧化和油束特性

幾何形狀主要包括油束射程（又稱為貫穿距離）L和噴霧錐角β或油束的最大寬度B。影響油束幾何形狀的主要因素有：

?

噴射壓力

?

噴油器噴孔的長徑比

?

空氣與燃油密度比2023/2/1發動機原理62二、燃油的霧化和油束特性

油束的霧化質量一般是指油束中液滴的細度和均勻度。細度可以用液滴平均直徑來表示。均勻度是指油束中液滴大小相同的程度以及液滴在油束內分布的均勻程度。2023/2/1發動機原理63三、對噴射系統的要求在任一工況下都不出現不正常噴射現象，不產生穴蝕破壞。根據不同轉速和負荷的工況要求，在最佳的噴油時刻，精確提供所需的燃油量。盡可能實現理想的噴油規律。良好的油束特性能滿足具體燃燒室的要求。對于噴射系統的強化，應采取相應的措施保證有關零部件的強度和剛度，同時注意降低噴射系統的噪聲與振動。

2023/2/1發動機原理64三、對噴射系統的要求

理想的噴油規律：更高的噴射壓力和噴油速率以及更短的噴油持續時間已是技術發展的一個明顯趨勢。為避免柴油機工作過于粗暴，又希望實現“先緩后急”的噴油規律。在所有的工況下都希望在噴射結束階段能盡可能迅速地結束噴射。第三節混合氣的形成和燃燒室

2023/2/1發動機原理66一、柴油機混合氣形成特點和方式

柴油機可燃混合氣的品質較汽油機差，因此采用較大的過量空氣系數。理想的柴油機混合氣形成過程：柴油機混合氣形成方式：

?

空間霧化混合（不完全氣相）燃油與空氣的相對運動速度是起主要作用的因素

?

油膜蒸發混合（完全氣相）起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對運動速度和油膜厚度。

柴油機的燃燒室預燃室半開式渦流室2023/2/1發動機原理68二、分隔式燃燒室渦流室燃燒室

?

渦流室容積約占整個燃燒室壓縮容積的50%-60%

?

通道的截面積約為活塞截面積的1%～3.5％

?

渦流室燃燒過程

預燃室燃燒室

?

預燃室容積約占整個燃燒室壓縮容積的35%-45%

?

通道的截面積約為活塞截面積的0.3%-0.6％

?

預燃室燃燒過程2023/2/1發動機原理69分隔式燃燒室柴油機的性能持點

靠強烈的空氣運動來保證混合氣質量，空氣利用率較高。空氣運動隨轉速提高而增大，高速適應性能好。噴射系統的要求較低，工作可靠性和使用壽命高。燃燒室結構較為復雜，面容比大。熱效率低，經濟性差。冷起動性也較差。工作較為平穩，燃燒噪聲較小。預燃室燃燒室與渦流室燃燒室柴油機相比，上述特點一般表現得更為突出。一般對燃油不太敏感，有較強的適應性。在有害排放方面的突出問題是低負荷下的碳煙排放量較大，其余則優于直噴式燃燒室柴油機。

2023/2/1發動機原理70三、直噴式燃燒室－開式燃燒室凹坑較淺，凹坑口徑與活塞直徑之比一般大于0.7。主要依靠燃油的噴散霧化，因此要求高的噴射壓力和較多噴孔數目。混合氣形成方式為空間霧化，一般不組織空氣運動，空氣利用率相對較低（1.5-2.2)開式燃燒室一般適用于缸徑較大（≥140mm），轉速較低（≤2000r/min）的柴油機中。2023/2/1發動機原理71三、直噴式燃燒室－半開式燃燒室活塞頂部有較深的凹坑，有ω形和平底的深坑形，凹坑口徑與活塞直徑之比一般約在0.35～0.7之間。混合氣形成依靠燃油的噴散霧化和空氣運動兩方面的作用。運用較高的壓力噴射，配合以進氣渦流為主，擠壓渦流為輔的空氣運動。半開式燃燒室一般適用于缸徑80～140mm，轉速低于4500r／min的柴油機中。2023/2/1發動機原理72直噴式燃燒室柴油機的性能持點

由于燃燒迅速，故經濟性好，有效燃油消耗率低。

燃燒室結構簡單，面容比小，散熱損失小，也沒有主、副室之間的流動損失，也是經濟性好的重要原因。

對噴射系統的要求較高，影響工作可靠性和使用壽命。冷起動性能較好。工作較粗暴，壓力升高率大，燃燒噪聲大。對轉速的變化較為敏感，較難兼顧高速和低速工況的性能，適用轉速較分隔式燃燒室柴油機低。

2023/2/1發動機原理73四、不同燃燒室的比較與選用

2023/2/1發動機原理74四、不同燃燒室的比較與選用

2023/2/1發動機原理75四、不同燃燒室的比較與選用

2023/2/1發動機原理76四、不同燃燒室的比較與選用對于碳煙的排放量，開式燃燒室最低，半開式燃燒室次之，而分隔式燃燒室最高；半開式燃燒室的HC的排放量最高，特別在較低負荷工況下，其中的液態成分部分使其微粒的排放量也較高；直噴式燃燒室較分隔式燃燒室NOx的排放量明顯要高，特別在較高負荷工況下。在有害排放和噪聲的控制方面，分隔式燃燒室主要應控制碳煙的排放量，特別在較低負荷工況下；而直噴式燃燒室主要應解決好控制碳煙和NOx之間的矛盾，降低燃燒噪聲和控制部分負荷工況下HC的排放量。

2023/2/1發動機原理77四、不