发动机原理电子教案－第五章.docx

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第五章汽油机混合气形成与燃烧

了解：

汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。

理解：

影响燃烧的因素和措施。

掌握：

汽油机混合气的形成，汽油机正常燃烧过程，爆燃和表面点火。

燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分，而燃烧时机又关系到热量的利用程度。

所以燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、振动、启动性能和使用寿命也有重大关系。

燃烧的基本要求：

完全、及时、正常、排污小。

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第一节汽油机的正常燃烧

一、着火落后期

从火花塞跳火到火焰中心形成。

火花塞跳火后并不能马上形成火焰中心，因为混合气

氧化需要一定的时间。

释放的热量不多，汽缸内压力升高不大，压力线与纯压缩线基本重合。

从火花塞跳火到活塞行至上止点时的曲轴转角，称为点火提前角，用θ表示。

一般为20--350CA。

二、明显燃烧期

从火焰中心形成到缸内最高压力。

火焰以20-30m/s速度近似球面向外逐层传播。

火焰传播速u：

火焰前锋的法向移动速度。

明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期，绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以汽缸内的压力、温度迅速升高，压力达到最大值；混合气燃烧约



汽油机燃烧

P—θ图

90%，放出了大部分的热量。

最高压力出现的时机（上止点后12-150）和大小对发

动机的性能影响很大。

最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损失增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀功减少。

压力升高率：

即曲轴每转1度时，缸内气体压力的平均升高量：

λP=△P/△θ

ΔP=（P3-P2）

Δθ=（θ3-θ2）

三、后燃期

从缸内压力最高到燃料燃烧结束。

指明显燃烧期以后的燃烧，主要由火焰前锋面未及燃

烧的燃料再燃烧，以及部分燃烧及高温分解的燃烧产物重新氧化。

这种燃烧是在膨胀中远离上止点放热，使热能不能充分利用，ηt下降，且排气温度升高，发动机过热。

希望后燃期尽可能短，放热量尽可能少。

小结：

为提高发动机的动力性、经济性，希望火焰传播速度

u高，最高压力大，但λP大，工作粗暴。

所以要在工作柔和的条件下，尽可能地控制火焰传播速度和最高压力。

第二节 汽油机的不正常燃烧

一、爆震燃烧（爆燃）

（一）爆燃产生

末端混合气自燃，形成新的火焰中心；

新的火焰速度很大（1000m/s），缸内局部压力、温度急剧升高，形成冲击波；

冲击波撞击缸壁、活塞顶等，发出尖锐的敲击声。

（二）爆燃危害

1．机件过载



解释

化油器回火排气管放炮

燃烧室燃爆产生图

爆燃冲击波图

冲击负荷大，机件变形损坏。

2、机件烧损

冲击波破坏燃烧室内附面层，局部高温

3、润滑变差（发动机过热），积炭增多（高温裂解），

使磨损加剧。

4、Ne↓、ge↑

（三）影响爆燃的因素及减轻措施

有使用因素、结构因素等。

从成因上分析：

t1-火焰正常传播时间，即从火焰中心形成起到火焰前

锋传到末端混合气为止。

t2-末端混合气自行发火的准备时间，即从火焰中心形成起到末端混合气自行着火。

t1t2爆燃

使t1减小因素：

①提高火焰传播速度（转速增加，涡流增强）

②缩短火焰传播距离（燃烧室结构、火花塞位置）使t2增大因素：

①降低水温和进气温度

②降低末温

③降低压缩比

④推迟点火

⑤增多残余废气二、热面点火

（一）产生

由燃烧室内炽热表面（如过热的火花塞电极、排气门、积碳）点燃混合气的现象。

凡是不依靠火花塞点火。

1、非爆燃性热面点火

热面点火后火焰以正常速度传播。

早火（早燃）：

发生在火花塞跳火之前后火（后燃）：

发生在火花塞跳火之后断火后发动机续转就是热面点火现象。

2、爆燃性热面点火

热面点火后火焰以爆燃速度传播。

压力升高率高5倍，最高压力高150%

（二）危害：

1、早火使压缩负功增大，Ne↓。

2、热负荷增大。

3、爆燃性热面点火，加速机件损坏。

（三）影响热面点火的因素及预防措施

凡是能使缸内的T、P降低的因素，都可预防热面点火。

①选用低沸点汽油和含胶质少的机油。

②在燃料中加抑制热面点火的添加剂。

③适当降低压缩比。

④选用合格的火花塞、排气门。

小结：

热面点火与爆燃的比较：

爆燃 热面点火

末端混合气自燃 炽热表面点燃

火花塞跳火之后 火花塞跳火之前、后有压力冲击波 无压力冲击波

敲击声较清脆 敲击声较沉闷二者又相互联系，相互促进。

第三节 影响燃烧过程的因素

一、汽油性能

1、蒸发性

蒸发性强，混合燃速快，燃烧完全。

蒸发性过强，产生“气阻”。

2、抗爆性

辛烷值高，抗爆性好。

汽油是异辛烷（抗爆性为100）和正辛烷（抗爆性为

0）的混合物。

加抗爆剂四乙铅，可提高汽油抗爆性。

二、使用因素

1、混合气浓度

1）α=0.85-0.95——功率混合气火焰传播速度最快,Ne最大；燃烧室温度高，t2↓爆燃↑；

空气不足，燃烧不完全，ge↑。

2）α＜0.85过浓混合气

Ne↓ge↑↑

未燃烧产物随废气排入排气管，在排气管口燃烧，使排气管“放炮”。

3）α=1.05-1.15——经济混合气。

空气适量，燃烧完全，ge最低；燃速慢，Ne↓。

4）α＞1.15过稀混合气Ne↓↓，ge↑；

可持续到排气门关闭,进气门打开时,引起化油器“回火”

。

燃料调整特性：

Ne和ge随混合气浓度的变化关系。

2、点火提前角θ

θ过大时

缸内温度、压力的升高大，t2↓爆燃↑；压缩功增大，Ne↓ge↑。

θ过小时

燃烧推迟，最高压力降低，Ne↓爆燃↓；

同时燃烧在膨胀过程中进行，后燃量增大，使发动机过热，ge↑；

最佳点火提前角：

发动机负荷、转速一定时，对应最

大的功率和最低的燃油消耗率的点火提前角。

点火调整特性：

发动机转速和节气门开度一定，Ne与

ge随点火提前角的变化关系。

3.发动机转速n

n↑

油、气的混合得到改善；

燃烧所占曲轴转角加大，着火落后期增长—离心式点火自动提前装置；

火焰传播速度加快，t1↓爆燃↓；

ηv↓,残余废气系数↑,末端混合气的焰前反应

↓,t2↑,爆燃↓

4、发动机负荷负荷↓

废气相对多，滞燃期↑—点火提前。

废气相对多，t2↑爆燃↓

缸内压力温度低,t2↑爆燃↓

5、水温水温过高

爆燃↑热面点火↑；充气密度↓ηv↓。

水温过低

热损失增大，Ne↓、ge↑；

机油粘度增大，机械损失增大；

缸内酸性物质增多，汽缸腐蚀增大；混合不好，燃烧不完全，排污增大。

6、积炭

积炭↑燃烧室↓爆燃↑炽热点火↑三、构造因素

1、压缩比ε

ε↑ηv↑Ne↑ge↓；

温度高，爆燃↑，热面点火↑

提高ε，使Ne↑、ge↓，但受到爆燃的限制，要防止

爆燃。

2、汽缸直径

缸径↑面容比↓传热损失↓火焰传播的距离↑t1↑爆燃↑

3、汽缸盖和活塞的材料铝合金



容积分布影响图

导热性好，铝制汽缸盖的表面温度低，热负荷小，t2↑爆燃↓，许用的压缩比ε升高。

4、冷却方式水冷

比风冷的冷却效果好，t2↑爆燃↓，许用的压缩比高。

5、燃烧室

对燃烧室的要求

（1）结构紧凑

面容比小（烧室表面积与容积之比）火焰传播距离短，爆燃↓

散热面积小，ηt↑激冷区小，HC↓

（2）火花塞位置适当

适中—火焰传播距离短t1↓爆燃↓靠排气门—t2↑爆燃↓

靠进气门—着火稳定

（3）容积分布合理

有适宜的放热规律（即每度曲轴转角的放热量dQ1/dφ,

随曲轴转角而变化的规律）。

燃烧初期压力升高率小，工作柔和；燃烧中期急剧放热，ηt↑

（4）有利提高充气系数

进气口直径大、弯少光滑

（5）加强涡流运动进气涡流

利用进气口和进气道的形状（切线和螺旋线）形成的

涡流。

挤气涡流

利用活塞顶部和缸盖底部狭小间隙在压缩时挤进的涡

流。

（6）降低末温小结：

影响因素有构造因素、有使用因素，重点掌握使用因

素。

明确点火、浓度、转速、负荷对燃烧的影响；清楚汽车在满载大负荷时易出现爆燃的原因（发动机在低速、大负荷）。

因此在使用中，调整点火提前角应在低速、大负荷

工况下进行。

第四节汽油机的排放污染与控制

随着汽车工业的发展，汽车排气污染越来越受到人们的重视。

特别是汽车作为城市流动污染源和低排放污染源所带来的危害更大。

各国都制定了严格的控制法规，其中以美国加利福尼亚的排放法规为最早和最为严格。

我国从

1979年起开始制定排放标准。

发动机排除的主要污染物质有：

CO,HC,NOx（主要是NO和NO2）。

另外还有少量的微粒（硫化物、铅化物和碳烟）。

一、污染物质的形成和危害

1、CO

氧气不足不完全燃烧的产物。

煤气中毒。

62年日本大板发生交警CO中毒事件。

2、HC

废气未燃烧产物60%，燃烧室激冷作用而断火。

曲轴箱窜气20%。

油箱与化油器蒸发排放20%。

西德调查2000例肺癌，80%为交警和修理工。

3、NOx

N与O的高温结合。

燃烧时产生的Nox的数量决定于燃烧的最高温度、高

温持续时间以及氧气的浓度。

O2＝＝＝2OO+N2＝＝＝NO+NN+O2＝＝＝NO+O

易与水结合成硝酸（酸雨），直接损害人体各器官。

在

太阳照射下形成光化学烟雾，43年美国洛杉矶光化学烟雾

400人死亡

70年日本东京发生光化学烟雾，中毒1万人。

4、微粒

铅微粒、炭烟等。

二、影响排放污染的因素

1、混合气浓度

m＜15氧气不足CO↑HC↑NOx↓

m=16空气适量CO最少HC最少NOx最多（温度较高，

N与O数量多，结合机会多）

m＞17过稀HC↑NOx↓

2、点火

过早，温度高，NOx↑

3、负荷

怠速CO最多

北京二环建九个立交桥取消红绿灯CO减少50%。

中负荷CO最少HC↓NOx↑（温度较高的时间较长）。

大负荷Nox最多CO↑。

4、发动机转速n

n↑涡流强，改善混合和燃烧CO↓HC↓提高怠速，CO↓

急减速HC↑

汽油车在怠速及减速时排出的HC最多，是柴油车HC

排放的4倍。

加速NOx↑

5、发动机热状况

温度高HC↓NOx↑

温度低HC↑CO↑NOx↓三、减少排气污染的措施

汽油车所排出的污染物质的来源及大致比例：

排气管排出：

CO98-99%

60%

Nox98-99%

曲轴箱漏气：

HC25%

CO、Nox 1-2%

化油器和油箱内燃油蒸发：

HC20%

1、制定法规

美国加洲是世界上制定最早最严格法规，60年开始，

80年强化。

日本66年开始，78年汽强化。

欧洲70年代后开始。

我国79年开始（只有汽油车怠速CO HC排放法规），

93年强化。

2、变革发动机的结构（机内净化）

（1）、适当降低ε

ε↓燃烧最高温度↓NOx↓

但动力性、经济性均下降。

（2）改进燃烧室的形状，降低面容比。

面容比↓散热面积↓激冷效应↓HC↓

（3）适当推迟点火时刻。

点火推迟，燃烧温度下降，Nox↓。

使得燃烧多在膨胀中完成，使排气温度升高，HC进一步燃烧，HC↓。

但散热损失增加，使经济性、动力性都下降。

3、安装控制装置

（1）废气催化装置

催化净化分为催化氧化和催化还原，成本较高。

（2）空气反应装置

安装在排气道出口处，二次喷入空气。

（3）炭罐蒸发排放控制

（4）废气再循环—EGR

这是降低Nox的有效方法。

（5）曲轴箱强制通风。

4、变换发动机燃料

（1）使用无铅汽油

（2）使用污染较轻的燃料

天然气、甲醇、乙醇。

（3）使用无污染的燃料

H2、太阳能、电能

5、研究新型发动机

（1）汽油喷射发动机、

（2）分层稀薄燃烧发动机

由于混合气浓度下降，燃烧最高温度下降，使

Nox↓。

也使燃油燃烧充分，HC↓、CO↓。