第七章 汽油機(jī)混合氣的形成與燃燒

第一節(jié)化油器的工作原理

第二節(jié)汽油機(jī)的燃燒過程

第七章汽油機(jī)混合氣的形成與燃燒第一節(jié)化油器的工作原理一、可燃混合氣的成分1kg汽油在理論上完全燃燒約需15kg空氣，此時(shí)過量空氣系數(shù)α為１，但在發(fā)動(dòng)機(jī)中，因混合氣不能達(dá)到理想的均勻，要使1kg汽油完全燃燒必須要有17～18kg空氣，此時(shí)過量空氣系數(shù)α為1.13-1.2，多余的空氣增加了燃料完全燃燒的程度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高，但使混合氣的含熱量降低并減慢了燃燒速度，也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。為使發(fā)動(dòng)機(jī)得到最大功率，必須增加混合氣中汽油的含量，當(dāng)過量空氣系數(shù)α為0.867時(shí)，燃燒速度最大，可此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性差。所以，混合氣的成分影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)按照發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況來確定所用的成分。圖７-１化油器式內(nèi)燃機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

１—主量孔２—浮子室３—燃油噴管４—喉管５—節(jié)氣門二、簡單化油器特性與理想化油器特性１.簡單化油器特性圖７-2簡單化油器

１—節(jié)氣門２—主量孔３—浮子室４—進(jìn)油閥門

５—浮子６—浮子室通氣孔７—喉管８—主噴口一、正常燃燒過程：汽油機(jī)正常燃燒過程是由定時(shí)的火花點(diǎn)火開始，且火焰前鋒以一定的正常速度傳遍整個(gè)燃燒室的過程。第二節(jié)汽油機(jī)的燃燒過程(一)正常燃燒過程進(jìn)行情況將燃燒過程分為三個(gè)階段：著火落后期、明顯燃燒期和補(bǔ)燃期。1、著火落后期

從火花塞點(diǎn)火到火焰核心形成的階段。

為了提高效率，希望盡量縮短著火落后期。為了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，希望著火落后期保持穩(wěn)定。在壓縮過程中，混合氣的、，使這一部分燃料與空氣中的氧氣接觸，開始了氧化過程，但很緩慢。由于，且汽油本身有較高的熱穩(wěn)定性，在壓縮終了，氣缸內(nèi)、不能使混合氣自燃。在火花塞點(diǎn)火后，由于電火花的高能量，使火花發(fā)生處的混合氣溫度迅速升高，氧化加劇。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)展，放出熱量增加，這些熱量一部分使反應(yīng)氣體本身，另一部分傳給附近混合氣，也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)的混合氣溫度升高到一定程度后，形成發(fā)火區(qū)——火焰中心。從氣缸內(nèi)混合氣總體來說，此時(shí)發(fā)熱總量不多，氣缸中壓力的變化規(guī)律基本上與壓縮過程相同。著火落后期是混合氣燃燒的準(zhǔn)備時(shí)期，其延遲長短，與混合氣的性能（、燃料品質(zhì)）及壓縮終了的壓力、溫度有關(guān)——主要決定于壓縮比大小。2、明顯燃燒期指火焰由火焰中心燒遍整個(gè)燃燒室的階段，因此也可稱為火焰?zhèn)鞑ルA段。在示功圖上指氣缸壓力線脫離壓縮線開始急劇上升（圖中2點(diǎn)）到壓力達(dá)到最高點(diǎn)(圖中3點(diǎn))止。

燃燒的主要時(shí)期。明顯燃燒期的火焰?zhèn)鞑?/p>

在均值混合氣中，當(dāng)火焰中心形成之后，火焰向四周傳播，形成一個(gè)近似球面的火焰層，即火焰前鋒，從火焰中心開始層層向四周未燃混合氣傳播，直到連續(xù)不斷的火焰前鋒掃過整個(gè)燃燒室。

補(bǔ)燃期中，混合氣燃燒速度開始降低，加上活塞向下止點(diǎn)加速移動(dòng)，使氣缸中壓力從點(diǎn)3開始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前鋒后面沒有完全燃燒掉的燃料，以及附在氣缸壁面上的混合氣層繼續(xù)燃燒。

為了保證高的循環(huán)熱效率和循環(huán)功，應(yīng)使補(bǔ)燃期盡可能短。

3、補(bǔ)燃期

從最高壓力點(diǎn)開始到燃料基本燃燒為止稱為補(bǔ)燃期。

補(bǔ)燃是膨脹行程中、后期進(jìn)行，利用率低。因此，應(yīng)盡可能減小補(bǔ)燃量，若補(bǔ)燃量大，有的甚至延續(xù)到整個(gè)排氣行程中，以致廢氣在下一循環(huán)的進(jìn)氣過程開始時(shí)竄入進(jìn)氣管及化油器，引燃新鮮混合氣（化油器回火）。綜述：上述燃燒過程的三個(gè)時(shí)期中，都具有放熱效應(yīng)，不過延遲期和補(bǔ)燃期放出的熱量都很少，對(duì)循環(huán)效率影響極小，燃料的熱量主要是在明顯燃燒期內(nèi)放出的，因此，明顯燃燒期的長短及其所對(duì)應(yīng)的活塞位置，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是有決定性的影響的。

從提高熱效率角度，希望燃燒時(shí)間越短越好，要縮短明顯燃燒期，就要提高混合氣的燃燒速率，使氣體、出現(xiàn)在接近上止點(diǎn)位置，熱量獲較充分的利用，減少補(bǔ)燃，從而提高和，若燃燒速率越快，單位時(shí)間內(nèi)放出熱量就越多，氣缸內(nèi)壓力升高越快，顯然發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力就大。但另一方面，燃燒速率過快，將帶來發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴和噪音，使運(yùn)動(dòng)件受沖擊性負(fù)荷，加速磨損，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短。這樣，從提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率與防止噪音和工作粗暴兩方面是矛盾的，應(yīng)在工作柔和的條件下，盡可能提高燃燒速率。衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴性指標(biāo)是明顯燃燒期內(nèi)的壓力升高率（），汽油機(jī)若在明顯燃燒期內(nèi)=1.75～2.5（度：曲軸轉(zhuǎn)角），而在上止點(diǎn)后10～15°（曲軸轉(zhuǎn)角）時(shí)，動(dòng)力性好，且工作柔和?！c(diǎn)火提前角，它決定了點(diǎn)。一般上止點(diǎn)前=15～30°，太大或太小均不利，有利的也是不斷變化，結(jié)構(gòu)上用真空、離心點(diǎn)火調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。（二）燃燒速度(率)火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃閷恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ァ?.層流火焰燃燒速率層流火焰圖6-2層流火焰

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的要求。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的火焰?zhèn)鞑ナ且酝牧骰鹧娣绞竭M(jìn)行的。燃燒速度(率)是指單位時(shí)間燃燒的混合氣量，可以表達(dá)為未燃混合氣密度火焰前鋒面積火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

2.湍流火焰燃燒速率

湍流是指由流體質(zhì)點(diǎn)組成的微元?dú)怏w所進(jìn)行的無規(guī)則的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這些由氣體質(zhì)點(diǎn)所組成的小氣團(tuán)大小不一，流動(dòng)的速度、方向也不相同，但宏觀流動(dòng)方向則是一致的。這種湍流運(yùn)動(dòng)使火焰前鋒表面出現(xiàn)皺折，強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)使火焰前鋒面嚴(yán)重扭曲，甚至分隔成許多燃燒中心，導(dǎo)致火焰前鋒燃燒區(qū)的厚度增加。湍流運(yùn)動(dòng)使火焰前鋒表面積明顯增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁Ｍ牧鲝?qiáng)烈湍流較弱湍流火焰湍流火焰燃燒速率未燃混合氣密度火焰前鋒面積火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣呋旌蠚獾耐牧鞒潭仁歉纳破蜋C(jī)燃燒的有效手段。二、汽油機(jī)的不規(guī)則燃燒汽油機(jī)的不規(guī)則燃燒是指在穩(wěn)定正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，循環(huán)變動(dòng)和各缸工作不均勻。

（一）循環(huán)變動(dòng)指發(fā)動(dòng)機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線、火焰?zhèn)鞑デ闆r及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同

。這種循環(huán)間的燃燒變動(dòng)使汽油機(jī)空燃比和點(diǎn)火提前角調(diào)整對(duì)每一循環(huán)都不可能處于最佳狀態(tài)，因而油耗上升，功率下降，不正常燃燒傾向增加，使汽油機(jī)性能下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：

1）混合氣成分波動(dòng)；

2）氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波動(dòng)。下列因素或措施影響或改善循環(huán)波動(dòng):：（1）過量空氣系數(shù)Φα=0.8-0.9時(shí)循環(huán)波動(dòng)最小，過濃或過稀都會(huì)使循環(huán)波動(dòng)加劇。（2）適當(dāng)提高氣流運(yùn)動(dòng)速度和湍流程度可改善混合氣的均勻性，進(jìn)而改善循環(huán)波動(dòng)。（3）殘余廢氣系數(shù)過大，則循環(huán)波動(dòng)加劇。（4）發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速時(shí)，循環(huán)波動(dòng)加劇。（5）多點(diǎn)點(diǎn)火有利于減少循環(huán)波動(dòng)。（6）提高點(diǎn)火能量、優(yōu)化放電方式、采用大的火花塞間隙,有助于減小循環(huán)波動(dòng)。

（二）各缸之間的燃燒差異各缸間燃燒差異稱為各缸工作不均勻。

各缸之間的燃燒差異主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。

影響混合氣分配不均勻的因素很多，總的來說，與進(jìn)氣系統(tǒng)所有零件的設(shè)計(jì)和安裝位置都有關(guān)系，任何不對(duì)稱和流動(dòng)阻力不同的情況都會(huì)破壞均勻分配，其中影響最大的是進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)。三、汽油機(jī)的不正常燃燒（爆燃與表面點(diǎn)火）（一）爆震燃燒（是汽油機(jī)主要問題）在火花點(diǎn)火后，火焰開始傳播，在傳播過程中，火焰面前未燃混合氣受已燃混合氣的壓縮和輻射作用而、升高，加速了化學(xué)反應(yīng)（焰前反應(yīng)）。離火焰中心越遠(yuǎn)，焰前反應(yīng)越深，如果火焰及時(shí)傳播到引燃，屬正常燃燒。若在正?；鹧嫖磦鞯街埃慈蓟旌蠚獾幕瘜W(xué)準(zhǔn)備已經(jīng)完成，引起自燃，形成新的火焰中心，產(chǎn)生新的火焰?zhèn)鞑ィǚQ之為爆燃）爆燃的新的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哌_(dá)1500～2000。使未燃混合氣以極高的速度燃燒，燃燒迅速。這部分氣體容積來不及膨脹，、急劇上升，形成沖擊波，以超音速速度向前推進(jìn)。

外部特征：

尖銳金屬敲擊聲（清脆）。這種沖擊波撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、缸壁，使機(jī)體承受過度負(fù)荷。

a)正常燃燒b)爆燃發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高。（水溫升高，開鍋，潤滑油溫上升）燃燒室壁面、氣缸壁上層流層被沖擊波破壞，傳熱量，熱損失。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作被破壞，使，。

排氣冒黑煙。燃燒產(chǎn)物在高溫下熱分解，有CO、H2、O2、NO及游離碳。

發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，壽命。

因此，爆燃的發(fā)生，無論從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面來看，均是不利的。若：由火焰中心形成起到正常火焰燒到最后部分混合氣的時(shí)間為，由火焰中心形成起到最后部分混合氣自己發(fā)火的時(shí)間為。若<，不發(fā)生爆燃；>，發(fā)生爆燃現(xiàn)象。因此，凡是使增加和減小的因素，都會(huì)使爆燃傾向增加。影響爆燃的因素很多，主要有辛烷值、、燃燒室結(jié)構(gòu)、、、、負(fù)荷等。2、爆燃產(chǎn)生的原因

末端混合氣自燃

正常燃燒：有明顯的火焰前鋒，且逐層向外傳播，直至燃燒完畢。

爆燃：火焰前鋒未到，未燃混合氣的溫度達(dá)到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產(chǎn)生新的火焰?zhèn)鞑?。在較大面積上多點(diǎn)著火，局部區(qū)域的溫度壓力急劇增加。這種類似階躍的壓力變化，形成燃燒室內(nèi)往復(fù)傳播的激波，猛烈撞擊燃燒室壁面，使壁面產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出高頻振音(即敲缸聲)，產(chǎn)生爆燃。

3、影響爆燃的因素

（1）燃料性質(zhì)

辛烷值高的燃料，抗爆燃能力強(qiáng)。（2）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。（3）火焰前鋒傳播到末端混合氣的時(shí)間

提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，都會(huì)減少火焰前鋒傳播到末端混合氣的時(shí)間，有利于避免爆燃。（二）表面點(diǎn)火（亦稱熾熱燃燒）這也是不正常燃燒，不是由火花塞點(diǎn)火，而是由其它熱源（火花塞積碳、排氣門積碳、燃燒室積碳）或局部機(jī)件過熱而將混合氣點(diǎn)燃而引起的燃燒。

早火（早燃）：在火花塞點(diǎn)火之前產(chǎn)生的表面點(diǎn)火（常見）表面點(diǎn)火

后火：在火花塞點(diǎn)火之后產(chǎn)生的表面點(diǎn)火表面點(diǎn)火和正常燃燒是不一樣的，由于有積碳等熾熱點(diǎn)，混合氣在進(jìn)氣行程、壓縮行程就受到熾熱點(diǎn)加熱作用，所以產(chǎn)生表面點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)燃區(qū)域大，一經(jīng)著火火焰?zhèn)鞑ニ俣群芨?，壓力升高率大，伴有?qiáng)烈的敲缸聲（較沉悶），使機(jī)件負(fù)荷升高，降低，工作不穩(wěn)定及出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過熱現(xiàn)象。表面點(diǎn)火是在上世紀(jì)60年代，隨辛烷值提高，提高以后，出現(xiàn)的一種不正常燃燒。因提高（>9）、氣缸內(nèi)、升高，混合氣化學(xué)準(zhǔn)備充分，若局部有高溫易產(chǎn)生。另一方面，辛烷值高的汽油，如“芳香烴”

高，但易產(chǎn)生表面點(diǎn)火。一般在9以下時(shí)，表面點(diǎn)火發(fā)生較少。

表面點(diǎn)火（早燃）：熾熱點(diǎn)點(diǎn)燃，一般在點(diǎn)火前（Ⅰ期前）沉悶、無壓力波

爆燃：熱輻射與壓縮，自燃，在點(diǎn)火后（Ⅰ期后），聲音清脆，有壓力波三、影響汽油機(jī)燃燒過程的主要因素

為了使汽油機(jī)能穩(wěn)定地工作，要求燃燒過程應(yīng)有效地進(jìn)行而不產(chǎn)生爆燃等不正?，F(xiàn)象。必須從使用方面和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采取措施以促進(jìn)燃燒過程正常進(jìn)行。

（一）使用因素對(duì)燃燒過程的影響（、、、負(fù)荷）1、提前點(diǎn)火角

過早：燃料大部分在壓縮行程中燃燒，使有用功減少，下降，另外，末端混合氣在燃燒前的壓力和溫度較高，爆燃傾向大。過遲：燃燒第Ⅲ期長，使有用功減少，下降，但爆燃傾向降低。最佳的點(diǎn)火提前角：對(duì)應(yīng)于功率最大和燃油消耗率最小處的各發(fā)動(dòng)機(jī)的不一樣，可以經(jīng)過試驗(yàn)而得，大致在15～30°左右（上止點(diǎn)前）發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火調(diào)整特性：在一定，負(fù)荷一定條件下，改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的、變化關(guān)系。最佳隨著和負(fù)荷變化而變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)上有隨和負(fù)荷變化而改變的裝置（離心和真空點(diǎn)火提前調(diào)節(jié)裝置）。2、值（過量空氣系數(shù)）

=0.85～0.95時(shí)，燃燒速度最快，使得達(dá)最高，但此時(shí)最容易爆燃（因?yàn)?、），稱功率混合氣。當(dāng)值變濃或稀，有抑制爆燃作用，但濃一些混合氣使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗增加，用稀混合氣則功率有所降低。=1.05～1.15經(jīng)濟(jì)混合氣，低。3、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速高，活塞速度快，氣流流速快，氣缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，改善了空氣與燃料的混合，同時(shí)高，壓縮時(shí)間減少，散熱少，壓縮終了混合氣溫度提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?。另一方面，轉(zhuǎn)速高，殘余廢氣相對(duì)高，未燃混合氣焰前反應(yīng)減弱，故轉(zhuǎn)速高時(shí)不易爆燃。隨，；，。負(fù)荷減小，氣缸內(nèi)、下降，廢氣量相對(duì)提高，爆燃傾向減小。綜合轉(zhuǎn)速和負(fù)荷：在低速全負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)易發(fā)生爆燃。設(shè)計(jì)時(shí)，若在易爆區(qū)域故意使點(diǎn)火比此時(shí)最佳晚些，則可提高，這樣雖然在全負(fù)荷（全開節(jié)氣門）時(shí)，但在油門部分開時(shí)，會(huì)使。(因)4、負(fù)荷在某一轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與在這個(gè)轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率之比稱之為負(fù)荷。負(fù)荷減小（節(jié)氣門開度減?。瑲堄鄰U氣量占比例高，使得燃燒速度減慢，著火點(diǎn)后期增長。因此要加大（由真空調(diào)節(jié)裝置調(diào)整）。（二）構(gòu)造因素對(duì)汽油機(jī)燃燒過程的影響1、壓縮比（使用中也稍有改變），（前已證），但隨，壓縮終了混合氣、，使得爆燃傾向，故壓縮比受到一定限制。汽油機(jī)提高，主要取決于燃料辛烷值和燃燒室結(jié)構(gòu)（抗爆性），現(xiàn)由于辛烷值的提高和燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，小客車汽油機(jī)已達(dá)9以上，載重車一般在8－9左右。但提高到10以上，對(duì)提高和經(jīng)濟(jì)性收益不大。2、汽油機(jī)的燃燒室汽油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)，影響到火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、混合氣渦流強(qiáng)度、末端混合氣的冷卻效果等，對(duì)燃燒影響也很大。因此對(duì)汽油機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：結(jié)構(gòu)要緊湊①可以縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x利于提高、降低，②減少散熱損失又利于提高抗爆性適當(dāng)強(qiáng)度的混合氣渦流①渦流對(duì)加快混合氣燃燒速度有利，可提高功率和減少爆燃②強(qiáng)度適當(dāng)，太強(qiáng)會(huì)引起熱損失增大，甚至可能吹滅最初的火焰中心火花塞位置要合理①火花塞位置應(yīng)使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x盡量縮短，而且與燃燒室各點(diǎn)的距離盡量均勻一致②火花塞應(yīng)盡量靠近排氣門，因此處溫度高，易形成爆燃中心③火花塞電極應(yīng)能受到進(jìn)氣的冷卻（否則易形成熾熱點(diǎn)），電極附近燃燒產(chǎn)物應(yīng)得到清除（否則低速、低負(fù)荷時(shí)斷火）要有合理的冷卻在易爆燃的末端混合氣處和局部過熱區(qū)，注意適當(dāng)?shù)睦鋮s

①延遲末端混合氣