第二节  汽油机混合气的形成与燃烧
一．汽油机混合气的形成
1.化油器式汽油机混合气的形成
汽油机的不同工况，对混合气成分的要求也不同。化油器式汽油机的可燃混合气，是在气缸外部由化油器形成的，并通过节气门开度不同控制混合气的量，从而实现混合气的量调节。
1）发动机不同工况对混合气的要求
理想的化油器，能够在满足最佳性能要求的前提下，使混合气成分随负荷（或混合气量）的变化而变化，如图3－1所示。
2）化油器的工作原理
为满足发动机不同工况对混合气的
要求，化油器设有主供油装置、怠速供
油装置、加速供油装置、加浓供油装置
和起动供油装置等。
2．电子控制燃油喷射汽油机混合气
的形成
电子控制的汽油喷射系统，以发动机转速和空气量为依据，由ECU 接受来自各个传感器的信号，如：进气量、曲轴转角、发动机转速、加速减速、冷却水温度、过气温度、节气门开度及排气中氧含量等，经处理后，将控制信号送到喷油器，通过控制喷油器开闭时间的长短，控制供油量，使达到最佳空燃比，以适应发动机运行工况的要求。常用的多点燃油喷射系统示意图如图3－6所示。
二．汽油机正常燃烧过程
当汽油机压缩行程接近终了时，由火花塞跳火形成火焰中心，点燃可燃混合气，火焰以一定速度传播到整个燃烧室，燃烧混合气。
1. 正常燃烧进行情况
在混合气的燃烧过程中，火焰的传播速度
及火焰前锋的形状均没有急剧变化，这种燃烧
现象称为正常燃烧。
根据高速摄影摄取的燃烧图，或激光吸收
光谱仪来分析燃烧过程。如图3－7所示，为汽油机燃烧过程的展开示功图，它以发动机曲轴转角为横坐标，气缸内气体压力为纵坐标。图中虚线表示只压缩不点火的压缩线。燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为着火延迟期、明显燃烧期和补燃期三个阶段，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。
1）着火延迟期
从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止的这段时间，称为着火延迟期。如图3－7中I 阶段所示。从火花塞跳火开始到上止点的曲轴转角，称为点火提前角，用θig 表示。
因为混合气氧化反应需要一定时间，火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心。火花塞放电时，两极电压在 15000V 以上时，混合气局部温度可达2000℃，加快了混合气的氧化反应速度。这种反应达到一定程度（所需要时间约占整个燃烧时间的15％左右时），出现发光区，形成火焰中心，此阶段气缸内压力无明显升高，对汽油机燃烧过程的影响不大。
着火延迟期的长短，与燃料本身的分子结构和物理化学性质、过量空气系数（Фat=0.8～0.9时最短）、开始点火时气缸内温度和压力（取决于压缩比）、残余废气量、气缸内混合气的运动、火花能量大小等因素有关。
2）明显燃烧期
从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止这段时间，称为明显燃烧期，如图3－7中第Ⅱ阶段所示。
当火焰中心形成后，火焰前锋以20～30m ／s 的速度，从火焰中心开始逐层向四周的未燃混合气传播，直到连续不断扫过整个燃烧室。混合气的绝大部分（约80％以上）在此期间内燃烧完毕，压力、温度迅速升高，缸内最高压力约为3~5MPa 。图3－8为正常燃烧时火焰前锋的瞬时位置。
最高压力出现的时刻，对发动机功率、燃油消耗有很大影响。实践证明，最高压力出现在上止点后12 O ～15O 曲轴转角时，示功图面积最大，循环功最多，对应的点火提取前角为最佳点火提前角。最高压力出现过早，混合气点火早，使压缩功增加，热效率下降；过迟使燃烧产物的膨胀比减小，燃烧在较大容积下进行，散热损失增加，热效率也下降。可以通过调整点火提前角，使最高燃烧压力出现在适宜的位置。
常用压力升高率λp 表示汽油机工作粗暴的程度，压力升高率的表达公式为
θ
λ∆∆=p p                        （3－1） 式中    Δp ——明显燃烧期始点和终点的气体压力差（KPa ）；    Δθ——明显燃烧期始点和终点，相对于上止点的曲轴转角差（O  ）。
压力升高率表征燃烧过程中，压力的变化程度。明显燃烧期压力上升急剧，λp 较大。 若λp 过大，会导致发动机的振动和噪声加大，工作粗暴，排气污染严重。
3）补燃期
从出现最高压力开始，到燃料基本燃烧完为止，这一段时间称为补燃期。这一阶段主要是明显燃烧期内火焰前锋扫过的区域，部分未燃尽的燃料、吸附在缸壁上的混合气层和部分高温分解产物等，燃烧继续燃烧、放热。
由于活塞下行，压力降低，使补燃期内燃烧放出的热量不能有效地转变为功，使排气温度升高，热效率下降，影响发动机动力性和经济性，应尽量缩短补燃期。
三．汽油机的不正常燃烧
由于多种因素的影响，使发动机出现不正常燃烧，导致发动机热效率降低，功率下降，排放污染严重，发动机过热。同时，使发动机零件磨损严重、振动及噪声增大，寿命降低。发动机的不正常燃烧主要是爆燃和热面点火（表面点火）。
1．爆燃
汽油机燃烧过程中，火焰前锋以正常的传播速度向前推进，使得火焰前方未燃的混合气（末端混合气）受到已燃混合气强烈的压缩和热幅射作用，加速其先期反应，并放出部分热量，使其本身的温度不断升高，以致于在正常的火焰到达之前，末端混合气内部最适宜着火的部位，已出现一个或多个火焰中心，这种现象称为爆燃。
1）爆燃的形成
发生爆燃时，火焰前锋面推进速度，远远高于正常燃烧的火焰传播速度。轻微爆燃时，火焰传播速度约为100～300m ／s ；强烈爆燃时，火焰传播速度可高达800～2000m ／s 。它使未燃混合气体瞬时燃烧完毕，局部温度、压力猛烈增加，形成强烈的压力冲击波。冲击波以超音速传播，撞击燃烧室壁，发出频率达3000～5000Hz 的尖锐的金属敲击声。试验表明，发动机总充量中，只要有大于5％的部分进行自燃时，就足以引起剧烈爆燃。
如图3－9所示，爆燃比正常燃烧时的压力升高，有时可达65MPa 。压力波动很大，又。忽大忽小，破坏了正常燃烧示功图，使发动机功率下降，零件受冲击载荷增加，使用寿命下降。
2）爆燃的危害
发生爆燃时，汽油机将出现敲缸声。轻微爆燃时，功率略有增加，但强烈的爆燃，使汽油机功率下降，工作变得不稳定，发动机振动较大。由于爆燃的冲击波破坏了燃烧室壁面的油膜和气膜，使传热增加，发动机过热。
3）减少爆燃的措施
（1）使用抗爆性高的燃料当辛烷值增加时着火延迟期也增加，抗爆性好。添加抗爆剂可提高汽油的抗
爆性。
（2）降低末端混合气温度和压力降低冷却液温度、进气温度，使用浓混合气，推迟点火时刻，降低压缩比，及时清除燃烧室积炭，合理设计燃烧室，缩短火焰传播距离等。
（3）降低负荷、提高转速降低负荷、提高转速可以适当减小爆燃倾向。降低负荷能使上一循环的残余废气量相应增多，废气对混合气的自燃有阻碍作用；提高转速可以使混合气的扰流强度提高，火焰传播速度加快，不易产生爆燃。
总之，汽油机在降低压缩比、关小节气门或提高转速时，都不易产生爆燃。推迟点火时刻、提高汽油的辛烷值，也是减少爆燃倾向的有效措施。
2．热面点火
混合气燃烧时，不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面（如过热的火花塞绝缘体和电极、排气门、炽热的积炭等）点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为热面点火。
根据被炽热表面点火的火焰是否始终以正常速度进行传播，热面点火可分为非爆燃性热
面点火和爆燃性热面点火。
1）非爆燃性热面点火
非爆燃性热面点火，大多是发动机长时间高负荷运行，致使火花塞绝缘体、电极或排气门温度过高而引起。如果热面点火发生在正常点火时刻之前，称为早火；发生在正常点火时刻之后，称为后火。非爆燃性热面点火示功图如图3－10所示。
（1）早火（早燃）高温炽热表面在火花塞跳火前点燃混合气的现象，称为早火。发生
早火时，炽热表面温度较高。由于混合气在进
气和压缩行程中，长期受到炽热表面加热，点燃的区域比较大，一经着火，势必使火焰传播速度较高，压力升高过大。常使最高压力点出现在上止点之前，压缩功过大，发动机运转不平稳并发生沉闷的敲击声。同时，早燃的发生使散热损失增加，传给冷却水的热量增多，容易使发动机过热，有效功率下降。甚至在压缩过程末期的高温、高压下，会引起机件损坏。
（2）后火火花塞跳火点燃混合气后，在火焰传播过程中，由于炽热表面使火焰前锋未扫过区域的混合气被点燃，但形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气区推进，称为后火。这种现象可在发动机断火后，发现发动机仍像有电火花点火一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。
2）爆燃性热面点火（激爆）
激爆是一种热面点火现象，它是由燃烧室沉积物引起的爆燃性热面点火，是一种危害最大的热面点火现象。
发动机低速、低负荷（水平路上，汽车行驶速度低于20km／h）运转时，燃烧室表面极易形成热性很差的沉积物。它使高压缩比汽油机的表面温度更高。此外，沉积物颗粒被高温火焰包围，使其急剧氧化而白炽化，将混合气点燃。在发动机加速时，气流吹起已着火的碳粒，使混合气产生多火点燃的着火现象，致使混合气剧烈燃烧，压力升高率和最高燃烧压力急剧增加。
3）防止热面点火的措施
（1）选用低沸点的汽油和含胶质较少的润滑油。
（2）降低压缩比。
汽车燃烧
（3）避免长时间低负荷运行和频繁加速减速行驶。
（4）在燃料中加入抑制热面点火的添加剂等。
由以上分析可知，爆燃和热面点火均属不正常燃烧现象，但两者是完全不同的。爆燃是火花塞跳火后、末端混合气的自然现象；热面点火是火花塞跳火以前或之后，由炽热表面或沉积物点燃混合气所致。爆燃时火焰以冲击波的速度传播，有尖锐的敲击声；热面点火时敲缸声比较沉闷。
严重的爆燃增加向缸壁的传热，促使燃烧室内炽热点的形成，导致热面点火；早燃会使压力升高率和最高压力增加，热幅射增大，又促使爆燃的发生。
第二节柴油机混合气的形成与燃烧
一. 柴油机混合气的形成
1．混合气形成特点
柴油粘度大，不易挥发，必须喷油泵提高压力，根据发动机各缸工作顺序，在接近压缩行程终了时，由喷油器以一定压力、定时、定量将柴油喷入气缸，与高温高压的流动空气混合，形成可染混合气，自行着火燃烧。
柴油机混合气的形成时间极短，直接喷入气缸的燃油很难与空气进行良好混合，形成的混合气不均匀。其突出特点是边喷油、边雾化、边混合、边燃烧，喷油与燃烧重叠进行，而混合气的品质还与燃烧室结构及气缸中的空气运动有密切关系。因此，柴油机混合气形成和燃烧过程极为复杂。
2．混合气形成方式
根据柴油机燃烧室结构的不同，混合气的形成方式可分为空间雾化和油膜蒸发两种。