第五章 内燃机混合气的形成和燃烧
5．1内燃机缸内的气体流动
缸内气流运动对混合气形成和燃烧过程的影响，从而影响动力性、经济性、燃烧噪声、排放等。

一、涡流
在进气过程中形成的绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。

主要由进气道形状和发动机转速决定。

产生方法：1、带导气屏的进气门；2、切向气道；3、螺旋气道。

评价方法：气道稳流试验台；Ricardo 方法； 流量系数：定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量比0F Q C Av = 涡流强度：叶片风速仪或涡流动量计。

流体计算软件（CFD ）；激光测量方法。

二、滚流 在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。

作用：增强压缩末期的湍流强度和湍流动能。

是汽油机实现稀薄燃烧的重要手段，四气门蓬顶形燃烧室汽油机。

斜轴涡流：既有绕气缸轴线旋转的横向分量，也有绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量。

三、挤流
在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤流。

增强燃烧室内的湍流强度。

四 湍流
在气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流，是一种不定常气流运动。

分为：气流流过固体表面时产生的壁面湍流和同一流体不同流速层之间产生的自由湍流。

()()U t U u t =+
五、热力混合
在旋转气流中火焰向燃烧室中心运动，又将中心部分的新鲜空气挤向外壁，促进空气与未燃燃料混合的作用称为热力混合作用。

5.2 点燃式内燃机的燃烧
一、预混燃烧与扩散燃烧的概念
在燃烧过程中，如果混合过程比燃烧反应要快得多或者在火焰到达之前燃料与空气已充分混合，这种可燃混合气的燃烧为预混燃烧。

主要包括汽油机和气体燃料发动机。

柴油机的大部分燃料是在着火后喷入气缸的，它处于一边与空气混合、一边燃烧的情况下，由于混合过程比反应速率慢，燃烧速率由混合过程控制，这就是扩散燃烧。

二、点火过程：
（1）击穿阶段：火花塞电极在很高的电压（10～15kV ）作用下击穿电极间隙内的混合气，离子化气体通道，峰值电流高达200A 。

（2）电弧阶段 电压较低，电流仍很高。

电弧阶段火焰传播开始发生。

（3）辉光放电阶段：电流低于200mA 。

放出绝大部分点火能量。

常规点火系统供给的能量一般为30～50mJ 。

三、点燃式发动机的燃烧
1．燃烧过程：分为三个阶段
（1）着火阶段，是指从电火花跳火到形成火焰中心的阶段；滞燃期。

（2）急燃期，是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，也可称为火焰传播阶段。

急燃期终点一般为最高压力点。

压力升高很快。

代表发动机工作粗暴程度、振动和噪声水平。

/0.2~0.4/()o dp d MPa CA ϕ=
（3）后燃期，从急燃期终点至燃料基本上完全燃烧为止。

主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。

2．按已燃质量划分
（1）火焰发展期；（2）快速燃烧期；（3）总燃烧期。

3. 火焰传播速率和燃烧速率:（1）层流火焰传播速率；（2）湍流火焰速率；
（3）火焰传播速率。

4．着火界限
当均质充量发动机可燃混合气过浓或过稀时，在电火花放电以后，并不能形成火焰中心，产生火焰传播。

两个界限间的混合气浓度称为着火极限。

分层充量（非均匀）稀燃发动机：表观平均空燃比。

5．示功图获取的燃烧特征参数
（1）缸内最高燃烧压力max p 及其对应的曲轴转角max p ϕ，最高燃烧温度max T 及其对应的曲轴转角max T ϕ。

（2）最大压力升高率max (/)dp d ϕ，最高放热率峰值max (/)B dQ d ϕ及对应的曲轴转角。

（3）不同燃烧阶段。

（4）放热率曲线面心对应的曲轴转角c ϕ。

6．不同工况下的燃烧过程特点
（1）点火提前角不同，最佳点火提前角；开环控制，闭环控制。

（2）混合气浓度不同：浓燃，稀燃；
（3）负荷不同：改变节气门开度；
（4）转速不同。

湍流，火焰传播速率。

7．燃烧的循环变动
定义：在发动机以某一工况稳定运行时，相邻两个循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况和发动机功率输出均不相同。

采用稀薄燃烧和低负荷、低转速下运转时，循环变动加剧。

表征参数。

原因。

四、点燃式内燃机的不正常燃烧
1、爆燃：在某些条件下（如压缩比过高），汽油机燃烧变得不正常，压力曲线出现高频、大振幅波动，上止点附近的/dp dt 值很高，火焰传播速度和火焰前锋形状急剧改变，称为爆燃。

表现：（1）金属振音；（2）功率波动：轻微爆燃，功率略有增加；强烈爆燃时，功率下降；（3）冷却系统过热；（4）气缸盖温度上升。

不利影响：（1）输出功率、热效率降低；（2）发动机过热；（3）零件的应力增加。

评定：抗爆性能，辛烷值（研究法辛烷值、马达法辛烷值、道路辛烷值），抗爆添加剂
2、表面点火：不依靠火花点火，而由于炽热表面点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，包括后火、早火、激爆等。

3、续走：节气门关闭后混合气自燃；
4、部分燃烧、失火及发动机工作稳定性。

四、点燃式发动机的燃烧模型
1、零维模型；热力学模型，给出某一特定函数表示的质量燃烧率曲线，根据热力学方程计算工作循环参数。

2、准维模型：建立内燃机的设计参数和运转参数与燃烧过程之间的关系。

湍流的特征参数。

3、多维模型：提供内燃机燃烧过程的气流速度、温度和成分在燃烧室内的时间和空间分布的详细信息。

（开发阶段）。

五、燃烧室
1、各种燃烧室：考虑压缩比、面容比、火花塞位置、燃烧室内气流运动等。

2、充量分层和缸内直喷燃烧系统
均质混合气燃烧，分层混合气燃烧
进气道分层稀燃：轴向分层，横向分层
三种方式：壁面引导式、气流引导式、喷雾控制方式。

5.3 压燃式内燃机的燃烧
柴油机：主要是扩散燃烧，混合速率控制了燃烧速率。

一、着火与燃烧过程
1．着火：
1）在形成的可燃混合气中，燃料蒸汽与空气的比例要在着火界限内。

随温度有所变化。

2）着火温度，自燃温度：燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度。

柴油机实际燃油的着火更为复杂。

首先着火的地点是在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。

2. 着火阶段的划分
第1阶段为滞燃期，从喷油开始到压力开始急剧升高时为止。

喷入气缸的燃料经历一系列物理化学的变化过程，包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段以及着火前的化学准备阶段。

一般0.7-3ms 。

第2阶段为压力急剧上升的BC 段，称为急燃期。

压力升高速度决定了柴油机运转的平稳性。

不宜超过0.4/()o MPa CA 。

第3阶段从压力急剧升高的终点到压力开始急剧下降点，称为缓燃期。

是在气缸容积不断增加的情况下进行的，压力保持上升或基本不变。

第4阶段从缓燃期的终点到燃料基本上完全燃烧为止。

称为后燃期。

3．滞燃期
影响因素：在正常运转情况下，压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。

喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响。

最佳的喷油提前角：高转速，上止点前10－15()o CA 之间，怠速时上止点前5－10()o CA 。

二、放热规律：试验测量示功图，或建立模型计算。

()B W W
W W B Q Q Q U W Q dQ dQ dQ dQ d mu dV p d d d d d d ϕϕϕϕϕϕ
=+=∆++=+=++ ()W W B dQ dQ dQ dQ d mu dV p d d d d d d ϕϕϕϕϕϕ
=+=++ B dQ d ϕ
燃料燃烧时的瞬时放热率，燃烧规律、放热规律或放热率曲线。

dQ d ϕ加热规律；W dQ d ϕ
传热规律。

开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。

三、燃烧噪声：产生
柴油机燃烧过程中，燃烧初期的压力急剧升高，直接使燃烧室避免及活塞曲轴零件产生强烈振动，并通过气缸壁面传至外部，从而形成燃烧噪声。

主要取决于压力升高率。

降噪措施：根本措施：适当降低压力升高率。

主要途径：1、缩短滞燃期；2、减小滞燃期内的喷油量；3、减少滞燃期内形成的可燃混合气数量。

四、柴油机的冷启动性能
一般情况下，在10～－5o C 时，可以顺利启动；温度更低时，启动困难。

顺利启动条件：
1）压缩温度必须足够高，高于开始着火的最低临界温度（高于相应条件下的自燃温度）；2）必须形成易于着火的混合气。

3）增加每循环供油量。

五、压燃式内燃机的燃烧室
根据混合气形成特点和燃烧室结构特点，压燃式内燃机的燃烧室可分为两大类：直接喷射式和分隔式燃烧室。

直接喷射式柴油机，按燃烧室深浅可分为浅盆形和深坑形两类，按气流运动分为无涡流和有涡流两种。

分隔式燃烧室常用的有涡流室和预燃室。