( CA)
o
δPmax = 8.9%
δPmax = 9.6%
8.2.3 表面点火及其防止措施
何谓表面点火（Surface ignition） 由炽热表面点燃混合气引起的着火 炽热表面： 燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部 、积碳（Deposit）及其催化剂作用 表面点火的分类： 早火（早燃, Pre-ignition）——正常火花点火前发生的表面 点火 后火（后燃）——正常火花点火后发生的表面点火 后火： 若不引发爆燃，一般危害不大，或对ηi略有利；但长时间 后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走” （Running-on）现象。
（3）后燃期（ φC~φD ）
1、 着火落后期（φA～φB ）
现象： 在φA点开始火花点火， 高温单阶段着火； 在φB点产生稳定的火核， 开始火焰传播； φB点也可用CA05表示， 即累计放热5%的相位。 燃烧特性参数：着火落后期φi 10°CA左右 注意区别点火提前角θig φi 相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响
8章作业（1）
用示功图和放热率判断着火时刻的方法，汽油机与柴油机
有何异同？为什么？ 汽油机累计放热曲线上的CA05、CA50、CA90分别对应示功 图上的那个点？为什么？ 分别指出造成PFI汽油机与DI柴油机各缸工作不均匀的原因 ，对比分析有何异同。 表面点火与爆震有何不同？试从外观表现、产生机理和消除 技术等方面论述
2、 明显燃烧期（φB～φC ）
现象：
火焰充满燃烧室，燃烧压力 达到最高，即pmax ；
其间80～90％燃料被燃烧。 也称为速燃期 放热速率特征值CA50：累计放 热50%的相位，5~10 CA （ATDC） 燃烧特性参数1： 最高爆发压力pmax
pmax ↑，ηi ↑，W i ↑，
（2） 气体运动状态波动
流速过高或过低； 湍流强度过高或过低。
5、影响因素及改进措施
φa影响最大， φa=0.8～1.0时， δp最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀， δp→0）； φr↑，δp ↑，因此应加强火花塞周围扫气 ；
负荷↓ （ φr
↑），则δp ↑；
转速↓ （ 湍流↓），则δp ↑； 提高点火能量或采用多点点火。
第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点 汽油机的不正常燃烧 汽油机的混合气形成
汽油机燃烧室及其特性
汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）
稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机
汽油机燃烧过程及分析
火花点火
汽油机着火和燃烧的高速摄影
火核形成
火焰特点： 均质透明 火焰前锋面皱褶
早火
由于实际着火提前，使pmax和dp/dφ↑ 负功 ↑； ηi ↓ ；pi ↓； 机械负功↑； ηm ↓， 产生低频敲缸（600～1200Hz） （注意早火与爆燃的异同）
爆燃性表面点火（激爆）
早火与点火时间提前一样，会引起爆燃； 爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生 早火；两者相互促进，形成严重粗暴燃烧， 即激爆（Δp/Δφ↑5倍，pmax ↑1.5倍 ）
汽油机 Vs 柴油机
?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？
汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散≈扩散燃烧
汽油机 Vs 柴油机
对比 项目
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序 传播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等 腰三角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳 烟排放，热效率较低
o
450
540( )(CA)
4
气 缸 压 力 p / MPa
3
n=3000r/min Ttq=53.2N.m MAP=56kPa =14.5
2
柴油机的循环波动为什么 小于汽油机？
1
0 270
360
450
o
540
曲 柄 转 角 / ( )(CA)
汽油机循环波动—案例（2）
尖锐的金属敲击声，声频为3～7KHz 机身有明显振动 功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟 示功图出现不同程度的“锯齿波” 冷却水、机油和气缸盖等温度升高
8.2.1 爆燃的机理与对策
2、爆燃机理
末端混合气（End gas）受压缩 和热辐射，以低温多阶段方式产 生自燃（Self-ignition） 多点大面积自燃，形成局部温 度压力陡升（瞬时压力18MPa） ，压力波在传播过程种形成“激 波”。 激波冲击燃烧室壁面产生高频 振音（也有说共振），并在示功 图上可观察到这种压力波动。
8.2.1 爆燃的机理与对策
要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？
汽油机爆燃示例
70 60 50
P (bar)
40 30 20 10 0 180
点火提前角 θig =24oCA θig = 19oCA
发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON) n=2000rpm BMEP=0.9MPa
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º (TDC) 4º 8º
火焰特点： 多点大面积着火—粗暴 12º “有焰”燃烧 —产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
8.1 汽油机燃烧过程及其特点
汽油机燃烧三阶段： （1）着火落后期（ φA~φB ） （2）明显燃烧期（ φB~φC ）
要求：
燃期要短—后燃期↑， ηi ↓ ， 排 温↑，甚至“放炮”
燃烧完全—否则，HC↑，CO ↑
8.1.2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
示功图（P-φ）： 压缩压力 燃烧压力Pmax 压升率（dP/dφ）： 各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低 放热速率dQb/dφ: 初期放热率，柴◣，汽▲ 形状，汽单峰，柴双峰 柴油机 汽油机
柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合 燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲 线，持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟 排放
燃烧
后燃 放热 规律 性能
8.2 汽油机的不正常燃烧
汽油机正常燃烧的特征（点燃式发动机）：
循环波动率示例
（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000rpm）
25 20
50
BMEP=0.19MPa
P(bar)
40 30 20 10
BMEP=0.88MPa
P(bar)
15 10 5 0
0
10000 20000 30000 40000 50000
( CA)
o
0
0
10000 20000 30000 40000 50000
8.2.3 循环波动
1、现象
汽油机转速和转矩波动大于柴油机 一般：汽 ±10 r/min 柴 ±2 r/min 转速和转矩波动源于燃烧波动 （如右图) pmax波动 ：2.5~3.5MPa （dQB/dφ）max波动： 2倍
8.2.3 循环波动
2、危害
点火时间、空燃比等控制参数无法 调节到最佳； 燃烧不好的循环会产生ηi 、Wi等下降
式中， σp为pmax的标准偏差；
pmax为 pmax的算术平均值 正常情况： δp < 10%
较好汽油机： δp < 7%
同理：可用Pmax出现角度φpmax、 dp/dφ、pmi 、 (dQB/dφ)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。
4、产生循环波动的原因
（1） 混合气成分波动：
局部空燃比波动； 残余废气浓度波动。 （如图，火花塞处连续50 个循环的快速采样结果）
注意： 火焰前锋面速度<100m/s， 压力波和热辐射分别为音速 和光速
8.2.1 爆燃的机理与对策
3、爆燃的危害
★ 燃室壁面的层流边界层和油膜被 破坏，散热↑↑， 热负荷↑，严重时 活塞顶烧熔; ★由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损，拉缸 甚至活塞环断 ★ 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 ηt ↓，热损失↑，导致be↑，Pe ↓
★ 燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟
★燃气压力剧烈波动使pmax和dp/dφ ↑↑，使机械负荷↑。
8.2.1 爆燃的机理与对策
爆燃的危害
正常燃烧火花塞
爆燃---火花塞绝缘体烧毁
8.2.1 爆燃的机理与对策
区别 汽油机爆震 柴油机粗暴燃烧
8.2.1 爆燃的机理与对策
4、防止爆燃的对策
t1——由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间 t2——由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间 则： 不爆燃的条件 t1 < t2 记:
pc pb dp 平均压升率 d c b dp/dφ的影响
(MPa/CA)
dp/dφ↑,ηi↑，但NOx↑， 机械损失及热负荷↑,噪声 振动↑ 一般汽油机
dp/dφ＝0.2～0.4（MPa/CA）
（dp/dφ）max
3、后燃期（φC～φD )
现象: 燃烧剩余约10％燃料，主要存在 于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧 区域、壁面附近未燃混合气
360
(oCA)
540
8.2.1 爆燃的机理与对策
上述缩短t1和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的
实际中防止爆燃的主要措施 降低ε （最主要）
提高燃料辛烷值
推迟点火时间 燃烧室优化设计
（含提高湍流度等，见右图）
爆震传感器反馈控制
由此造成了汽油机多年来的难题：即如 何在无爆燃条件下实现高压缩比
8.1. 2 汽油机 Vs 柴油机燃烧特性