一、正常燃烧
汽油机正常的燃烧过程是从定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。
研究燃烧过程的方法很多，但简单易行且经常使用的方法是测取示功图，它反映了燃烧过程的综合效应。汽油机的燃烧过程如图3.9所示。
图3.9 汽油机的燃烧过程
1—开始点火；2—形成火焰中心；3—最高压力点；Ⅰ—着火落后期；Ⅱ—明显燃烧期；Ⅲ—后燃期
为分析方便，按其压力变化特点，将燃烧过程分成着火落后期、明显燃烧期和后燃期三个阶段。
（1）着火落后期（图3.9中1-2段）是指从火花塞点火到火焰核心形成的阶段，即从火花塞点火（点1）至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时（点2）的时间或曲轴转角，这段时间约占整个燃烧时间的15％。
（2）明显燃烧期（图3.9中2-3段）是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段。
在均质混合气中，在火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。
图3.9中最高燃烧压力点3到达的时刻对发动机的功率、经济性有重大影响，如点3到达时间过早，则混合气必然过早点燃，从而引起压缩过程负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高；相反，如点3到达时间过迟，则膨胀比将减小，同时，燃烧高温时期的传热表面积增加，这也是不利的，点3的位置可以通过调整点火提前角θ来调整。
（3）后燃期（图3.9中点3以后）是指从明显燃烧期终点3至燃料基本完全燃烧为止的时期，p-φ图上的点3表示燃烧室主要容积已被火焰充满，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附着在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。
二、不正常燃烧
汽油机的不正常燃烧是指设计、控制不当或运转因素，使汽油机偏离正常点火的时刻及地点，由此引起燃烧速率急剧上升等异常现象。不正常燃烧可分为爆震和表面点火两类。
1.爆震
爆震是汽油机最主要的一种不正常燃烧现象，常在压缩比较高时出现，图3.10所示为在正常燃烧与爆震时p-t图和dp/dt图的比较。
如图3.10所示，爆震时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动（锯齿波），同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆震为敲缸。轻微爆震时，发动机功率上升；严重爆震时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机体有较大震动，同时冷却液过热，润滑油温度明显上升。
图3.10 在正常燃烧与爆震时p-t图和dp/dt图的比较
（a）正常燃烧；（b）爆震
图3.11所示为汽油机爆震的机理。火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状，以正常传播速度（30～70 m/s）向周围传播，缸内压力和温度都急剧升高，混合气燃烧产生的压力波迅速向周围传播。
图3.11 爆震的机理
混合气燃烧产生的压力波在火焰前锋面之前到达燃烧室边缘区域，该区域的可燃混合气（即末端混合气）在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身压力和温度不断升高，燃烧前的化学反应加速，这些都是正常现象。但如果这一反应过于迅速，以致在火焰前锋面到达之前末端混合气即开始自燃，则引发爆震。爆震发生时，火焰传播速度为100～300 m/s（轻微爆震）甚至800～1 000 m/s（强烈爆震）。
爆震会给汽油机带来很多危害，当发生爆震时，最高燃烧压力和压力升高率都急剧增大，因而相关零部件所受应力大幅度增加，机械负荷增大。爆震时压力波冲击缸壁破坏了油膜层，导致活塞、气缸和活塞环磨损加剧，剧烈无序的放热还使气缸内温度明显升高，热负荷及散热损失增加，这种不正常燃烧还使动力性和经济性恶化。根据末端混合气是否易于自燃来分析，影响爆震的因素如下：
（1）燃料性质。辛烷值高的燃料，抗爆震能力强。
（2）末端混合气的压力和温度。末端混合气的压力和温度增高，则爆震倾向增大，例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆震易发生。
（3）火焰前锋面传播到末端混合气的时间。提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋面传播到末端混合气的时间，有利于避免爆震。
2.表面点火
在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等）点燃混合气的现象，都统称为表面点火。表面点火的点火时刻是不可控制的，早燃是指在火花塞点火之前炽热表面点燃混合气的现象，由于它提前点火而且热点表面比电火花大，所以燃烧速率变快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且压缩功增大、向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。汽油机早燃的示功图如图3.12所示。
早燃会诱发爆震，爆震又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。
与爆震不同，表面点火一般是在正常火焰燃烧到之前由炽热物点燃的混合气所致，没有压力冲击波，爆震声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生震动造成的。
凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。各种燃烧示功图的比较如图3.13所示。
图3.12 汽油机早燃的示功图
图3.13 几种燃烧过程的示功图
三、使用因素对燃烧的影响(www.xing528.com)
1.点火提前角
点火提前角是从火花塞跳火到上止点之间的曲轴转角，点火提前角应该随燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等因素的变化而变化。
当汽油机的节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机有效功率和有效燃油消耗率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性，如图3.14所示。
对应每一工况都存在一个最佳点火提前角，这时汽油机功率最大、油耗最低。最佳点火提前角使最高燃烧压力出现在上止点后12°～15°，这时的实际示功图与理论示功图最为接近（时间损失最小）。
点火提前角不同的示功图如图3.15所示，点火过迟，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，热效率降低，爆震倾向减小，有效功率下降，NOx、HC的排放量降低。
图3.14 点火提前角调整特性
图3.15 点火提前角不同的示功图
1，2，3，4，5，6—10°，20°，30°，40°，50°，60°点火提前角
点火提前角对汽油机的经济性影响较大，据统计，如果点火提前角偏离最佳值5°曲轴转角，则热效率下降1％；偏离10°曲轴转角，热效率下降5％；偏离20°曲轴转角，热效率下降16％。
影响最佳点火提前角的因素较多（如大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环率等），传统的真空式和离心式点火提前角调整装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似调整。
2.混合气浓度
在汽油机的转速、节气门开度保持一定、点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线，称为汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性，如图3.16所示。
混合气浓度对汽油机动力性、经济性是有影响的，当φa=0.8～0.9时，由于燃烧温度最高、火焰传播速度最大，pe达最大值，但爆震倾向增大；当φa=1.03～1.1时，由于燃烧完全，be最低，使用φa＜1的浓混合气工作，由于必然会产生不完全燃烧，所以CO排放量明显上升；当φa＜0.8及φa＞1.2时，火焰速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HC排放量增多且工作不稳定。
3.负荷
汽油机的转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量，以达到不同的负荷要求。
当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数增加，着火落后期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率均下降，冷却液散热损失相对增加，燃油消耗率增加，因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角需要增大（图3.17）。
图3.16 汽油机的调整特性
图3.17 最佳点火提前角随负荷的变化
4.转速
当转速增加时，气缸中湍流增加，火焰传播速率大体与转速成正比例增加，因而最高爆发压力、压力升高率随转速的变化不大。此外，在转速升高时，一方面，由于散热损失减少，进气被加热，使气缸内混合气更均匀，有利于缩短着火落后期，但另一方面，由于残余废气系数增加，气流吹走电火花的倾向增大，又促使着火落后期增加，这两种因素使以秒计的着火落后期与转速的关系不大，但是按曲轴转角计的着火落后期却随转速的升高而增加。因此，在转速升高时，应增大点火提前角。
5.冷却液温度
发动机冷却液温度应控制在80～90℃。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。
冷却液温度过高会使燃烧室壁及缸壁过热，爆震及热面点火倾向增加；同时进入气缸的混合气温度升高、密度下降、充量减少，使发动机动力性、经济性下降。所以，在使用维护中，应注意及时清除水道内的水垢，使水流畅通；注意利用百叶窗调整发动机冷却液温度；经常检查水温表、节温器等装置，使其工作正常。
冷却液温度过低，传给冷却液的热量增多，发动机热效率降低、功率下降、耗油率增加；润滑油黏度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧，容易使燃烧中的酸性气体和水蒸气结合成酸性物质，使气缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，排放污染增多。因此，使用中应注意控制好冷却液温度，冷却液温度不能太低。
6.压缩比
提高压缩比可提高压缩行程终了工质的温度、压力，加快火焰传播速度。选择合适的点火提前角，可使燃烧在更小的容积内进行，燃烧终了的温度、压力更高，且燃气膨胀充分，热转变为功的量多，热效率提高，发动机功率、转矩增大，有效耗油率降低。
压缩比提高会增加未燃混合气自燃的倾向，容易产生爆燃。为此，要求改善燃烧室的设计，并提高汽油的辛烷值。如果压缩比超过10，则热效率提高程度减慢、机件的机械负荷过大、排放污染严重。因此，应选择合适的压缩比。
7.气缸直径
气缸直径增大，火焰传播距离增长，从火焰中心形成到火焰传播至末端混合气的时间增长；面容比减小，传给冷却液的热量减少，爆震的倾向增加。通常汽油机直径在100 mm以下。此外，适当布置火花塞位置或采用多火花塞可以缩短火焰传播距离，减少爆震倾向。
8.气缸盖、活塞材料及燃烧室积炭
铝合金比铸铁导热性好。气缸盖、活塞采用铝合金材料，可使燃烧室表面温度降低、负荷明显减小、爆震倾向降低。
在发动机工作过程中，如果燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油在氧气和高温作用下凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部，就会形成积炭。积炭不易传热、温度较高，对混合气有加热作用，并且积炭所占体积减小了燃烧室容积，从而使压缩比有所提高。这些都使爆震倾向增加。积炭表面温度很高，易引起热面点火，因此，在使用中应注意及时清除积炭。
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