汽车发动机燃烧过程及爆燃危害

发动机可燃混合气的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出的废气的成分，而燃烧时机又关系到热量的利用程度。所以燃烧过程是影响发动机的动力性、经济性和排气污染的主要过程，同时与噪声、震动、启动性能和使用寿命也有重大关系。

燃烧过程的基本要求如下：

（1）完全。燃烧完全，才能充分利用燃油的化学能，尽量减少有害污染物的排放。

（2）及时。燃烧及时，使放热集中在上止点附近，提高热功转换能力。在上止点后12°～15°才燃烧完毕，循环功最多。

（3）正常。正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠地工作。

（一）可燃混合气的燃烧过程

汽油机燃烧过程是指从点火开始到燃料基本烧完为止的过程，分为正常燃烧和非正常燃烧。

1.正常燃烧

唯一地由火花定时点火开始，火焰前锋以正常速度传播到整个燃烧室。正常燃烧过程如图4-62所示。图中垂直线表示只压缩不点火的压缩线，在燃烧压力线上，点1为火花塞跳火点，点2为燃烧压力线脱离压缩压力线点，点3为最高压力点。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三个阶段。

图4-62　正常燃烧过程

Ⅰ—延迟期；Ⅱ—显燃期；Ⅲ—补燃期；θ—点火提前角

（1）着火落后期。从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间，称为着火落后期。如图4-62中阶段1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θ表示。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合气氧化反应需要一定时间，当火花能量使局部混合气温度迅速升高，以及火花放电时两极电压在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。这种反应达到一定的程度（所需要的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。此阶段压力无明显升高。

着火落后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（φat=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。汽油机燃烧过程中，着火落后期的影响不如柴油机大。

（2）明显燃烧期。指从形成火焰中心点2到出现最高压力点3的时间或曲轴转角。

在均值混合气中，当火焰中心形成之后，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。明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率过高，工作粗暴，对排污亦不利。

混合气约80%～90%在此期间燃烧完毕，一般明显燃烧期约占20°～40°曲轴转角。最高压力点3到达的时刻，对发动机的动力性、经济性及压力升高率等都有重大影响，可用点火提前角来调整。燃烧最高压力出现在上止点后12°～15°曲轴转角，发动机的性能最好。最高压力过早，使压缩功增大，过迟散热损失增大；最高压力过大，产生震动、噪音；最高压力过小，使膨胀功减少。

（3）补燃期。从最高压力点3开始到燃料基本燃烧完为止这段时间，称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是明显燃烧期火焰前锋扫过的区域，部分未燃烧的燃料继续燃烧；吸附在气缸缸壁上的混合气层继续燃烧；部分高温分解产物（H2、O2、CO等）因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧、放热。由于活塞下行，压力降低，散热面积增大，使补燃期内燃烧放出的热量不能有效地转变为功。同时排气温度增加，热效率下降，影响发动机的动力性和经济性。因此，应尽量减少补燃。

正常燃烧时汽油机补燃现象比柴油机轻得多。补燃期燃烧速度慢，燃烧放出的热量因活塞下行不能被转化为有用的机械能，使排气温度升高。虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。

2.汽油机的不正常燃烧

汽油机在正常燃烧情况下，提高压缩比可以提高汽油机的动力性和燃油经济性。而当出现不正常燃烧时，热效率及功率均要下降。同时，由于不正常燃烧使零件磨损加剧，使用寿命下降，发动机震动及噪声增大，排放污染严重，发动机过热。汽油机的不正常燃烧主要有爆燃（图4-63）和表面点火（图4-64）。

（1）爆燃。

汽油机在燃烧过程中，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辐射作用，加速其先期反应，放出部分热量，使本身的温度急剧升高。如果火焰前锋及时到达将其引燃，直到燃烧完为止，属正常燃烧。如果火焰前锋未到达前，末端混合温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播，这种现象称爆燃。

图4-63　爆燃

图4-64　表面点火

①爆燃的外部特征。

气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降，但严重时会产生冷却水过热，功率下降，油耗上升，发动机磨损加剧，排放污染增加（主要是排气冒黑烟）。

②爆燃产生的原因。

爆燃的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。从图4-65可以清楚地反映出爆燃与正常燃烧的差异。

图4-65　正常燃烧与爆燃时p-θ与λp-θ的比较

爆燃时的压力升高率λp比正常燃烧时高，有时可高达65 MPa/°。出现最高压力后，压力波动很大，λp忽大忽小，从而破坏了正常燃烧示功图。它使发动机功率下降，零件冲击载荷增加，使用寿命下降，发动机过热。

③危害。

由于爆燃时的压力波动，不能使燃气对活塞做功更多。汽车重载上坡时，允许有轻微的短时间的爆燃，因为轻微的爆燃可以使燃烧过程缩短，有利于提高有效热效率。但不允许严重的爆燃，严重爆燃会造成下列危害。

a.机件过载。

强烈爆燃时的冲击波能使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，使机件变形甚至损坏。

b.机件烧损。

汽油机燃烧终了时的温度可达到2000℃～2500℃，而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为200℃～300℃，除了冷却水的作用外，能够维持如此低温度的原因，还包括在这些壁面上形成了气体的附面层，它起到隔热的作用。强烈爆燃时的冲击波会破坏这一附面层，使机件直接与高温燃气接触。严重爆燃时，局部燃气温度可高达4000℃以上，这样会使活塞头部和气门等机件烧损。同时热量传给冷却水，引起发动机过热。

c.性能指标下降。

严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波，破坏了附面层，气体向缸壁的传热量大大增加，使热效率下降，功率降低，耗油率增加。

d.发动机磨损加剧。

由于传热损失增加，使冷却水和润滑油温度增加，润滑油润滑效果变差，零件磨损加剧。实验表明，严重爆燃时磨损比正常燃烧时大27倍。

e.排气管冒黑烟，补燃增加，排气温度增加。(www.xing528.com)

爆燃时局部高温引起热分解现象严重，使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离碳的现象增多，排气冒烟严重。CO、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加，排气温度增高。爆燃产生的炭粒形成积炭，破坏活塞环、火花塞、气门等零件的正常工作，使发动机可靠性下降。

f.轻微爆燃有利。

接近等容燃烧，热效率提高，汽车上坡时驾驶员感觉轻松。

④爆燃的影响因素。

a.燃料因素。

汽油机的压缩比，应适应汽油辛烷值的要求。

b.末端混合气的压力和温度。

发动机转速增加，进气速度加快，压缩终了气体的紊流度提高，火焰传播速度加快，爆燃程度减弱；气缸残余废气多，会使混合气自燃温度提高，着火延迟期加长，可减弱爆燃。

过量空气系数为0.85～0.95时，自燃温度低，着火延迟期短，爆燃最严重；点火提前角大，易爆燃；缸内积炭使热阻加大，壁面温度升高，实际压缩比增加，爆燃加重，影响混合气的温度和压力。

c.火焰前锋传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，都会减少火焰前锋传到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。燃烧室结构能使压缩终了气体紊流速度提高，火焰传播速度加快，能避免爆燃；火花塞的位置和数目使火焰行程缩短，可减少爆燃；使末端气体接触的燃烧室壁强冷却，可减少爆燃；采用小直径的气缸，不易爆燃。

（2）表面点火。

在汽油机中，凡是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）点燃混合气引起的不正常燃烧现象，称为表面点火。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，表面点火又分为早燃和后火。

①早燃。

高温炽热表面在火花塞跳火前点燃混合气的现象，称为早燃（图4-66）。发生早燃时，炽热表面温度较高。由于混合气使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。

图4-66　早燃示功图

由于早燃提前点火而且热点比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。

早燃会诱发爆燃，爆燃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，危害更大。

②后火。

在火花塞不跳火时，混合气仍能着火，并且形成的火焰前锋仍以正常火焰传播速度向未燃气体推进，这种表面点火称为后火。

这种现象在发动机断火后出现。发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。

（二）影响燃烧过程的因素

1.汽油的品质

汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过程的主要使用性能的因素。

汽油的蒸发性用馏程和蒸气压评定。汽油的蒸发性愈强，愈容易汽化，与空气混合愈均匀，易于完全燃烧。因此，汽油要有良好的蒸发性，但蒸发性过强，在炎热的夏季、高原山区使用时，易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。

汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值评定。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好。汽油的牌号以辛烷值划分。

2.混合气成分

在α=0.8～0.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，爆燃倾向最大。

在α=1.03～1.1时，由于燃烧完全，油耗最低，但此时缸内温度最高且空气富余，NOx排放量大。

使用α＜1的浓混合气工作，由于必然产生不完全燃烧，所以CO排放量明显上升。

当α＜0.8及α＞1.2时，火焰传播速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HO排放量增多且工作不稳定。

3.点火提前角

点火提前角过大，则在压缩过程中燃烧的混合气增多，活塞上行的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。同时，爆震倾向加大。

点火提前角过小，则后燃严重，最高燃烧压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。

4.冷却水温度

冷却水温度应控制在合适范围内。水温过高或过低均会影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。

水温过高，燃烧室壁面温度高，爆震及表面点火倾向增加。混合气温度升高，气缸充量减少，发动机动力性、经济性下降。

5.转速

转速增加，气缸中紊流增强，火焰传播速度加快，燃烧过程缩短。由于循环时间也缩短，燃烧过程相对应的曲轴转角增加，应当相应加大点火提前角，以保证燃烧过程在上止点附近完成。转速增加时，火焰传播速度加快，爆震倾向减小。

6.负荷

转速一定，负荷减小，进入气缸的新鲜混合气量减小，而残余废气量不变，所占比例相对增加。残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角。

反之，转速一定，负荷增加，进入气缸的新鲜混合气量多，残余废气量所占比例相对减少，到大负荷时混合气为功率混合气，燃烧速度快，需减小点火提前角。低负荷时，爆震倾向较小。

7.其他因素

压缩比、燃烧室的结构、气缸的直径等因素也会影响可燃混合气的燃烧。