燃烧过程对汽车发动机性能和排放的重要影响

燃烧过程是发动机工作循环的主要过程，燃烧过程进行的好坏对发动机的动力性、经济性、排放性有很大的影响。这里重点介绍汽油机和柴油机的燃烧过程。

1.汽油机燃烧过程

（1）汽油机的正常燃烧过程 汽油机的正常燃烧过程是指火焰的传播速度及火焰前锋的形状均没有急剧变化的燃烧过程。为便于研究，根据气缸内压力及温度变化规律，通常将汽油机正常燃烧过程分为着火延迟期、明显燃烧期和补燃期三个阶段。图1-9为四冲程汽油机燃烧示功图。

1）着火延迟期：（图1-9第Ⅰ阶段）从火花塞跳火到形成火焰中心为止的这一段时间称为着火延迟期。此阶段气缸内压力无明显升高，对汽油机燃烧过程影响不大。

图1-9 汽油机燃烧示功图

1—开始点火 2—火焰中心行成 3—到达最高压力点θ_ig—点火提前角 Ⅰ—着火延迟期 Ⅱ—明显燃烧期 Ⅲ—补燃期

2）明显燃烧期：（图1-9第Ⅱ阶段）从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止的这段时间称为明显燃烧期。混合气绝大部分在此期间内燃烧完，压力、温度迅速升高，缸内最高压力达到3～5MPa。最高压力出现的时刻对发动机功率、燃料消耗率有很大影响。实践证明：最高压力出现在上止点后12°～15°曲轴转角时，示功图面积最大、循环功最多，对应的点火提前角为最佳点火提前角。

3）补燃期：（图1-9第Ⅲ阶段）从出现最高压力到燃料基本燃烧完毕的这段时间称为补燃期。补燃期内部分未燃烧完的燃料、吸附在缸壁上的混合气层及部分高温分解产物继续燃烧、放热。然而由于此时活塞下行，压力降低，使补燃期放出的热量不能有效地转变为有效功，而造成排气温度升高。热效率下降，使发动机动力性和经济性下降。因此，必须尽量缩短补燃期。

（2）汽油机的不正常燃烧 汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。

1）爆燃。爆燃是由于自燃和正常火焰传播同时发生，混合气的燃烧速率和缸内气压升急剧上升而形成的不正常燃烧现象。轻微爆燃时，由于燃烧速度加快，缸内压力升高，发动机的压力将略有增加。但强烈爆燃将导致缸内最高压力和温度剧增，压力波动较大，如图1-10b所示。爆燃一旦产生，将会导致发动机功率下降、热效率下降、零件冲击载荷增加、发动机过热、发动机噪声和振动增大等。

图1-10 汽油机正常燃烧与爆燃的比较

a）正常燃烧 b）爆燃(www.xing528.com)

2）表面点火。混合气燃烧时，不靠电火花点火而由燃烧室炽热表面（如炽热积炭、排气门、过热的火花塞绝缘体和电极等）点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火。表面点火根据发生的时间不同，可以分为早火和后火。早火发生在正常点火时刻之前，后火发生在正常点火时刻之后。早火一般出现在发动机长时间高速、大负荷运转之后，容易导致发动机过热、热效率下降以及发生爆燃倾向加大等不良后果。后火一般对发动机工作的危害性不大。

3）爆燃和表面点火都属于汽油机不正常燃烧现象，但两者是有区别的。首先爆燃是火花塞跳火后，末端混合气的自燃现象；表面点火是火花塞跳火之前或之后炽热表面或者沉积物点燃混合气所致。其次，爆燃时火焰以冲击波的速度传播，有尖锐的敲击声；表面点火时敲缸声比较沉闷。但是，爆燃与表面点火会相互促进，严重的爆燃必然增加向缸壁传热，从而形成炽热表面，使表面点火倾向增大；表面点火早燃现象则使缸内压力升高率和最高压力提高，末端混合气自燃准备所需时间缩短，导致爆燃倾向增大。

2.柴油机的燃烧过程

柴油机的燃烧过程与混合气的形成过程几乎同时进行，所以比汽油机更复杂。燃烧过程一般是在压缩行程上止点附近的几十度曲轴转角内完成，根据燃烧过程中气缸内压力和温度的变化特点，柴油机的燃烧过程通常可以分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期四个阶段，如图1-11所示。

（1）着火延迟期（图1-11第Ⅰ阶段）着火延迟期是指从喷油器开始喷油的1点到混合气着火形成火焰核心的2点的整段时期。着火延迟期内混合气尚未着火、仅在进行着火前的物理化学准备，其放热很少，气缸内压力和温度的变化主要取决于压缩行程。着火延迟期的长短一般用曲轴转角或时间表示，对柴油机的燃烧过程有极大的影响。着火延迟期越长，在这期间喷入气缸的柴油量越多，形成的混合气数量也越多，而这些混合气在速燃期同时燃烧，使压力升高率（是指单位时间的升高压力）和最高压力升高，机件承受的机械载荷增大，柴油机工作粗暴。

（2）速燃期（图1-11第Ⅱ阶段）速燃期也称为急燃期，是指从气缸内开始点火的2点到出现最高燃烧压力的3点整段时期。和汽油机一样，速燃期是柴油机燃烧过程最为重要的时期，其时间长短直接影响到发动机的动力性、经济性和排放性。在速燃期内，混合气着火燃烧形成多个火焰中心，各自向四周传播，混合气迅速燃烧放出大量热量，接近定容加热过程，此时，气缸内温度、压力迅速升高。速燃期内压力升高率过大，会导致柴油机运转不平稳，燃烧噪声增大，同时也会造成机件的冲击载荷增大，使发动机寿命降低，同时也容易导致最高温度的升高，使排气中NO_x的含量加大；速燃期内压力升高率太低，则热效率下降，发动机动力性能变差。

（3）缓燃期（图1-11第Ⅲ阶段）缓燃期是指从气缸内出现最高压力的3点到出现最高温度的4点所经历的整段时期。

在此期间，喷油过程已经结束，但缸内存在大量未燃烧的混合气继续燃烧，由于发动机气缸容积的增大其压力不升反降，但其温度继续升高，直到达到最高温度。

缓燃期后期，燃烧速度显著减慢，缸内压力迅速降低。缓燃期结束时，大部分柴油已经燃烧完毕，放热量达到循环放热量的70%～80%。

图1-11 柴油机的燃烧过程

1—开始喷油 2—开始着火 3—最高压力点 4—最高温度点 5—燃烧基本结束

（4）补燃期（图1-11第Ⅳ阶段）补燃期是指从缸内出现最高压力的4点到燃烧基本结束的5点的整段时期。补燃期的终点一般以放热量达到循环放热量的95%～97%的时间来确定。补燃期中放出的热量，不仅很难有效利用，而且会使发动机零件热载荷增大，排气温度升高，易造成发动机温度升高。因此应尽量缩短补燃期。