1.2.3 燃燒過程

燃燒過程是發動機工作循環的主要過程，燃燒過程進行的好壞對發動機的動力性、經濟性、排放性有很大的影響。這里重點介紹汽油機和柴油機的燃燒過程。

1.汽油機燃燒過程

（1）汽油機的正常燃燒過程 汽油機的正常燃燒過程是指火焰的傳播速度及火焰前鋒的形狀均沒有急劇變化的燃燒過程。為便于研究，根據氣缸內壓力及溫度變化規律，通常將汽油機正常燃燒過程分為著火延遲期、明顯燃燒期和補燃期三個階段。圖1-9為四沖程汽油機燃燒示功圖。

1）著火延遲期：（圖1-9第Ⅰ階段）從火花塞跳火到形成火焰中心為止的這一段時間稱為著火延遲期。此階段氣缸內壓力無明顯升高，對汽油機燃燒過程影響不大。

圖1-9 汽油機燃燒示功圖

1—開始點火 2—火焰中心行成 3—到達最高壓力點θ_ig—點火提前角 Ⅰ—著火延遲期 Ⅱ—明顯燃燒期 Ⅲ—補燃期

2）明顯燃燒期：（圖1-9第Ⅱ階段）從火焰中心形成到氣缸內出現最高壓力為止的這段時間稱為明顯燃燒期。混合氣絕大部分在此期間內燃燒完，壓力、溫度迅速升高，缸內最高壓力達到3～5MPa。最高壓力出現的時刻對發動機功率、燃料消耗率有很大影響。實踐證明：最高壓力出現在上止點后12°～15°曲軸轉角時，示功圖面積最大、循環功最多，對應的點火提前角為最佳點火提前角。

3）補燃期：（圖1-9第Ⅲ階段）從出現最高壓力到燃料基本燃燒完畢的這段時間稱為補燃期。補燃期內部分未燃燒完的燃料、吸附在缸壁上的混合氣層及部分高溫分解產物繼續燃燒、放熱。然而由于此時活塞下行，壓力降低，使補燃期放出的熱量不能有效地轉變為有效功，而造成排氣溫度升高。熱效率下降，使發動機動力性和經濟性下降。因此，必須盡量縮短補燃期。

（2）汽油機的不正常燃燒 汽油機的不正常燃燒主要是爆燃和表面點火。

1）爆燃。爆燃是由于自燃和正常火焰傳播同時發生，混合氣的燃燒速率和缸內氣壓升急劇上升而形成的不正常燃燒現象。輕微爆燃時，由于燃燒速度加快，缸內壓力升高，發動機的壓力將略有增加。但強烈爆燃將導致缸內最高壓力和溫度劇增，壓力波動較大，如圖1-10b所示。爆燃一旦產生，將會導致發動機功率下降、熱效率下降、零件沖擊載荷增加、發動機過熱、發動機噪聲和振動增大等。

圖1-10 汽油機正常燃燒與爆燃的比較

a）正常燃燒 b）爆燃

2）表面點火。混合氣燃燒時，不靠電火花點火而由燃燒室熾熱表面（如熾熱積炭、排氣門、過熱的火花塞絕緣體和電極等）點燃混合氣而引起的不正常燃燒現象，稱為表面點火。表面點火根據發生的時間不同，可以分為早火和后火。早火發生在正常點火時刻之前，后火發生在正常點火時刻之后。早火一般出現在發動機長時間高速、大負荷運轉之后，容易導致發動機過熱、熱效率下降以及發生爆燃傾向加大等不良后果。后火一般對發動機工作的危害性不大。

3）爆燃和表面點火都屬于汽油機不正常燃燒現象，但兩者是有區別的。首先爆燃是火花塞跳火后，末端混合氣的自燃現象；表面點火是火花塞跳火之前或之后熾熱表面或者沉積物點燃混合氣所致。其次，爆燃時火焰以沖擊波的速度傳播，有尖銳的敲擊聲；表面點火時敲缸聲比較沉悶。但是，爆燃與表面點火會相互促進，嚴重的爆燃必然增加向缸壁傳熱，從而形成熾熱表面，使表面點火傾向增大；表面點火早燃現象則使缸內壓力升高率和最高壓力提高，末端混合氣自燃準備所需時間縮短，導致爆燃傾向增大。

2.柴油機的燃燒過程

柴油機的燃燒過程與混合氣的形成過程幾乎同時進行，所以比汽油機更復雜。燃燒過程一般是在壓縮行程上止點附近的幾十度曲軸轉角內完成，根據燃燒過程中氣缸內壓力和溫度的變化特點，柴油機的燃燒過程通常可以分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和補燃期四個階段，如圖1-11所示。

（1）著火延遲期（圖1-11第Ⅰ階段）著火延遲期是指從噴油器開始噴油的1點到混合氣著火形成火焰核心的2點的整段時期。著火延遲期內混合氣尚未著火、僅在進行著火前的物理化學準備，其放熱很少，氣缸內壓力和溫度的變化主要取決于壓縮行程。著火延遲期的長短一般用曲軸轉角或時間表示，對柴油機的燃燒過程有極大的影響。著火延遲期越長，在這期間噴入氣缸的柴油量越多，形成的混合氣數量也越多，而這些混合氣在速燃期同時燃燒，使壓力升高率（是指單位時間的升高壓力）和最高壓力升高，機件承受的機械載荷增大，柴油機工作粗暴。

（2）速燃期（圖1-11第Ⅱ階段）速燃期也稱為急燃期，是指從氣缸內開始點火的2點到出現最高燃燒壓力的3點整段時期。和汽油機一樣，速燃期是柴油機燃燒過程最為重要的時期，其時間長短直接影響到發動機的動力性、經濟性和排放性。在速燃期內，混合氣著火燃燒形成多個火焰中心，各自向四周傳播，混合氣迅速燃燒放出大量熱量，接近定容加熱過程，此時，氣缸內溫度、壓力迅速升高。速燃期內壓力升高率過大，會導致柴油機運轉不平穩，燃燒噪聲增大，同時也會造成機件的沖擊載荷增大，使發動機壽命降低，同時也容易導致最高溫度的升高，使排氣中NO_x的含量加大；速燃期內壓力升高率太低，則熱效率下降，發動機動力性能變差。

（3）緩燃期（圖1-11第Ⅲ階段）緩燃期是指從氣缸內出現最高壓力的3點到出現最高溫度的4點所經歷的整段時期。

在此期間，噴油過程已經結束，但缸內存在大量未燃燒的混合氣繼續燃燒，由于發動機氣缸容積的增大其壓力不升反降，但其溫度繼續升高，直到達到最高溫度。

緩燃期后期，燃燒速度顯著減慢，缸內壓力迅速降低。緩燃期結束時，大部分柴油已經燃燒完畢，放熱量達到循環放熱量的70%～80%。

圖1-11 柴油機的燃燒過程

1—開始噴油 2—開始著火 3—最高壓力點 4—最高溫度點 5—燃燒基本結束

（4）補燃期（圖1-11第Ⅳ階段）補燃期是指從缸內出現最高壓力的4點到燃燒基本結束的5點的整段時期。補燃期的終點一般以放熱量達到循環放熱量的95%～97%的時間來確定。補燃期中放出的熱量，不僅很難有效利用，而且會使發動機零件熱載荷增大，排氣溫度升高，易造成發動機溫度升高。因此應盡量縮短補燃期。