1.2.3 燃燒過(guò)程

燃燒過(guò)程是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的主要過(guò)程，燃燒過(guò)程進(jìn)行的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性有很大的影響。這里重點(diǎn)介紹汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒過(guò)程。

1.汽油機(jī)燃燒過(guò)程

（1）汽油機(jī)的正常燃燒過(guò)程 汽油機(jī)的正常燃燒過(guò)程是指火焰的傳播速度及火焰前鋒的形狀均沒(méi)有急劇變化的燃燒過(guò)程。為便于研究，根據(jù)氣缸內(nèi)壓力及溫度變化規(guī)律，通常將汽油機(jī)正常燃燒過(guò)程分為著火延遲期、明顯燃燒期和補(bǔ)燃期三個(gè)階段。圖1-9為四沖程汽油機(jī)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(shí)間稱為著火延遲期。此階段氣缸內(nèi)壓力無(wú)明顯升高，對(duì)汽油機(jī)燃燒過(guò)程影響不大。

圖1-9 汽油機(jī)燃燒示功圖

1—開(kāi)始點(diǎn)火 2—火焰中心行成 3—到達(dá)最高壓力點(diǎn)θ_ig—點(diǎn)火提前角 Ⅰ—著火延遲期 Ⅱ—明顯燃燒期 Ⅲ—補(bǔ)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(nèi)出現(xiàn)最高壓力為止的這段時(shí)間稱為明顯燃燒期。混合氣絕大部分在此期間內(nèi)燃燒完，壓力、溫度迅速升高，缸內(nèi)最高壓力達(dá)到3～5MPa。最高壓力出現(xiàn)的時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料消耗率有很大影響。實(shí)踐證明：最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后12°～15°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，示功圖面積最大、循環(huán)功最多，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為最佳點(diǎn)火提前角。

3）補(bǔ)燃期：（圖1-9第Ⅲ階段）從出現(xiàn)最高壓力到燃料基本燃燒完畢的這段時(shí)間稱為補(bǔ)燃期。補(bǔ)燃期內(nèi)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(chǎn)物繼續(xù)燃燒、放熱。然而由于此時(shí)活塞下行，壓力降低，使補(bǔ)燃期放出的熱量不能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΓ斐膳艢鉁囟壬摺嵝氏陆担拱l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。因此，必須盡量縮短補(bǔ)燃期。

（2）汽油機(jī)的不正常燃燒 汽油機(jī)的不正常燃燒主要是爆燃和表面點(diǎn)火。

1）爆燃。爆燃是由于自燃和正常火焰?zhèn)鞑ネ瑫r(shí)發(fā)生，混合氣的燃燒速率和缸內(nèi)氣壓升急劇上升而形成的不正常燃燒現(xiàn)象。輕微爆燃時(shí)，由于燃燒速度加快，缸內(nèi)壓力升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力將略有增加。但強(qiáng)烈爆燃將導(dǎo)致缸內(nèi)最高壓力和溫度劇增，壓力波動(dòng)較大，如圖1-10b所示。爆燃一旦產(chǎn)生，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、熱效率下降、零件沖擊載荷增加、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)增大等。

圖1-10 汽油機(jī)正常燃燒與爆燃的比較

a）正常燃燒 b）爆燃

2）表面點(diǎn)火。混合氣燃燒時(shí)，不靠電火花點(diǎn)火而由燃燒室熾熱表面（如熾熱積炭、排氣門、過(guò)熱的火花塞絕緣體和電極等）點(diǎn)燃混合氣而引起的不正常燃燒現(xiàn)象，稱為表面點(diǎn)火。表面點(diǎn)火根據(jù)發(fā)生的時(shí)間不同，可以分為早火和后火。早火發(fā)生在正常點(diǎn)火時(shí)刻之前，后火發(fā)生在正常點(diǎn)火時(shí)刻之后。早火一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速、大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)之后，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱、熱效率下降以及發(fā)生爆燃傾向加大等不良后果。后火一般對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的危害性不大。

3）爆燃和表面點(diǎn)火都屬于汽油機(jī)不正常燃燒現(xiàn)象，但兩者是有區(qū)別的。首先爆燃是火花塞跳火后，末端混合氣的自燃現(xiàn)象；表面點(diǎn)火是火花塞跳火之前或之后熾熱表面或者沉積物點(diǎn)燃混合氣所致。其次，爆燃時(shí)火焰以沖擊波的速度傳播，有尖銳的敲擊聲；表面點(diǎn)火時(shí)敲缸聲比較沉悶。但是，爆燃與表面點(diǎn)火會(huì)相互促進(jìn)，嚴(yán)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(diǎn)火傾向增大；表面點(diǎn)火早燃現(xiàn)象則使缸內(nèi)壓力升高率和最高壓力提高，末端混合氣自燃準(zhǔn)備所需時(shí)間縮短，導(dǎo)致爆燃傾向增大。

2.柴油機(jī)的燃燒過(guò)程

柴油機(jī)的燃燒過(guò)程與混合氣的形成過(guò)程幾乎同時(shí)進(jìn)行，所以比汽油機(jī)更復(fù)雜。燃燒過(guò)程一般是在壓縮行程上止點(diǎn)附近的幾十度曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)完成，根據(jù)燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)壓力和溫度的變化特點(diǎn)，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程通常可以分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃期四個(gè)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(kāi)始噴油的1點(diǎn)到混合氣著火形成火焰核心的2點(diǎn)的整段時(shí)期。著火延遲期內(nèi)混合氣尚未著火、僅在進(jìn)行著火前的物理化學(xué)準(zhǔn)備，其放熱很少，氣缸內(nèi)壓力和溫度的變化主要取決于壓縮行程。著火延遲期的長(zhǎng)短一般用曲軸轉(zhuǎn)角或時(shí)間表示，對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程有極大的影響。著火延遲期越長(zhǎng)，在這期間噴入氣缸的柴油量越多，形成的混合氣數(shù)量也越多，而這些混合氣在速燃期同時(shí)燃燒，使壓力升高率（是指單位時(shí)間的升高壓力）和最高壓力升高，機(jī)件承受的機(jī)械載荷增大，柴油機(jī)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(nèi)開(kāi)始點(diǎn)火的2點(diǎn)到出現(xiàn)最高燃燒壓力的3點(diǎn)整段時(shí)期。和汽油機(jī)一樣，速燃期是柴油機(jī)燃燒過(guò)程最為重要的時(shí)期，其時(shí)間長(zhǎng)短直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。在速燃期內(nèi)，混合氣著火燃燒形成多個(gè)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(guò)程，此時(shí)，氣缸內(nèi)溫度、壓力迅速升高。速燃期內(nèi)壓力升高率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，燃燒噪聲增大，同時(shí)也會(huì)造成機(jī)件的沖擊載荷增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)壽命降低，同時(shí)也容易導(dǎo)致最高溫度的升高，使排氣中NO_x的含量加大；速燃期內(nèi)壓力升高率太低，則熱效率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(nèi)出現(xiàn)最高壓力的3點(diǎn)到出現(xiàn)最高溫度的4點(diǎn)所經(jīng)歷的整段時(shí)期。

在此期間，噴油過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，但缸內(nèi)存在大量未燃燒的混合氣繼續(xù)燃燒，由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積的增大其壓力不升反降，但其溫度繼續(xù)升高，直到達(dá)到最高溫度。

緩燃期后期，燃燒速度顯著減慢，缸內(nèi)壓力迅速降低。緩燃期結(jié)束時(shí)，大部分柴油已經(jīng)燃燒完畢，放熱量達(dá)到循環(huán)放熱量的70%～80%。

圖1-11 柴油機(jī)的燃燒過(guò)程

1—開(kāi)始噴油 2—開(kāi)始著火 3—最高壓力點(diǎn) 4—最高溫度點(diǎn) 5—燃燒基本結(jié)束

（4）補(bǔ)燃期（圖1-11第Ⅳ階段）補(bǔ)燃期是指從缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力的4點(diǎn)到燃燒基本結(jié)束的5點(diǎn)的整段時(shí)期。補(bǔ)燃期的終點(diǎn)一般以放熱量達(dá)到循環(huán)放熱量的95%～97%的時(shí)間來(lái)確定。補(bǔ)燃期中放出的熱量，不僅很難有效利用，而且會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)零件熱載荷增大，排氣溫度升高，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高。因此應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期。