汽油机的混合气形成与燃烧过程

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燃烧机理混合气形成爆震控制点火正时

汽油机的混合气形成与燃烧过程

从喷雾到爆震:拆解汽油机燃烧的机理、控制与极限边界

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燃烧机理混合气形成爆震控制点火正时

汽油机的混合气形成与燃烧过程

从喷雾到爆震:拆解汽油机燃烧的机理、控制与极限边界

1第 1 页 · 汽油机的混合气形成与燃烧过程

汽油机燃烧的本质

上一页我们看到混合气被点燃、火焰逐层传播——但「燃烧」这一步本身到底发生了什么?热能又是怎样变成活塞上的力?这一页回到化学反应的最底层视角。

本质是快速氧化反应
燃料分子与 O₂ 在高温下碰撞,旧键打断、新键生成,产物是 CO₂、H₂O
键能差决定放热
产物的化学键更稳、键能低于反应物;多余能量以热和分子动能形式释放
能量转化链路
化学键能 → 高温燃气内能 → 气体膨胀压力 → 推动活塞 → 曲轴输出机械功
区别于普通明火
汽油机燃烧同时满足三件事:均匀混合、有点火源、密闭空间——缺一就不算
石头从山顶滚到山脚对应 →燃料+O₂ → CO₂+H₂O 的能态降落

反应物像在山顶,产物像在山脚;下落释放的势能差,就是燃烧放出的热

C8H18+12.5O28CO2+9H2O+ΔE    (ΔE>0)\text{C}_8\text{H}_{18} + 12.5\,\text{O}_2 \to 8\,\text{CO}_2 + 9\,\text{H}_2\text{O} + \Delta E\;\;(\Delta E > 0)
2第 2 页 · 汽油机燃烧的本质

正常燃烧过程的四个阶段

从火花塞跳火到燃烧收尾,正常燃烧沿一条清晰的时间轴推进,每个阶段承担不同任务。

1
着火延迟期
火花塞跳火后,混合气被局部加热、活化,形成最初的火焰核心(约0.1~0.3 ms)
2
速燃期
火焰核心向四周迅速蔓延,缸内压力急剧上升,是做功的主战场
3
缓燃期
火焰继续推进但速率放缓,压力过峰值后下行,主燃烧接近尾声
4
补燃期
残余混合气与已燃气体继续缓慢反应,影响排气温度与热效率
3第 3 页 · 正常燃烧过程的四个阶段

燃烧过程参数与性能关系

从左到右看:四个输入决定燃烧特性,再把峰值压力推到上止点前后不同位置。

图解渲染中…
D1峰值压力相对TDC的曲轴转角;ATDC即上止点之后C1压力升高率dP/dθ,单位曲轴转角的压升B2燃烧相位——燃烧开始时刻,决定压力曲线在曲轴上的位置C2放热持续期,从着火到烧完的曲轴转角跨度
4第 4 页 · 燃烧过程参数与性能关系

爆燃现象与特征

正常燃烧时火焰从火花塞向外层层推进,但当发动机高负荷、用了低标号汽油,你可能听到「嗒嗒嗒」的金属敲击声——这就是末端混合气没等火焰到达就自己烧起来了。

末端混合气自燃
火焰前锋尚未到达,缸内末端区域的混合气因温度、压力过高,自行着火燃烧
产生时机
高负荷、点火提前角过大、使用低辛烷值汽油时最易发生
双火焰锋碰撞
自燃产生新火焰锋,与原火焰锋相向传播,相撞形成高压压力波
异常压力升高率
dP/dφ 急剧上升,可达正常燃烧的数倍,气缸压力出现高频振荡
敲缸声与损伤
高频压力波撞击缸壁发出金属敲击声;持续爆燃将烧蚀活塞与缸套
引线末端火药对应 →末端未燃混合气

正常像引线一节节烧过去;爆燃是末端火药被烤得太烫,没等引线到就自己炸了

τ滞留>τ着火诱导期末端自燃\tau_{\text{滞留}} > \tau_{\text{着火诱导期}} \Rightarrow \text{末端自燃}
5第 5 页 · 爆燃现象与特征

爆燃的物理机理

从左到右看:正常火焰推进时,末端气体被压升温后自燃,与原火焰对撞产生敲缸声。

图解渲染中…
E末端混合气温度是否越过自燃阈值B返回箭头若未自燃,火焰前锋继续正常推进
6第 6 页 · 爆燃的物理机理

表面点火的类型

正常点火以外的任何点火现象

表面点火的类型
正常点火以外的任何点火现象
7第 7 页 · 表面点火的类型

爆燃与表面点火的对比

两者都是不正常燃烧,但火源、位置、症状完全不同,混在一起会误诊。

爆燃(Knock)
  • 末端混合气被压燃而自燃
  • 火源在气缸内部末端气体
  • 高频金属敲缸声,振动剧烈
  • 燃烧压力出现高频振荡
表面点火
  • 炽热表面提前点燃混合气
  • 火源在积炭、排气门等热点
  • 功率下降,敲缸反而不明显
  • 提前点火,无爆震压力波
敲缸剧烈且有压力振荡是爆燃;功率下降无敲缸是表面点火;对策完全不同。
8第 8 页 · 爆燃与表面点火的对比

不正常燃烧的影响因素

上一节我们分清了爆燃与表面点火。这一节要追问:什么条件让发动机更容易'出事'?压缩比、燃料辛烷值、燃烧室积碳是三个关键因素,它们单独或叠加都会把异常燃烧推向临界。

压缩比
压缩比↑ → 缸内温度与压力↑ → 末端混合气自燃窗口提前且变宽
燃料辛烷值
辛烷值↑ → 燃料抗自燃能力↑ → 抵抗爆燃的'安全裕度'越大
燃烧室积碳
既等效抬高了压缩比,又形成局部热点,两条路径同时放大异常燃烧
密封罐里的火药对应 →混合气的异常燃烧

压缩比=外部压力,辛烷值=火药自身稳定性,积碳=罐内提前放的引火物

9第 9 页 · 不正常燃烧的影响因素

循环波动现象

前几页我们讲了爆燃、表面点火这些'可见'的不正常燃烧。但即便控制参数完全相同,同一气缸每一次点火的燃烧过程都不完全一样——这就是循环波动。它是限制汽油机稀燃极限与热效率的关键现象。

循环波动的定义
同一气缸、相同控制参数下,不同工作循环间燃烧状态的随机差异
波动参数
峰值压力Pmax、最高压力时刻θp、压力升高率、IMEP等呈离散分布
扰动来源
混合气浓度、残余废气、湍流强度、火花能量、缸壁温度的随机起伏
循环变动系数
COV_IMEP=σ/μ的百分比;怠速通常<10%,过大则失火风险升高
工程影响
怠速不稳、振动噪声、排放恶化、稀燃极限受限,是燃烧开发的硬约束
同姿势连续射击对应 →循环波动

同一靶位连开多枪,弹着点散布在靶心周围——散布 = 燃烧参数离散

COVIMEP=σIMEPIMEP×100%COV_{IMEP}=\dfrac{\sigma_{IMEP}}{\overline{IMEP}}\times 100\%
10第 10 页 · 循环波动现象

循环波动的量化指标

把上一页看到的Pmax跳动变成一个可比较的数字,方法在图中左侧;右侧四个方块是波动的来源。

图解渲染中…
A4δ=σ/μ,σ是标准差、μ是均值,无量纲F1每循环空燃比略有差异,雾化与油膜波动F3进气涡旋与湍流强度每次都不同F4积碳改变局部温度与点火条件
11第 11 页 · 循环波动的量化指标

各缸不均匀性

上一页看的是同一缸不同循环之间的波动,这一页把视角切到空间维度——同一台发动机,四个气缸同时点火,做功却并不完全一致。

不均匀现象
各缸IMEP、爆发压力、空燃比存在系统差异
主要成因
进气分配不均、压缩比偏差、点火能量波动、缸壁温度梯度
量化指标
IMEP的各缸变异系数COV,10%是经验阈值
不良后果
振动噪声、排放恶化、平均功率被最差缸拖低
控制思路
进气歧管优化、各缸独立点火闭环、爆燃传感器分区识别
同一支足球队对应 →各缸工作状态

同一套战术、同一名教练,前锋进球数仍有差异——共因之外的个体差异无法消除

COV=σIMEPIMEP×100%COV = \dfrac{\sigma_{IMEP}}{\overline{IMEP}} \times 100\%
12第 12 页 · 各缸不均匀性

改善不均匀性的措施

针对各缸混合气不均,先从进气组织、再校准喷油与点火,让各缸获得更接近的空燃比和燃烧相位。

1
优化进气系统
合理设计进气道、歧管与气流组织,使进气量、燃油蒸发和混合分布更一致
2
调整喷油正时
让喷油与进气流、充量变化匹配,减少油液碰壁和各缸浓度差异
3
校准点火时刻
依据各缸混合状态调整点火提前角,抑制慢燃与局部过稀引起的循环波动
13第 13 页 · 改善不均匀性的措施

燃油喷射系统的历史演进

燃油喷射从纯机械走向电控,精度和自由度一步步提升,最终让喷油器进入燃烧室。

1
机械式喷射
K型系统靠气流推动分配器连续供油,无ECU,精度受机械磨损影响
2
电控单点喷射
节气门前1-2个喷油器,ECU按转速与进气量控制喷油时刻
3
电控多点喷射
每缸一个喷油器在进气门前,各缸独立供油,均匀性显著提升
4
缸内直喷
喷油器直入燃烧室,压力10-20MPa,可实现分层充量与超高压缩比
14第 14 页 · 燃油喷射系统的历史演进

进气道喷射(PFI)系统结构

左侧燃油路径、右侧空气路径,喷油器是两者汇合点,ECU 与传感器共同决定喷油时刻与脉宽。

图解渲染中…
a5装在进气道靠近进气门,喷向背面a6燃油在背面形成油膜c1据传感器信号输出喷油脉宽b2控制进气量,决定空燃比
15第 15 页 · 进气道喷射(PFI)系统结构

缸内直喷(GDI)系统结构

从左到右读:燃油经高压路径抵达喷油器,ECU 决定何时喷、按哪种方式烧。

图解渲染中…
a2供油压力 10–20 MPa,是 PFI 的 50–100 倍a4响应 <0.5 ms,单循环可多次开启s1小负荷:浓混合气聚集在火花塞周围s2中高负荷:混合气均匀充满燃烧室
16第 16 页 · 缸内直喷(GDI)系统结构

PFI与GDI系统对比

混合气形成方式、热效率、排放特性的差异

PFI与GDI系统对比
混合气形成方式、热效率、排放特性的差异
17第 17 页 · PFI与GDI系统对比

非直喷汽油机燃烧室

从气门、火花塞、挤气涡流三块拆解燃烧室结构

图解渲染中…
a9活塞顶接近缸盖的窄面,压缩末气体被挤出形成强湍流a10进气在缸内形成的旋转或翻滚运动,用于加速混合
18第 18 页 · 非直喷汽油机燃烧室

进气道喷射的混合气形成

在上一页认识PFI结构后,喷油嘴并不把油直接送进汽缸,而是趁进气行程把燃油送入进气道。油滴先撞到进气道壁面或进气门背面,再借助高温和高速气流逐步蒸发、卷吸空气并被带进汽缸。

喷束撞壁
喷束撞击壁面会形成液膜;部分油滴直接悬浮蒸发,湿壁程度取决于喷嘴位置、喷射时刻与工况。
液膜吸热
液膜从进气道、进气门和缸盖吸热升温,燃油蒸气持续进入气流。
气动卷吸
高速气流将液膜剪散,液滴继续破碎,燃油蒸气与空气逐步形成可燃混合气。
时间与工况
进气门关闭前的可用时间、歧管压力、壁面温度和转速共同决定蒸发与混合程度。
残余液膜
低温启动或过量喷射时,液膜可能残留并延后入缸,造成瞬态加浓、HC排放升高或缸间差异。
雨滴打在湿路面对应 →进气道燃油液膜蒸发混合

油滴像雨滴撞到壁面,液膜先铺开,再被气流剪碎、带走;温度越高、气流越强,带走越快。

19第 19 页 · 进气道喷射的混合气形成

缸内直喷的混合气形成过程

从左到右读:燃油喷出后分两路,一条悬浮蒸发,一条碰壁成膜再蒸发,最终汇成可燃混合气。

图解渲染中…
a3菱形决策节点,表示喷雾路径分叉a4卷吸:喷雾运动裹挟周围空气一起流动a6燃油撞壁后在表面铺成的液态薄膜a7油膜蒸发比悬浮喷雾慢一到两个数量级
20第 20 页 · 缸内直喷的混合气形成过程

分层稀薄燃烧技术

GDI把燃油喷到缸内,等于把『何时、何地、喷多少』的控制权交给了ECU。这种自由度的极致发挥,就是分层稀薄燃烧——让整个缸稀到省油,又让火花塞周围浓到能点着。

整体稀、局部浓
整体过量空气系数 λ≈1.5~3,火花塞附近 λ≈1,靠浓度梯度搭一座『引燃桥』
分层靠时间差
压缩行程后期单次喷射,燃油来不及扩散,借喷雾/壁面/滚流引导形成梯度
双模式切换
中小负荷分层稀燃(追热效率),高负荷切回均质浓混合气(保功率与排温)
代价与边界
局部过浓→颗粒物排放↑;湿壁→机油稀释;分层窗口窄、控制策略复杂
野地点篝火对应 →分层稀薄燃烧

中央堆干柴(浓混合气)=火种区;周围散落干草(稀混合气)=整体工质;一点火星(火花塞)即可层层引燃

21第 21 页 · 分层稀薄燃烧技术

知识点自测

点击作答

缸内直喷汽油机实现分层稀薄燃烧时,最核心的控制目标是什么?

22第 22 页 · 知识点自测

课后思考

先写下自己的判断与理由,再展开对应参考答案,核对是否遗漏关键因果链。

1为什么正常燃烧既需要合适的混合气,又需要匹配的点火与火焰传播条件?

参考答案从混合气浓度、点火能量和湍流对火焰核形成的影响说起,再说明火焰传播如何继续影响压力升高、循环波动与热效率。

2若把缸内直喷(GDI)的喷油时刻推迟,混合气形成、燃烧相位和排放会怎样变化?

参考答案先判断混合时间、喷雾碰壁与局部过浓风险,再沿混合气—燃烧重心—循环波动—排放的链条分析,并留意不同工况下的权衡。

3若爆燃与表面点火同时出现,只调整点火提前角是否仍然足够?

参考答案不能直接下结论。两种现象的成因不同,应分别核查末端气体自燃、局部炽热点和点火能量等因素,再决定是否需要协同调整。

23第 23 页 · 课后思考
汽油机的混合气形成与燃烧过程 · 知识图解