「解剖火花塞」汽油机燃烧三阶段及影响因素 汽油机燃烧的三个阶段

着火是指可燃混合气的氧化反应速度突然加速，出现火焰的现象。燃烧是燃料和氧化剂进行剧烈氧化反应，产生发热发光的现象。燃烧过程中存在着复杂的传热、传质、化学反应和流动现象。

通常，汽油机燃烧是火花点火和火焰传播，根据气缸内压力变化特征，可以将燃烧过程分为三个阶段。

1、着火落后期，又称为滞燃期、着火延迟期、初燃期、火焰发展期。

着火落后期是从A点火花塞点火开始到B点形成火焰中心，A点是火花塞点火的瞬间，A点到上止点之间的角度也就是点火提前角；形成火焰中心的B点是压力上升线和纯压缩线分离的点。着火落后期约占整个燃烧期的10%左右，这时候是火花塞点火三阶段（击穿阶段、电弧放电阶段、辉光放电阶段）发生的时候，火花塞间隙之间的压力和温度已经发生了几次变化，但从整个气缸看来，气缸内工质的压力和温度没有明显升高，只是形成了中间产物，放热很少。下图红圈部分主要是着火落后期。

着火落后期形成了火核，并以层流火焰状态向周围扩展。一般汽油机的着火落后角是10-20°CA。

着火落后期影响着整个燃烧，为了着火性能好、保持燃烧稳定、各循环间压力波动小，应该尽量缩短着火落后期，所以又称为滞燃期。

影响着火落后期的因素有：

（1）燃科本身分子结构和物理化学性质。辛烷值高的燃料着火落后期短，有的车主说加了95号比92号动力大，原因之一在于此。

（2）点火时缸内混合气压力和温度。 压缩比越高，压力和温度就越高。

（3）点火时缸内混合气浓度在0.8-0.9时，燃烧的速度最快，着火落后期最短。

（4）混合气有微尺度的涡流有助于提高点火时活化中心的扩展能力，加快火焰传播，使着火落后期缩短。

（5）火花点火能量大，着火落后期就缩短。

（6）残余废气量减少，着火落后期缩短。

2、速燃期，又称为明显燃烧期、主燃期、中燃期、快速燃烧期、火焰传播期。

速燃期是从形成火焰中心的B点到压力最高点C点，期间大部分燃料（约70-90%）是在这个阶段烧完的，燃烧放热主要是在火焰前锋面上进行，火焰烧遍整个燃烧室，缸内压力和温度急剧升高，压升率高（通常在0.2~0.4MPa/（CA）），火焰传播速度快（约50~60m/s）。

形成火焰中心的B点一般出现在上止点前12°-15°比较合适。压力最高点C点一般被希望出现在上止点后10-15°CA。

速燃期对汽油机性能有决定性影响，速燃期越短，越接近上止点，汽油机的动力性、经济性也越好。但过高可能会导致噪声、振动大、工作粗暴、排放不佳。

速燃期的燃烧速度几乎只取决于强湍流的脉动速度。

压力最高点C点出现的时刻，一般可通过改变点火提前角调整。火焰传播速度越快，速燃期的压升率越高。

3、后燃期，又称为补燃期，末燃期、燃尽期。

点D是燃料基本烧完的点，总燃料的5-10%左右在后燃期被燃烧掉。由于燃料与空气的混合并非完全均匀，加上燃烧产物在高温下可能发生热分解，因此，在火焰锋面传到末端混合气后，缸内仍有未完全燃烧的燃料存在。后燃期是活塞下行，缸内压力很快下降，热能转化为功的能力减弱，所以要尽量减少后燃期。

后燃和混合气浓度有关。混合气过浓（如a<0.8）时，燃烧缓慢，后燃严重，甚至在排气门打开后进入排气管中燃烧，产生排气管放炮现象；混合气过稀（如a>1.3），火焰传播速度过慢，缸外形成混合气的汽油机在进气门开启时火焰传到进气管内，引起进气管回火现象。

后燃还和点火提前角有关。点火提前角越小，后燃越严重。

汽油机燃烧持续期一般为小于60°的曲轴转角，对应转速1000-5000转/分钟的四冲程汽油机发动机，燃烧的持续时间是2-10ms不等。

还有那些因素会影响燃烧过程呢。

（1）提高压缩比可以提高发动机的功率和热效率。

（2）燃烧室的结构、形状影响燃烧过程的传播速度、放热率、传热损失、爆燃倾向、充气效率，从而影响发动机的性能。

（3）缸内气流合理的运动对提高燃烧速度、加快火焰前锋传播、缩短燃烧期都有较大的影响。

（4）多火花塞且靠近燃烧室中心，使燃烧速度加快，持续期缩短。优化的火花塞结构也对火核的形成和成长起较大影响。

（5）若增大气缸直径将增大火焰传播距离，并增加末端混合气的温度，增加爆燃倾向，所以缸径不宜过大，通常小于100mm

（6）铝合金气缸盖和活塞的温度比铸铁低，发动机热负荷明显下降，减少爆燃倾向。

（7）燃料的抗爆性（辛烷值）高，可提高压缩比，改善发动机性能。

（8）过量空气系数（空燃比）影响传播速度和燃烧过程。

（9）恰当的点火提前角对应发动机的最大功率和最低油耗率，即最佳点火提前角。

（10）转速提高时，混合气进入气缸的流速增加，气流增强，改善了燃料和空气的混合，使得火焰速度加快。

（11）汽油机负荷减小，最佳点火提前角要提前，燃烧室温度下降，混合气的焰前反应减慢，着火落后期变长，火焰传播速度下降。

（12）燃烧室温度提高1倍，火焰传播速度约提高4倍。

（13）废气再循环率（EGR率）逐步加大到20%左右，净指示效率达到峰值，之后效率下降；速燃期在试验范围内与EGR增加呈线性增加，速燃期在30℃A时，效率达峰值。

参考资料：

《汽车发动机原理》王建昕 帅石金 主编 2011 清华大学出版社

《内燃机原理教程》 主编许锋 隆武强 大连理工大学出版社 2015

《汽车发动机构造、原理与维修》于增信等编著 2016 机械工业出版社

《内燃机燃烧科学与技术》李向荣等编著 北京航空航天大学出版社 2012

《内燃机学》第4版 主编刘圣华周龙保 机械工业出版社 2017

《车辆内燃机原理》孙军主编 2012 高等教育出版社