汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧.ppt

第四章汽油机混合气的形成和燃烧,5-1汽油机混合气形成及热功转换特点5-2汽油机燃烧过程5-3汽油机燃料喷射量的控制5-4汽油机燃烧组织方式及燃烧室5-4汽油机的有害排放物及其控制,内燃机实现热功转换的关键问题：混合气形成方式着火方式,石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源,汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式挥发性好外部混合气形成法均匀可燃混合气点燃温度低强制点燃火焰传播燃烧方式,问题：限制压缩比过高均匀混合气易爆燃；所以，热效率低,一、外部混合气形成特点燃料供给方式分为：化油器和电控喷射两种方式,1）化油器式混合气形成原理及特点混合气形成基本原理：利用空气动力学。,设置喉管加快气流速度产生喉管真空度喷油；高速空气冲散、雾化、蒸发,喉管,浮子室,高速气流,这种混合气形成方式存在的问题：喉管节流：进气阻力，泵气损失，v，结冰；多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各缸不均匀性较大；空然比控制精度,不能满足现代节能与排放法规的要求淘汰被电控汽油喷射技术替代,（1）汽车电子技术发展背景社会要求：,2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成,技术支撑：半导体技术的发展及应用,1948年晶体管发明，1957年使用化；1958年发明集成（IC）电路促进汽车电子技术的发展,1970年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规；1971年微机问世使汽车电子控式技术迅速发展,1972年波许公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统,1976年GM公司开发应用应用点火时期的微机控制技术控制技术由模拟控制向数字控制化发展,1977年日产/丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制,1980年三菱推出卡门涡式空气流量计；1981年波许/日立制作所推出热线式空气流量计,电控汽油喷射技术逐渐成熟,电控汽油喷射的主要优点：1提高了控制自由度，减小进气阻力，改善各缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计，最大限度地提高充气效率。2提高空燃比的控制精度，改善经济性，且配合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。3因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件，故提高发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。,成为现代汽车的主导地位,（2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点,进入气缸的空气量和燃料量分别控制：空气量空气流量计驾驶员控制；燃料喷射量目标空然比ECU控制。,电控汽油喷射的主要问题：根据不同工况下进入气缸的空气量，如何精确控制燃料喷射量控制最佳混合气浓度。,关键问题：确定不同工况下的目标空燃比；精确控制燃料喷射量。需要精确测量进入气缸的空气量,电控汽油喷射系统的混合气控制特点：,由台架试验,事先确定不同工况对应的最佳空然比及其影响因素制成控制脉谱图，存储于ECU的ROM中。,由专门进气流量测量装置，测量每一工况进入气缸的空气量，作为控制喷油量的主要依据。,ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、燃油喷射量；控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压力喷射雾化，完成混合气的形成过程。,质量流量计、进气压力传感器/温度传感器以及转速传感器，,二、缸内直喷（GDI）式混合气形成：由控制目的不同，GDI系统混合气形成特点不同：,用三效催化装置降低排放角度均质的理论空燃比为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用缸内适当气流形成均匀混合气。控制法与PFI同,以节能排放为目的的稀薄燃烧过程时，需要在气缸内形成A/F的梯度分布缸内滚流+喷射时刻（压缩）；喷射压力为25MPa,GDI混合气形成特点：无气道黏附油膜现象，节省额外耗油，起动性、响应性及A/F的控制精确缸内雾化、气化吸热有利于充气效率。,三、混合气浓度与发动机性能的关系,1）混合气浓度对发动机性能的影响,理论上：a=1时完全燃烧，实际上：a=1.031.15时接近完全燃烧因缸内混合气非均匀；残余废气稀释作用直接影响燃烧。称此混合气为经济混合气ab。,a1.031.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、经济性下降，NOx排放也降低。,a=1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；氧化速率，放热1.31.4时，不能传播，下限；at2t1：点火开始到火焰传播末端气体所需时间；t2：点火开始末端气体自燃所经历时间。一切使t1延长、t2缩短的因素，均使爆燃倾向,外部现象：金属敲击声冲击波撞击缸壁；冷却系过热破坏缸壁表面附面层,正常燃烧,轻微爆振,严重爆振,影响爆燃因素：燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强末端气体状态：p、T高，易自燃爆振倾向；如压缩比负荷转速：n，传播速度，爆振倾向；低速大负荷相反，爆振倾向缸径D：D，传播距离长，爆振倾向。,故，汽油机限制大缸径发动机功率覆盖范围受限制。,2）表面点火,炽热表面：排气门/火花塞裙部/积炭等。特点：点火时刻不可控制。早燃：表面点火发生在正常点火之前；工作粗暴，诱发爆燃；无压力冲击波，低频沉闷声。后燃：表面点火发生在正常点火之后。,指不靠火花塞而是由燃烧室内炽热表面点燃的现象。,1）a：a=0.850.95时，燃烧速度最大Pe、Tz、p/Max;a=1.051.15时，完全燃烧，beMin，NOxMax；a1.15时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧;be，HC,四、使用因素对燃烧过程的影响,结论：均质混合气a对燃烧过程影响很大，必须严格控制。,2）点火提前角：指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。不同点火提前角对燃烧过程影响：即每一工况存在最佳点火提前角随工况变化最佳点火提前角：PeMax；beMin；示功图面积最大。,最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。点火过早：压缩负功，pz,T,易爆燃；点火过迟：燃烧过程在膨胀线上延迟传热，排温热效率,3）负荷增加，节气门开度，m1，r减小；燃烧条件得到改善，燃烧所需时间t缩短对应曲轴转角减小最佳点火提前角。但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。,=6nt,4）转速n：n，缸内湍流强度，火焰传播速度；燃烧过程所占时间t缩短；爆震倾向。但，由=6nt；随n，t变化量很小，而；最佳点火提前角。,5.3汽油机燃料喷射量的控制,混合气形成方式：有化油器，电喷系统：一、电控汽油喷射系统(EFI)1）EFI(ElectronicFuelInjection)的分类：根据进气量的测试方式：分为三种：质量流量式速度密度式：节气门-速度式：,热线/热膜式卡门涡式板式,直接测量进气质量流量,由n和进气压力推测进气流量,节气门开度和n推测进气流量,根据喷射位置：分为两种缸内直喷式（GDI）进气管喷射式（PFI）：根据喷油器的安装位置，PFI又分为单点喷射（SPI）淘汰多点喷射（MPI）主流,喷油器受燃气的高温、高压的影响，而且在结构设计以及布置上要求保证喷油器的安装空间,各缸喷油器独立进气管设计自由度大改善各缸均匀性,喷射方式的分类：根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定因此与发动机转速同步；包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一种随机性喷射方式用于起动、怠速或急加速等工况，过渡响应特性。,根据喷射压力：分为高压喷射:200kPa低压喷射：设定值时修正。,修正条件,FTW：当负荷变化率相同时，若TW不同，因油膜蒸发量不同，a不同，故，需修正。,减速修正系数FDC：原因：减速时，随节气门开度，进气量，进气压力，管内壁表面油膜蒸发，a变浓,修正方法：与FAC相反,修正区及方向,氧传感器反馈修正系数FO：原因：汽油机用三效催化装置只在a=1附近，才能同时净化CO、HC和NOx三项有害排放物。故，用O2传感器反馈控制a=1，提高a的控制精度。,ZnO2氧传感器输出特性,修正方法：a=1的正确判定ECU反馈控制。,反馈控制,目标A/F,学习控制修正系数FL：,原因：因发动机长期使用一些零部件磨损等使反馈控制的空燃比偏离目标值的部分，控制精度,修正方法：三过程a)学习过程：确定量b)记忆过程：记忆c)实施过程：修正,学习控制效果：,过渡工况：反馈控制无学习控制时,加学习控制,反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级；发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能实现理论空燃比的反馈控制。学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制,大负荷高转速增量修正系数FH：原因：大负荷时，要求输出最大转矩需要功率混合气a=0.850.95。,修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；开度80%（设定值）时，停止反馈控制；取FH=1.18，并开环控制。,三、速度密度式,1进气量的推测原理由充气效率定义：进入气缸的空气质量：,即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，实时检测进气压力和温度，求得Ga。,2喷油脉宽Ti的确定：,Ka：进气温度修正系数；Kw：怠速暖车修正系数;Kk：加减速修正系数；Kp：节气门开度修正系数；Kf：反馈修正系数；Ks：起动后增量修正及油耗控制修正系数；Ki：怠速稳定修正系数。,1）Tp的确定：三维脉谱法,试验确定各工况下的充气效率；并根据n和进气压力p，标定各工况下的Tp脉谱。,任E点Tp：用4点插值法：,2）FC修正系数的确定进气温度修正系数Ka：原因：因Tp是在进气温度Ta=20时标定。当Ta变化时，取,怠速暖车修正系数Kw:与FI相同,修正范围：TW=-3090，一维脉谱形式。一般：TW70时，Kw=1；TW30时，Kw=1.2；TW-10时，Kw=1.5,加减速修正系数Kk：修正原理基本与FAD相同。,方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。当其中某一项变化量设定值时，根据超过设定值的该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同时超过设定值时，修正系数取两者较大值。,比较,节气门开度修正系数Kp：原因：修正v随节气门开度变化造成a的偏差量修正方法：Kp=f(节气门开度,n)的三维脉谱形式;设定节点之外，采用4点插值法。又，当节气门开度某一设定值时，表示需要输出大功率此时直接取Kp=1.18。,反馈修正系数Kf：与FO相同Kf=1.20.8起动、怠速、大负荷修正时,停止；并取Kf=1,起动后增量修正系数和油耗修正系数Ks：起动后的增量修正：与相同以HC,当nn1(=400r/min)时，由当时的TWFg0=Ks0后，随n，Ks。,油耗修正：指发动机轻负荷状态下运转时，将a控制在比a=1稍微稀薄的范围，以达到改善油耗的目的。Ks=1.030.97范围内时，从Ks=1逐渐减小,怠速修正系数Ki：速度-密度式特有方式。原因：这种方式Tp是通过进气压力确定；而在过渡工况下进气压力的变化相对n的变化有迟后现象,当节气门下游进气容积，或怠速n时，这种响应迟后现象更为严重。,措施：由Ks与转矩变动相反方向进行a的修正消除转矩变动,一、对燃烧室的基本要求燃烧室结构形状:影响混合气形成、火焰传播、放热规律、传热损失以及爆燃倾向。,5.4汽油机燃烧组织方式及燃烧室,所以，要求：1)结构要紧凑面容比A/V：表征火焰传播距离、散热面积以及熄火面积；2)良好的充气性能进气门/进气道布置，流通面积，进气阻力,3)火花塞位置缩短火焰传播距离,排气道,双火花塞，抗爆性,4)可组织适当的气流,通过火焰前锋面积，控制燃烧速率和放热速率,进气道,二、燃烧室内的气流特性,燃烧室内宏观气流运动特性的定义：,涡流：绕气缸中心线（z轴）旋转的气流,滚流：绕于气缸中心与缸心距沟成的面(y轴)旋转的气流,侧滚流：绕气缸中心与缸心距构成面的（x轴）旋转的气流,组织燃烧室内气流的方式:进气系统和燃烧室形状配合进气涡流方式;只通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式,涡流强度螺旋进气道，进气阻力，v为代价，且在压缩过程中衰减。故需随负荷可变控制,多气门涡流可变方式,大负荷时,小负荷时,三、典型燃烧室,楔形：结构较紧凑、火焰传播距离短，挤气面较大,半球形：结构紧凑，A/V值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快,浴盆形：椭圆形挤气效果差，A/V值大，火焰传播距离长,碗形：结构紧凑，火焰传播距离短，挤气效果好燃烧室的A/V较大，散热损失,活塞顶上的回转体,四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统,1）分层燃烧均匀混合燃烧特点：A/F变化范围窄(=12.617)，且在较高温度下易爆燃限制,t;分层给气燃烧的特点：缸内形成A/F梯度分布;火花塞附近较浓可靠点燃；A/F梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配合实现。,分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为进气道喷射式和缸内直喷式两种。,（1）进气道喷射式分层给气燃烧方式,根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式横向分层燃烧方式,1轴向分层稀薄燃烧关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配A/F可达22晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布,进气初期只有空气进入气缸强烈涡流,气门达hmax时喷油，靠涡流上浓下稀分层,径向分量轴分量大时轴向分层,2横向分层稀薄燃烧利用4气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶结构形状，形成滚流。,喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气缸中央,滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空气，形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布,A/F=23，经济性68%，NOx80%,(2)缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧,GDI燃烧系统与PFI的比较PFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范围有限。GDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内喷油。更容易控制缸内混合气形成。,通过喷射时期的控制可实现均质混合气燃烧、分层稀薄燃烧以及HCCI,1GDI混合气形成机理关键技术：进气系统和燃烧室形状缸内滚流；高压喷射控制喷雾与缸内气流配合；火花塞及喷射位置匹配,分层混合气的形成方式,35MPa,喷油器中央布置+涡流,火花塞中央布置+涡流,滚流为主,挤流为主,2GDI燃烧方式的特点气缸压力推迟点火提前角，放热速率，放热持续时间质调节，取消节气门泵气损失。油雾缸内蒸发燃烧室壁面T，传热损失。v，t。分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，传热损失。混合气易分层稳定分层稀燃接近空气循环。A/F控制及过渡工况控制更精确。,因车用发动机不同工况对A/F要求不同：稀燃工况范围只限于中小负荷区。,大负荷或全负荷区：进气行程中喷油目标空燃比实现均匀混合气,在中小负荷区：压缩行程后期喷油上浓下稀的分层混合气。,螺旋进气道或导气屏进气涡流,顺着气流喷油，喷射压力2MPa,气流外缘形成较浓混合气火花塞安装位置,3典型的GDI分层稀燃系统TCCS燃烧系统（Texacocontrolledcombustionprocess）,燃气体和未燃气体靠密度差分离,GDI滚流分层稀燃系统,三菱4G型汽油机：,早喷射,晚喷射,纵向直进气道+半球形燃烧室强烈的反滚流与喷雾配合，分层A/F=40，=12,丰田D4型汽油机：,通过喷射方式的有效控制和燃烧室内涡流的优化匹配实现A/F=50稳定燃烧,2）稀薄燃烧控制,主要控制目的：精确控制A/F，使汽车百公里油耗最低；同时降低排放,关键技术：A/F精确控制在Ttq允许的范围内,控制方法空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈控制。空燃比传感器在ZrO2固体上施加电压时，产生与排气中的O2浓度成比例的O2离子的移动，从而形成电流，即,气缸压力反馈控制法：通过气缸压力传感器检测每循环缸压，求Ttq，A/F反馈控制使Ttq限制在允许范围内,步骤：规定曲轴位置上测缸压p；N循环求Ttq、Ttq,一、汽油机有害排放物及其产生机理汽油机的有害排放物：排气中的CO、HC、NOx、CO2；曲轴箱通风向大气排出的HC排放；燃料供给系中燃料蒸发的HC等。污染物来源不同，措施不同：尾气排放燃烧系统改进+后处理技术；曲轴箱通风PCV阀回流到进气管；燃料供给系蒸发物活性碳罐吸收装置来控制,5.5汽油机的有害排放物及其控制,活性碳罐吸收装置,用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中随情系空气进入气缸。,活性炭,活性炭罐,单向阀,产生机理：N2和O2在高温下化合的结果Zeldovich机理:因素及措施：O2浓度，燃烧温度Tz，滞留时间危害：NO2是刺激性毒气;破坏O3层平衡测量方法:化学发光法(CLD),N2分解需较大活化能决定NO形成的高温条件,O在NO形成中起活化链作用，所需活化能小，反应快,1）NO,2）CO,1产生机理及影响因素C/H不完全燃烧产物受反应速度、温度及a的影响在a1下燃烧时局部不均匀局部燃烧不完全CO排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化少量CO,2危害：与血红素的结合能力强，是氧的300倍；破坏造血功能中毒死亡(0.3%)3.测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR）,3）HC,1HC的生成机理及影响因素来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风汽油机燃烧过程中HC的生成：缸内壁面淬冷效应