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1 第四章汽油机的燃油供给与燃烧 目录 4 1汽油机混合气的形成及燃烧过程 4 2汽油机燃烧室 4 3化油器式燃油系统的组成 4 4汽油机各种工况对混合气成分的要求 4 5化油器构造 第四章汽油机的燃油供给与燃烧 3 4 1汽油机混合气的形成及燃烧过程 一 汽油机混合气的形成特点汽油机混合气的形成要经过雾化 蒸发 扩散并与空气混合的过程 混合气的形成过程主要是通过化油器或者喷射装置在气缸外部进行的 另外汽油机的混合气形成是以预混合的方式进行的 在进气门开启的时候 混合气就已经基本形成 直接进入气缸 经过压缩行程 最后靠火花塞跳火将其点燃 而柴油机混合气的形成是以扩散混合的方式进行的 即混合气的形成和燃烧重叠进行 在混合气的形成过程中 混合气就开始着火燃烧 即边喷油 边混合和燃烧 4 为了获得均匀的混合气 柴油机对油束和燃烧室的配合以及组织燃烧室内的气流运动都有很高的要求 但汽油机在这些方面的要求则要低很多 一般情况下 由于在气缸外部形成的混合气比较均匀 能够基本满足燃料完全燃烧的要求 因此 汽油机对燃烧室结构以及气流在气缸内的运动要求要比柴油机低得多 5 二 汽油机混合气形成的方式 化油器式和汽油喷射式 化油器式汽油混合气形成示意图 6 电子控制汽油喷射式汽油机混合气形成 1 电控单元 2 温度传感器 3 节气门 4 喷油器 汽油在混合气中蒸发的程度直接影响到混合气燃烧的速度和完善程度 进而会影响汽油机的功率 经济性及排气中的有害成分 7 三 汽油机的燃烧过程 一 正常燃烧汽油机混合气的燃烧过程进行得非常快 所经历的时间约为1 5 3ms 为了便于分析 通常将燃烧分为三个阶段 着火滞燃期 显燃期 后燃期 8 第一阶段 i 滞燃期 指从火花塞跳火至形成火焰中心的阶段 以 1表示 从火花塞跳火至上止点的曲轴转角 ig称为点火提前角 9 1的大小与火花的能量 混合气的压力和温度 混合气的浓度 a 0 8 0 9时 1最短 残余废气系数 气缸内的气流运动等因素有关 它对每一循环都可能有变动 有时最大值可达最小值的数倍 1的大小对汽油机的工作影响不大 因为可用调节点火提前角控制点2的位置 与柴油机的 1对燃烧的影响有所不同 10 第二阶段 ii 显燃期 从形成火焰中心 点2 到气缸内出现最高压力的阶段 火焰前锋从火焰中心开始以30 60m s的速度向前推进 几乎燃遍整个燃烧室 最高压力pz可达3000 5000kpa 最高温度tz可达2200 2800 11 显燃期是汽油机燃烧的主要阶段 这个阶段的长短 对汽油机功率和经济性有很大影响 如果这个阶段过短 燃烧会过早到达点3 这样就会在压缩过程中燃烧大量的混合气 从而引起压缩过程负功的增加 并使及pz过高 12 如果过长 燃烧会过迟到达点3 那样大部分混合气的燃烧在膨胀过程中进行 所放出的热量就不能被有效利用 并增大气缸壁的传热量 这都会使汽油机的功率和经济性下降 在结构参数已定的情况下 可用调整点火提前的办法找出最佳的燃烧时刻 13 第三阶段 iii 称为后燃期 从出现最高压力 点3 到燃油基本全部燃烧完 点4 的阶段 在该阶段燃烧的主要是在火焰前锋过后没来得及燃烧的燃油及粘附在燃烧室壁面上的混合气 14 为有效地利用燃油燃烧放出的热量及减少气缸壁的散热损失 应尽量缩短后燃期 为获得汽油机良好的动力性 经济性和工作柔和性 一般使点2位于上止点前12 15 a 点3位于上止点后12 15 a 将控制在170 240kpa a的范围内 并尽可能缩短后燃期 15 二 不正常燃烧 1 爆燃爆燃是指汽油机在某种条件下工作时 如压缩比过高 燃油辛烷值过低等 当火花塞点火并且火焰以正常速度向前推进时 处于最后燃烧位置的混合气 末端混合气 会进一步受到压缩和已燃混合气的热辐射作用 在正常火焰未达到之前产生一个或几个火焰中心而自行燃烧的现象 16 爆燃的危害 爆燃时 由于爆燃处的压力和温度急剧上升 气缸内的压力来不及平衡 化学反应速度大于气体膨胀速度 因此会在自然区内形成一个压力脉冲 并以极高的速度传播火焰 轻微爆燃时可达100 300m s 强烈爆燃时可达800 1000m s 这个压力脉冲在气缸壁 活塞顶及气缸盖底面之间屡次反射 迫使气缸壁等零件振动并产生高频噪声 17 另外由于压力波冲击作用 气缸壁上的层流边界层被破坏 使气缸壁的传热量大为增加 冷却系统过热 并加大机件的磨损 长时间的强烈爆燃往往会使铝合金缸盖及活塞等因局部过热产生局部金属变软 熔化而损坏的事故 在强烈爆燃时还会在高温下引起燃烧产物的分解而生成自由碳随排气排出 出现排气昌黑烟的现象 18 爆燃可缩短混合气的燃烧时间 因而在轻微爆燃时 汽油机功率略有增加 但在强烈爆燃时 由于散热损失和不完全燃烧损失远超过由缩短燃烧时间所得到的好处 而使功率和经济性下降 19 影响爆燃的因素 燃料性质辛烷值高的燃料 抗爆燃能力强 末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高 则爆燃倾向增大 压缩比 气缸盖 活塞的材料 火焰前锋传播到末端混合气的时间提高火焰传播速度 缩短火焰传播距离 都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间 这有利于避免爆燃 20 柴油机的工作粗暴和汽油机的爆燃 柴油机的工作粗暴和汽油机的爆燃虽然都是燃料自燃的结果 但两者产生的原因和发生的部位不同 柴油机的工作粗暴发生在显燃期的初期 由于大量燃料在瞬间参与燃烧而引起值的增大 汽油机的爆燃则发生在显燃期的末期 在末端混合气中产生 两者的影响因素也是不同的 21 2 表面点火 炽热点火 在汽油机压缩过程中 凡不依靠电火花点火 而由炽热表面或炽热点点燃混合气所引起的不正常燃烧现象称为表面点火 它多发生在 9以上的强化汽油机上 炽热表面或炽热点往往来自于过热的火花塞 排气门或燃烧室表面的炽热沉积物等 表面点火可分为早燃和激爆两种现象 22 早燃 早燃是指在火花塞跳火之前 高温炽热点将混合气点燃而使混合气燃烧的一种现象 发生早燃时 汽油机压缩行程的负功增大 功率下降 增大 汽油机运行不稳定 发出较为沉闷的敲击声 并有过热现象 这样又使炽热点的温度更为升高 更早的点燃混合气 在单缸汽油机上发生早燃往往导致停车 在多缸汽油机上 部分气缸产生早燃虽然不致使汽油机停车 但会使活塞和气门的热负荷增大 并会增大零件的机械负荷 引起活塞连杆组的损伤 23 激爆 汽油机在怠速或低负荷运行时 常会在燃烧室表面形成一层导热性很差的沉积物 其表面温度很高 在高温下沉积物中的碳与混合气中的氧化合而呈白炽状态 汽油机加速时 气流将这些白炽的碳粒吹起并散布于混合气中 从而会在混合气中产生多点点火的现象 将这种早燃现象称为激爆 这时混合气剧烈燃烧 使 pz tz急增 并引起强烈的爆燃 发出强烈的震音 24 爆燃与表面点火的区别与联系 由上所述可以看出 表面点火和爆燃都是不正常燃烧现象 爆燃是在火花塞点火之后末端混合气自燃所造成的 表面点火则是在火花塞点火之前 由炽热点点燃混合气所造成的 但两种往往又互为促进 强烈的爆燃常促进燃烧室炽热点的形成 导致表面点火 表面点火又会使末端混合气的温度升高 而促使爆燃发生 25 四 使用因素对燃烧过程的影响 使用因素包括燃料性质 混合气浓度 点火提前角 转速 负荷及冷却强度等 这些都对汽油机的燃烧过程有显著的影响 1 燃料性质燃料性质对燃烧过程的影响主要体现在对爆燃的影响 如前所述 在选择燃料时应使其辛烷值与汽油机的压缩比相适应 26 2 混合气浓度 混合气浓度的影响主要体现在火焰传播速度上 如图4 5所示为混合气火焰传播速度的关系 当 a 0 8 0 9浓度与时火焰传播速度最大 此时汽油机的功率也最大 但燃烧是不完全的 经济性较差 在 a 1 05 1 15时 燃烧完全 因而汽油的经济性最好 但此时缸内温度高且空气富裕 no2排放量大 27 混合气过稀时 因火焰传播速度过低 难以有效地利用燃料放出的热量 加以散热损失加大 而使功率及经济性下降 混合气过浓时 火焰传播速度也很低 加上燃烧不完全 也使功率及经济性下降 28 3 点火提前角 在正常燃烧中 点火提前角的大小影响显燃期在示功图上的位置 如前面分析 点火提前角过大或过小都会使汽油机的功率和经济性下降 因此在一定的运转条件下 如转速 节气门开度等 点火提前角有一最佳值 29 点火提前角特性 30 转速增大时 虽然单位时间转过的曲轴转角增大了 但由于气缸内混合气的涡流运动加强 而使火焰传播速度加快 转速增大时 混合气质量 雾化 气化程度 有所提高 再加以在压缩过程中向气缸壁散热量的减小 有利于缩小滞燃期 但由于残余废气系数随转速的增高而加大 以及气流吹走电火花周围的混合气的倾向增大 又有使滞燃期增大的倾向 这些因素的综合作用是以时间计的滞燃期变化不大 但以曲轴转角计的滞燃期则随转速的升高而加大 31 5 负荷 负荷减小时 节气门开度减小 因吸入的混合气量减少以及残余废气系数的加大 使火焰传播速度减小 同时 因散热损失相对增加而使经济性变坏 但这些因素的影响会使末端混合气不容易自燃 因此爆燃倾向是随汽油机负荷的减小而减弱的 负荷减小时 上述因素的变化使滞燃期增大 因而最佳点火提前角随负荷的减小而增大 32 6 冷却强度 过度冷却会使混合气质量变坏 从而使燃烧速度降低 并且散热损失增大 汽油机的功率及经济性下降 冷却不足则使汽油机过热 容易产生早燃及爆燃现象 33 4 2汽油机燃烧室 一 对燃烧室的要求燃烧室形状对燃烧过程的火焰传播 燃烧速度 爆燃倾向 散热损失 充量系数以及排气中的有害成分等都有较大影响 在一定程度上决定了汽油机工作的好坏 汽油机燃烧的是均匀混合气 无需用燃烧室的结构来保证混合气的形成 所以与柴油机相比 汽油机的燃烧室较为简单 34 对汽油机燃烧室一般有以下几个要求 1 结构紧凑主要以面容比 f v 来表征 面容比越小 燃烧室越紧凑 燃烧时火焰传播距离短 不易爆燃 可提高压缩比 相对散热损失小 热效率高 激冷面积小 hc排量少 35 2 具有良好的充气性能对于充气性能的好坏 主要应考虑进气门 进气道的位置 应允许有较大的进气门直径或进气流通面积 适用于多气门布置 进气流线短 转弯少 使混合气尽可能平直 顺畅地流入燃烧室 36 3 火花塞位置安排适当 要能利用新鲜混合气充分扫除火花塞周围的残余废气 使混合气易于点燃 保证低速工作稳定性好 各循环间的燃烧变动小 火花塞应尽可能布置在燃烧室温度较高的区域 如排气门附近 使受炽热表面加热的混合气及早燃烧不致发展为爆燃 火焰传播距离应尽可能短 37 4 燃烧室形状合理分布燃烧室形状首先应满足速燃的要求 一般应将燃烧完90 燃料的燃烧持续期控制在60 曲轴转角之内 其次也要考虑燃烧速度的变化率 即使压力上升速度不致过快 38 5 组织适当的气流运动在汽油机的燃烧室中组织气流运动的目的是加速火焰传播 提高燃烧速度 缩短燃烧时间 以提高功率 经济性和减小爆燃倾向 这与在柴油机中组织气流运动的目的不尽相同 对气流运动的强度要求也比较低 39 汽油机挤气涡流示意图 40 6 防止爆燃和早燃应对末端混合气进行适当冷却 燃烧室应避免局部热点和突出物 以防止爆燃和早燃 41 二 常见典型燃烧室 1 楔形燃烧室气门稍倾斜以使进 排气流动通畅 因挤气涡流与燃烧室的配合较好 挤气效果好 燃烧室比较紧凑 这种燃烧室的压缩比可提高到较高数值 经济性和动力性较好 但由于混合气过于集中在火花塞附近 使值高 工作较为粗暴 42 2 浴盆形燃烧室 43 2 浴盆形燃烧室 火花塞位于进 排气门之间 燃烧室宽度略超出气缸范围 以加大气门直径 气门尺寸所受的限制比楔形燃烧室的大 充量系数也较低 因燃烧室形状与挤气涡流的配合不够理想 与楔形燃烧室相比 燃烧速度较低 火焰传播距离也较长 使值较低 工作比较柔和 这种燃烧室的制造工艺性较好 又便于维护 在载重汽车上应用较为广泛 44 3 多球形燃烧室 45 火花塞多布置在中央 具有双行倾斜排列的气门 它结构紧凑 火焰传播距离短 容许较大的气门直径和平直圆滑的进气通道 充量系数高 因此动力性 经济性好 hc排量小 高速适应性强 6000r min以上汽油机多采用 它一般不组织挤流 紊流较弱 容易在低速 大负荷时引起爆燃 由于火花塞附近有较大容积 使工作粗暴 噪声较大 气门双行排列 配气机构较复杂 46 在多气门 每缸三 四或五个气门 发动机上均采用多球形燃烧 以能充分利用燃烧室表面布置气门 两行气门间的夹角小 燃烧室比较紧凑 但气门头部直径较小 进 排气道弯曲度大 一般燃烧室不组织挤流或有很小的挤流 为解决中低速燃烧问题 有时采用形状不同的两进气道 在气缸内产生涡流 以改善燃烧 47 汽油机燃烧室的性能比较 48 4 3化油器式燃油系统的组成 1 油箱 2 油管 3 汽油滤清器 4 汽油泵 5 化油器 6 汽油表 7 空气滤清器 8 消声器 49 一 油箱 50 二 汽油滤清器 51 三 汽油泵 1 机械驱动的膜片式汽油泵 52 b501型电动式汽油泵 53 4 4汽油机各种工况对混合气成分的要求 4 4 1可燃混合气成分的表示法空燃比 可燃混合气所含空气与燃料的质量比 过量空气系数 燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量 完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量理论上 1kg汽油完全燃烧需空气14 8kg 无论使用何种燃烧 凡 1的可燃混合气即为理论混合气 1的为浓混合气 1的则为稀混合气 54 经济混合气 1 05 1 15功率混合气 0 85 0 95火焰传播下限 当混合气稀到 1 3 1 4时 燃料分子间的距离增大 达到使混合气火焰不能传播的程度 以致发动机不能稳定运转 甚至缺火停转 此值称为过量空气系数的火焰传播下限 55 火焰传播上限 当混合气加浓到 0 4 0 5左右时 由于燃烧过程中严重缺氧 也将使火焰不能传播 此 值称为过量空气系数的火焰传播上限 56 4 4汽油机各种工况对混合气成分的要求 一 简单化油器混合气的形成原理 57 由于汽车行驶情况不断变化 所需的发动机功率也应作相应的变化 在汽车行驶过程中改变发动机功率是通过改变供入的可燃混合气的数量来实现的 为此 化油器设有节气门 在发动机转速不变时 节气门开度愈大 喉部的空气流速 流量和真空度 p h越大 而影响喉部真空度的因素除节气门开度外 还有发动机转速 当节气门开度一定时 发动机转速愈高 则气缸内真空度愈大 喉管中的空气流速和真空度也就愈高 58 在气缸真空一定时 空气的流量决定于喉部的形状和尺寸 喉部真空度一定时 汽油流量取决于量孔尺寸 59 简单化油器特性 60 在节气门小开度的范围内 随着节气门开度的加大 汽油流量的增长率比空气流量的增长率大得多 因而混合气的浓度明显由稀变浓 再继续加大节气门开度 这种趋势仍然存在 但由于汽油流量和空气流量的增长率逐渐接近 因而混合气的浓度也逐渐趋于稳定 在转速不变时 简单化油器所供给的混合气浓度随节气门开度变化的规律 称为简单化油器特性 61 二 汽油机各种工况对混合气浓度的要求 1 起动汽油机起动时 运转速度极低 空气流经喉管的速度相应也低 从而导致燃料的雾化程度差 使进入气缸的混合气中汽态燃料减少 即混合气变稀 特别是在低温起动时 汽油不易蒸发 由于混合气太稀不能着火做功 因此 为使发动机顺利起动 要求化油器供给极浓的混合气 其 a值约为0 2 0 6 62 2 怠速 怠速运行时 汽油机的转速仍较低 一般为700 900r min 尤其在冷机时同样存在着雾化 蒸发差的问题 加之节气门接近全闭 吸入气缸的混合气的数量很少 在这种情况下 气缸内的残余废气量相对增多 残余废气对新鲜混合气的稀释作用明显 燃烧速度减慢甚至熄火 因此 当汽油机怠速时 要求供给较浓的混合气 其 值约为0 6 0 8 63 3 小负荷 汽油机在小负荷工作时 虽然由于节气门开度加大使燃料的雾化 蒸发程度较怠速时有所改善 但残余废气的影响还存在 因而仍需供给较浓的混合气 另外 当汽油机负荷极小时 从汽油机工作稳定性考虑 也需要较浓的混合气 小负荷时 混合气浓度的 a值约为0 7 0 9 64 4 中等负荷 中等负荷工况节气门开度在25 85 范围内 是车用汽油机最常用的工况 此时主要考虑经济性 要求供给具有经济空燃比的混合气 其 a值约为0 9 1 1 主要是 a 1的稀混合气 经济混合气是指使汽油机具有最小燃油消耗率的混合气 其范围是 a 1 05 1 15 65 5 大负荷及全负荷 汽油机在大负荷或全负荷工作时 节气门接近或达到全开位置 这时需要发动机发出最大功率以克服较大的外界阻力或加速行驶 这时动力性要求处于第一位 而经济性要求降低 应该供给的混合气为功率混合气 其 a值约为0 85 0 95 66 6 加速 由于汽油的惯性较大 燃料流量的增长比空气流量的增长要慢得多 这将导致混合气暂时过稀 另一方面 加速时节气门开度突然增大 进气管内气压陡增 而温度却因冷空气的进入而降低 这都导致进气管内的汽油蒸发困难 从而进一步加剧混合气变稀 由于上述原因 为了在加速过程中供给相应浓度的混合气 必须进行额外加浓 即在节气门突然开大时 额外增加供油量 以满足加速需要 67 理想化油器特性 汽油机正常运行时 从小负荷到中负荷范围内 要求化油器能随负荷的增加 供给由较浓逐渐变稀的混合气 当进入大负荷直到全负荷范围内时 又要求混合气由稀变浓 最后加浓到能保证发动机发出最大功率 这种在转速一定的情况下 发动机所要求的混合气成分随负荷变化的规律称为理想化油器特性 68 理想化油器特性曲线 1 相应于最大功率的 a 2 相应于最低燃油消耗率时的 a3 理想化油器特性 69 4 5化油器构造 实际中使用的化油器是在简单化油器的基础上增添一系列混合气调配装置构成的 能够满足各工况对混合气浓度的要求 这些装置主要包括 主供油装置 怠速装置 起动装置 加浓装置和加速装置 另外为了环保的需要 在化油器上还增添了一些其他附属装置 70 主供油装置的作用是当汽油机在小负荷至中负荷范围内工作时 使混合气由浓变稀 a值从0 8左右变至1 1 并在中负荷时供给最经济的混合气 除了怠速和极小负荷工况外 在其他工况下 主供油装置都起作用 71 二 怠速装置 怠速装置的作用是在汽油机以怠速或极小负荷工作时供给 a值约为0 6 0 8的浓混合气 在怠速工况下 汽油机转速很低 节气门接近于全闭位置 流过喉管的空气量很少 流速也很小 这时喉部真空度很低 燃油不可能由主喷管流出 因此必须另设一套装置 72 怠速系统示意图 73 三 起动装置 起动装置的作用是在汽油机冷车起动时供给 a值约为0 2 0 6的极浓混合气 以使进入气缸的混合气中有足够的油气 达到可以被点燃的程度 74 自动阻风门系统示意图 a 自动阻风门系统b 自动阻风门结构 75 四 加浓装置 加浓装置的作用是当汽油机在大负荷或全负荷工作时供给其 a值为0 8 0 9的浓的功率混合气 使汽油机发出最大功率 机械式加浓系统示意图 76 真空式加浓系统示意图 77 五 加速装置 加速装置的作用是在节气门急速开大时额外供给一部分燃油 以使混合气保持一定的浓度 满足汽油机加速的要求 最常用的是活塞式和膜片式两种 加速装置工作原理图 78 加速装置的通气措施 79 膜片式加速泵 a 非加速状态b 加速状态 80 六 化油器的类型 化油器的形式很多 一般可按下