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汽车发动机原理 制作人 张振东 目录 前言 课程绪论第一章 发动机性能第二章 发动机换气过程第三章 燃料与燃烧第四章 汽油机混合气的形成与燃烧第五章 柴油机混合气的形成与燃烧第六章 发动机的特性第七章 车用发动机废气涡轮增压第八章 排气污染机及控制 第四章 汽油机混合气的形成与燃烧 4 1汽油机燃烧过程4 2汽油机混合气形成4 3汽油机燃烧室 4 1汽油机燃烧过程 一 正常燃烧 一 正常燃烧过程进行情况 I着火延迟期 1 2 II明显燃烧期 2 3 III后燃期 3 I着火延迟期 1 2 点火 偏离纯压缩线 i 2 1 影响因素 1 燃料性质辛烷值2 点火时缸内压力 温度3 混合气成分 0 8 0 9最小4 残余废气5 点火能量 II明显燃烧期 2 3Pmax II越短 越靠近上止点 经济性 动力性 p 噪声 振动 排污 II f uT 火焰传播速度 f uT 层流火焰传播速度 混合气紊流脉动速度 III后燃期 3 指明显燃烧期以后的燃烧 主要有火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧 贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧以及高温分解的燃烧产物 H2 CO等 重新氧化 这种燃烧已远离上止点 应尽量减少 二 燃烧速度 通过改变 改变P V曲线 控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置 现代汽油机转速很高 燃烧时间极短 这就需要有足够快的燃烧速度 并希望它合理地变化 式中 t 未燃混合气密度 Ut 火焰传播速度 At 火焰前锋面积 影响燃烧速度的因素有 1 火焰传播速度Ut火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素 现代汽油机的Ut可高达50 80m s 影响Ut的主要因素是 燃烧室中气体的紊流运动 混合气成分 混合气初始温度 1 紊流运动 紊流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成 涡流运动可使火焰前锋表面扭曲 甚至分隔成许多火焰中心 使火焰前锋燃烧区加厚 如图所示 火焰传播速度加快 紊流强烈 紊流较弱 2 混合气成分不同 火焰传播速度也明显不同 如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系 当 0 85 0 95时 火焰传播速度最大 燃烧速度最快 功率也最大 称为功率混合比 当 1 03 1 1时 火焰传播速度较大 氧气又充足 燃烧完全 称为经济混合比 火焰传播下限 1 3 1 4时 火焰传播速度降低 甚至不能传播 火焰传播上限 0 4 0 5时 混合气过浓 也使火焰不能传播 为了保证可靠的工作 汽油机的 在0 6 1 2范围 即空燃比A F 9 18 3 混合气初始温度 混合气初始温度高 火焰传播速度增加 2 火焰前锋面积At利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合 可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积 以调整燃烧速度 它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况 与压力上升密切相关 3 可燃混合气密度 t增大未燃混合气密度 可以提高燃烧速度 因此增大压缩比和进气压力等 均可加大燃烧速度 三 汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下 各循环之间的燃烧差异和各缸之间的燃烧差异 1 各循环之间的燃烧差异各循环之间的燃烧差异主要是燃烧的不稳定性 表现为循环的压力波动 如图示出不同循环的气缸压力变化情况 从中可以看到变化较大 低负荷时情况更严重 这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态 因而油耗上升 功率下降 不正常燃烧倾向增加 使汽油机性能下降 产生这种现象的主要原因是 火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质 程度在各循环均有变动 致使火焰中心形成所用的时间不同 即由有效着火时间变动而引起的 对各循环之间的燃烧变动的现象的机理至今还不十分清楚 但可以肯定 1 0 8 0 9时循环燃烧变动最小 混合气加浓或减稀变动均增加 2 在中等负荷以上变动较小 低负荷时 残余废气量相对增多 变动更为明显 3 加强紊流有助于减少变动 因此转速增加 一般变动减小 4 加大点火能量 采用多点点火 情况有所改善 5 点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感 2 各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的 影响因素很多 总的来说 与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系 任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配 其中影响最大的是进气管的设计 四 燃烧室壁面的熄火作用 在火焰传播过程中 燃烧室壁对火焰具有熄火作用 即紧靠壁面附近的火焰不能传播 这样 在熄火区内存在大量未燃烧的烃 它是汽油机排气中HC的主要来源之一 当 1左右 熄火厚度最小 混合气加浓或减稀 此厚度均增加 负荷减小时 熄火厚度显著增加 燃烧室温度 压力提高 气缸紊流加强 熄火厚度均减小 二 不正常燃烧汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火 1 爆燃汽油机发生爆燃时的外部特征是 气缸内发出特别尖锐的金属敲击声 亦称之敲缸 轻微敲缸时 发动机功率上升 油耗下降 但严重时 会产生冷却水过热 功率下降 耗油率上升 对发动机极其有害 2 爆燃产生的原因 正常燃烧 有明显的火焰前锋 且逐层向外传播 直至燃烧完毕 爆燃 火焰前锋未到 混合气受到压缩 热辐射 自行起火形成新的火焰中心 产生新的火焰传播 轻微爆燃 100 300 m s 800 2000 m s 强烈爆燃 若自燃区占整个燃烧室容积的5 则为强烈爆燃 影响爆燃的因素为 1 燃料性质辛烷值高的燃料 抗爆燃能力强 添加剂能有效地提高燃料的抗爆燃能力 2 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 3 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 在汽油机中 凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面 如排气门头部 火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等 点燃混合气的现象 统称表面点火 它的点火时刻是不可控制的 多发生在 9以上的强化汽油机上 2 表面点火 早燃是指在火化塞点火之前 炽热表面就点燃混合气的现象 由于它提前点火而且热点表面比火花大 使燃烧速率快 气缸压力 温度增高 发动机工作粗暴 并且由于压缩功增大 向缸壁传热增加 致使功率下降 火花塞 活塞等零件过热 图4 11给出汽油机早燃示功图情况 2 表面点火 早燃会诱发爆燃 爆燃又会让更多的炽热表面温度升高 促使更剧烈的表面点火 两者互相促进 危害可能更大 与爆燃的不同点 1 爆燃是火花塞跳火后末端混合气的自燃现象 表面点火一般是在火花塞之前由炽热物点燃混合气所致 2 爆燃时有强烈的压力冲击波 有尖锐的金属敲击声 表面点火没有压力冲击波 敲缸声比较沉闷 主要是由活塞 连杆 曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成 三 使用因素对燃烧的影响1 混合气浓度 值的范围 0 4 0 5 冷起动混合气 0 85 0 95 功率混合气 1 05 1 15 经济混合气 使用 1的浓混合气工作 由于必然会产生不完全燃烧 所以CO排放量明显上升 当 1 2时 火焰速度缓慢 部分燃料可能来不及完全燃烧 因而经济性差 HC排放量增多且工作不稳定 三 使用因素对燃烧的影响2 点火提前角 点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角 汽油机保持节气门开度 转速以及混合气浓度一定时 汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性 对应于每一工况都存在一个 最佳 点火提前角 这时汽油机功率最大 耗油率最低 三 使用因素对燃烧的影响2 点火提前角 压缩功 Pz 爆燃 Pz Tz 传热损失 i 3 转速n 离心式点火提前角调节装置使 紊流强度 爆燃趋势 4 负荷Pe1 负荷 节气门开度 进入气缸的混合气 废气的比例相对 每循环时间 传热损失 2 负荷 缸内p T 爆燃趋势 5 大气状态大气压力低 气缸充气量减少 则混合气变浓 另外 压缩压力低 着火延迟期长和火焰速度慢 则经济性和动力性下降 但爆燃倾向减小 大气温度高 同样气缸充气量下降 经济性 动力性变差 而且容易发生爆燃和气阻 4 2汽油机混合气形成 两种方式 1 化油器式2 汽油喷射式 一 化油器式混合气的形成 化油器式燃料供给系统由化油器 油气分离器 汽油泵 燃油滤清器 燃油箱 油管和燃油表等组成 化油器形成混合气的原理 流体动力学原理 1 理想化油器特性各种工况下满足最佳性能要求的理想混合比 a 节气门全开 功率混合气 AF 12 14 b 中等负荷 经济混合气 AF 17左右 c 怠速及小负荷 浓混合气AF 10 12 4 2 真空度 变化规律 1 节气门开度一定 n增加 喉管和进气管真空度均增加 2 节气门关闭 进气管真空度很大 喉管真空度很小 3 节气门开启 喉管真空度加大 进气管真空度下降 节气门全开 二者基本相同 喉管真空度 喉管最小截面处因气流流动所产生的负压 影响主供油量 进气管真空度 节气门后的负压 受节气门开度和转速的影响 用以控制怠速油系 真空省油器加浓时刻及真空点火提前 3 简单化油器特性 空燃比 单纯依靠喉口真空度 决定供油量的化油器 节气门开度变化 A F变化 A F 混合气加浓 与理想化油器特性矛盾 不能满足汽油机要求 燃油不能从喷口流出 稍大于 AF很大 混合气很稀 4 主供油系的校正 措施 1 减小燃油流量2 增加空气流量 渗入空气校正法 燃油不能从喷口流出 空气从泡沫管进入油井形成油气混合液 主量孔后压力突降 出油量突然增加 之后随 pn增加 空气量增加 主量孔两端压差减小 出油量下降 与简单化油器相同 1 2 3 5 满负荷加浓及怠速加浓 1 满负荷加浓机械式节能器节气门控制打开加浓量孔的推杆 加浓时刻只与节气门位置有关 真空加浓器起作用时刻与节气门后真空度有关 受转速和节气门开度共同影响 5 满负荷加浓及怠速加浓 2 怠速加浓节气门开度小 喉管真空度低 主供油系不出油 需另设怠速系 怠速喷孔开在节气门后 汽油经主量孔 怠速量孔 并与空气量孔进入的空气混合后 从怠速喷孔进入混合室 调节螺钉可怠速喷孔的截面积 改变汽油流量 设置过渡孔 对节气门打开时的汽油流量进行补充 防止混合气过稀 导致熄火 6 变工况运行 1 加速过程节气门突然开大 由于燃油滞后以及汽化变差 会造成混合气过稀 为此 设置加速泵 额外提供部分燃油 节气门缓慢开大 活塞缓缓下移 泵中油压不大 不能封闭进油阀 节气门急速开大 泵中油压很快升高 完全封闭进油阀 燃油顶开出油阀 喷入喉管 弹簧起延长加浓时间 并防止机构损坏 6 变工况运行 2 起动过程转速很低 气流速度低 喉管真空度很小 主喷孔不出油 需设置专门起动系 常用阻风门式起动系 起动前关闭阻风门 发动机拖转时 阻风门后产生很大的真空度 主供油系 怠速系都出油 启动后 随转速上升 阻风门后真空度电动增加 出油量电动增加 需及时开大阻风门 防止混合气过浓 导致熄火 为防止起动失败 在阻风门上加一个自动阀 真空度达到一定值 自动开启 二 汽油喷射式混合气的形成 由燃料系统 空气系统及控制系统3部分组成 电控燃油喷射系统以电子控制单元 ECU 为中心 用安装在发动机不同部位上的各种传感器测定发动机的各种工作参数 如进气量 转速 温度等 将它们传送给ECU ECU对输入信号作运算 处理 分析判断后 向执行器发出指令控制喷射系统的工作 通过喷油器定时 定量地把汽油喷入进气道或气缸 同时控制发动机的点火提前角 使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气 汽油喷射具有下列优点 1 充气效率高 不需设置节流喉管 进气流动阻力小 不需要对进气加热 因此可以提高发动机的充气效率 2 可采用较高的压缩比 不加热进气 压缩开始的温度较低 可采用较高的压缩比 从而提高热效率 3 起动性能好 燃油雾化由喷油器决定 与汽油机转速无关 因此 起动时能保持良好的雾化特性 4 没有气阻 整个燃料系统都处于一定压力下的密封状态 在高温时没有气阻问题 使用方便 5 混合气质量好 高压喷射使燃油的雾化 燃油颗粒细小 蒸发快 混合均匀 6 加速性好 混合气质量好 燃烧快 改善发动机加速性 7 整机性能提高 充气效率高 可采用较高的压缩比 混合气质量好等为改善发动机燃烧 提高整机的动力性和经济性创造条件 燃烧完全 排放性能好 汽油喷射结合微电脑控制优点更加突出 可以按各种工况的要求对燃油量进行校正 其废气排放指标比化油器式汽油机好 发动机工况适应性好 在电控多点喷射系统中 每缸单独供油 提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性 可以实现加负荷 加速时加油 小负荷 减速时减油 碰撞断油 汽车安全性和经济性提高 汽油喷射方式 1 系统简介 按控制方式 机械式和电控式 按燃油喷射方式 连续喷射式和间歇喷射式 按喷油嘴数量 多点喷射式和单点喷射式 多点喷射系统按喷射时间可分为顺序喷射 分组喷射和同时喷射三种形式 按喷油位置可分为进气道喷射和缸内喷射 GDI 电子控制汽油喷射系统由空气系统 燃料系统和控制系统等3个子系统组成 2 空气系统 空气系统的作用是 计量空气流量 由进气流量计担任 控制怠速运转时空气量 由怠速装置实现 进气流量测量有两种方式 直接测量和间接测量 进气流量计目前主要采用叶片式 卡门涡街式和热线式 怠速装置目前主要是怠速阀和电子节气门 怠速阀有步进电机式和比例电磁阀式两种 3 燃料系统燃料系统的作用是 按ECU的指令 定时 定量地喷射汽油并雾化 压力调节器 电动汽油泵 4 控制系统 控制系统的作用是根据发动机工作时的各种信号 确定发动机的供油量和点火时刻 控制系统由电子控制单元 ECU 各种传感器和执行器组成 传感器 传感器是感知信息的部件 负责向ECU提供发动机和汽车运行状况 电子控制单元 ECU的功用是采集和处理各种传感器的输入信号 根据发动机工作的要求 喷油脉宽 点火提前角等 进行控制决策的运算 并输出相应的控制信号 当前电控发动机中除了控制喷油外 还控制点火 EGR 怠速和增压发动机的废气阀等 由于共用一个ECU对发动机进行综合控制 所以也被称为发动机管理系统 执行器 电控单点汽油喷射系统单点汽油喷射系统又称节气门体喷射系统 简称TBI 或中央喷射系统 简称CFl 这种汽油喷射系统在结构布置上与化油器式发动机相似 即在多缸发动机上只用一个喷油器 直接将汽油喷入节气门上方的节气门体中 燃油与空气混合后 形成的混合气通过进气歧管分配至各个气缸 电控多点汽油喷射系统电控多点汽油喷射系统中 对应于每一个气缸设置一个或多个喷油器 喷油器可安装在进气道或气缸内 现在多数多点汽油喷射系统 喷油器安装在进气门前 桑塔纳 Santana 2000型轿车上的电控多点喷射系统的布置简图如下 汽油喷射的控制 汽油喷射是汽油喷射系统的主要控制对象之一 包括喷油时刻控制和喷油量控制 1 喷油时刻控制对不同喷射时间方式 设置ECU不同的喷射时刻控制计算方式 2 喷油量控制ECU根据各种传感器测得的发动机运行参数 如进气量 转速 节气门开度等 按设定的程序进行计算 然后向喷油器发出信号 喷油器通电时间越长 喷射时间越长 所喷射的汽油量越大 通过改变喷油器通电时间 实现喷油量控制 发动机在不同工况下运转时 对混合气浓度的要求也不同 ECU根据有关传感器的信号 按不同情况控制喷油量 喷油量的控制模式有起动控制 运转控制 断油控制和反馈控制几种 起动控制 运转控制 断油控制 反馈控制 喷油量控制 冷起动喷油器和冷起动温度开关控制冷起动加浓 通过ECU控制冷起动加浓 基本喷油量 修正喷油量 增加喷油量 进气温度 大气压力 蓄电池电压 暖机增量 加速增量 大负荷增量 起动增量 超速断油 减速断油 1 起动控制当起动开关接通 且发动转速低于某一转速 如300r min 时 ECU按发动机水温 进气温度和起动转速计算出一个固定的喷油量 保证发动机获得顺利起动所需的浓混合气 2 运转控制发动机正常运转时 ECU根据进气量和发动机转速来计算基本喷油量 根据节气门开度 发动机冷却水温度与进气温度等运转参数来修正基本喷油量 喷油器的喷油量包括基本喷油量 修正油量和增量油量三个部分 基本喷油量根据发动机进气量 按目标空燃比14 7计算 修正油量根据进气温度 大气压力等实际运转条件 对基本喷油量进行修正 使发动机在各种不同的运转条件下都能获得最佳浓度的混合气 在一些特定工况 暖机 加速等 下 为使发动机获得良好的使用性能 如动力性和加速性等 需要加浓混合气 出现增量油量 3 断油控制在某些特殊工况下 ECU暂时中断燃油喷射 以满足发动机运转中的这些特殊要求的功能 4 反馈控制反馈控制又称为闭环控制 是指根据输出量信号的变化 改变输出量 目前用于电控汽油喷射系统反馈控制的传感器是氧传感器 ECU根据氧传感器反馈信号 不断修正喷油量 使混合气浓度始终保持在理想范围内 3 闭环控制过程在上述各种控制模式中 反馈控制以外的三种控制模式均是开环控制 开环控制时 ECU对输出量的修正不必根据输出量的变化 当喷油控制处于闭环控制模式时 氧传感器检测排气中的残余氧气量 ECU控制混合气空燃比保持在理论空燃比 若检测到排气中有残余氧气 说明混合气稀薄 需要增加喷油量 反之 则需要减少喷油量 闭环控制过程如下图 反馈控制的最终目的是保证三效催化转换器的排气净化效率 因此 氧传感器通常和三效催化转换器共同使用 三效催化转换器净化效率最高时的空燃比要比理论空燃比略低 所以ECU的控制空燃比为14 7 目前使用的氧传感器有氧化锆 ZrO2 氧传感器和二氧化钛 TiO2 氧传感器两种 发动机运行中 ECU是交替使用开环和闭环两种模式控制喷油量 在起动 大负荷 节气门全开 及暖机等运行工况 需要较浓的混合气 ECU处于开环控制状态 氧传感器不起作用 在发动机工作温度较低时 ECU也以开环控制模式工作 只有发动机达到正常工作温度后 ECU才进行闭环控制 氧传感器才发挥反馈控制的作用 当氧传感器出现故障 输出信号异常时 ECU会自动切断氧传感器的反馈作用 进人开环控制状态 4 3汽油机燃烧室 汽油机燃烧室的要求 1 总体目标 1 经济性好 2 排放性能好 3 动力性满足需要 4 不出现不正常燃烧 2 技术要求 1 结构紧凑 面容比小 2 充气效率高 3 组织适当气流运动 4 火焰传播距离短 3 考虑因素 1 结构紧凑 面容比小有利之处 传热损失小 不易爆震 压缩比高 HC排放少 A 压缩比B 燃烧室型式C 火花塞位置面容比对HC排放的影响如下图 2 充气效率高有利之处 燃烧完全 经济性好 升功率大 排放性能好 A 气门数量 大小与布置B 进 排气道结构与布置C 冷却系统D 组织气流运动 3 组织气流运动有利之处 火焰传播快 着火界限宽 燃烧完全 经济性好 升功率大 排放性能好 不利之处 气流过强使热损失增加 着火初期可能吹熄火焰A 气门数量 大小与布置B 进 排气道结构与布置 内燃机缸内气体运动方式 涡流 挤流 滚流 紊流 进气过程中形成绕气缸轴线的气流运动 压缩过程后期形成的径向或横向气流运动 进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线气流运动 气缸内形成的无规则的气流运动 进气涡流产生办法a 导气屏b 切向气道c 螺旋气道 挤流与逆挤流 缩口型燃烧室 滚流和紊流 4 火焰传播距离短有利之处 火焰传播快 着火界限宽 压缩比大 经济性好 升功率大 不利之处 排放性能降低 A 气门数量 大小与布置B 进 排气道结构与布置C 火花塞位置D 燃烧室结构E 着火延迟 不同火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同 反映火花塞位置对爆震的影响 1 排气门2 进气门 典型汽油机燃烧室 楔形燃烧室 火花塞在楔形高处的进 排气门之间 火焰距离较长 一般设置挤气面积 气门稍倾斜 气道转弯较小 进气阻力小 充气效率高 压缩比高 达9 10 有较高的动力性和经济性 浴盆形燃烧室 火花塞在进 排气门之间 火焰距离较长 一般设置挤气面积 挤气的效果比较差 气道转弯较大 进气阻力大 充气效率较低 压缩比低 动力性和经济性较差 但压力升高率低 工作柔和 半球形燃烧室 燃烧室紧凑 火花塞在中间 火焰传播距离短 一般组织进气涡流 气道转弯小 进气阻力小 充气效率高 压缩比高 动力性和经济性好 压力升高率低 工作柔和 四气门的半球形燃烧室相类似 新型汽油机燃烧室 改进燃烧始终是发动机研究的重点方向 当前 由于环境保护和能源短缺的压力 发动机燃烧研究更加侧