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文档简介
102内容提要1.汽油机对燃料供给系的基本要求2.汽油机燃油供给系(化油器式)基本组成与结构原理3.化油器的作用、基本结构与工作原理4.汽油机正常燃烧与不正常燃烧5.汽油机燃烧过程的影响因素分析6.发动机排气污染产生原因以及控制措施第4章 汽油机燃料供给与燃烧4.1 汽油机对燃料供给系的基本要求燃油供给系的作用:根据汽油机的不同工况要求,供给不同浓度的混合气。发动机的工况:发动机工作状况的简称,通常用发动机的转速和负荷来表示。发动机的负荷是指发动机的外部载荷,发动机输出的动力随外部载荷而变化。可燃混合气的浓度通常用空燃比或过量空气系数来表示。空燃比:每工作循环充入气缸的空气量与燃油量的质量比( = A/F)。理论上可燃混合气完全燃烧,其空燃比为14.7。过量空气系数a:气缸内的实际空气量与喷入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的质量比。a = 1为理论混合气,a 1为稀混合气。4.1.1 稳定工况对混合气浓度的要求稳定工况是指发动机己经预热,转入正常运转,并且在一定时间内工况没有突然变化。1.怠速工况 怠速是指发动机不对外输出动力,作功行程产生的动力只用来克服发动机的内部阻力,维持发动机以最低稳定转速运转。汽油机怠速转速一般为700900r/min。在怠速工况下,进入气缸内的混合气很少,气缸内残余废气对混合气稀释严重,而且转速低,空气流速小,汽油雾化和蒸发不良,混合气形成不均匀。因此,要求供给a = 0.60.8的少量浓混合气。2.小负荷工况 发动机负荷在25%以下时称为小负荷。由于小负荷时,混合气的数量比怠速时有所提高,废气对混合气的稀释作用也有所减弱,因而混合气浓度可以略为减小,一般a = 0.750.9。3.中等负荷工况 发动机负荷在25%85%之间称为中等负荷。由于进入气缸的混合气数量增多,燃烧条件较好。此外,汽车发动机大部分的时间处在中等负荷下工作,为提高其经济性,应供给较稀的经济混合气,一般a = 1.01.15。4.大负荷和全负荷工况 发动机负荷在85%以上时称为大负荷,负荷为100%时称为全负荷。此时,为了克服较大的外部阻力,要求发动机发出尽可能大的功率。因此,应供给较浓量多的功率混合气,一般a = 0.850.95。4.1.2 过渡工况对混合气浓度的要求汽车在运行中常遇到的过渡工况有:冷起动、暖机和加速三种工况。1.冷起动工况 起动是指发动机由静止到正常运转的过程,当熄火时间较长、发动机温度己下降至环境温度时的起动称为冷起动。冷起动时,发动机温度低,汽油蒸发困难,只有供给极浓的混合气(a = 0.20.6),才能保证进入气缸内的混合气中有足够的汽油蒸气,以利于发动机起动。2.暖机工况 暖机一般是指冷起动后,发动机的温度逐渐升高到正常工作温度的过程。在暖机过程中,混合气的浓度应随温度升高而减小,从起动时的极浓减小到稳定怠速运转所要求的浓度为止。3.加速工况 加速是指发动机负荷增加的过程。急加速时(如超车),节气门迅速开大,要求发动机的动力迅速提高,然而在急剧开大节气门的瞬间,由于汽油的惯性比空气惯性大,汽油流量的增加比空气流量的增加要慢得多,使混合气暂时过稀,反而使发动机的动力下降甚至熄火。因此,在急加速时,必须采用专门的装置额外供油,加浓混合气,以满足发动机急加速的要求。综上所述,发动机所要求的空燃比是随发动机工况而变化的,如表4-1所示。表4-1 发动机各工况对可燃混合气的要求发动机工况空燃比(A/F)(过量空气系数a)起动:(0)约2 (a=0.2)起动:(20)约5 (a=0.4)怠速约11 (a=0.60.8)小负荷1213 (a=0.750.9)中等负荷(经济车速)1518 (a=1.01.15)大负荷1213 (a=0.850.95)加速8 (a=0.40.6)4.2 汽油机燃料供给系的基本组成图4-1 汽油机燃料供给系组成(化油器式)1-空气滤清器 2-化油器 3-主腔浮子室 4-单向阀(怠速断油阀) 5-油气管 6-双向阀 7-汽油箱盖 8-汽油箱 9-汽油滤清器 10-汽油蒸气 11-汽油蒸气储藏罐 12-汽油泵 13-汽油管 14-进气管 15-副腔浮子室化油器式燃料供给系统主要由汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、化油器和供油管道等组成(图4-1)。4.2.1 汽油箱用以贮存汽油。一般汽车油箱的续航里程(一次性加满汽油可连续行驶的里程)为200km-600km。图4-2 汽油箱1-油箱盖 2-通气软管 3-回油管 4-油面传感器 5-出油管 6-燃油连接管 7-辅助油箱 8-放油螺塞 9-粗滤器 10-隔板 11-油箱体 12-燃油进口软管汽油箱(图4-2)常用薄钢板或工程塑料制成,为防止油液面由于行车振荡而外溢,在油箱内部装有隔板10。油箱上表面装有液面传感器4,底部有辅助油箱7,内有粗滤器9。为了便于排除箱内的杂质,在底部装有放油螺塞8。油箱加油口用带阀门的油箱盖1封闭。油箱盖用以防止汽油的溅出及减少汽油挥发,它由空气阀4和蒸气阀6组成(图4-3)。空气阀用较弱的弹簧5压住,当油箱内油面下降,压力低于某一数值时,空气阀打开,使空气进入汽油箱,确保汽油箱内不致产生真空,避免受到内外空气压力差的作用而损坏。蒸气阀用较硬的弹簧3压住,仅在汽油箱内因温度过高,压力超过规定值时才开启,因而有利于减少油箱内汽油蒸气挥发。4.2.2 汽油滤清器1.功用:滤除汽油中的水分和杂质。图4-3 闭式汽油箱盖1-密封垫圈 2-盖壳 3-蒸气阀弹簧 4-空气阀 5-空气阀弹簧 6-蒸气阀 7-汽油箱加油2.构造与原理: (1)可拆式汽油滤清器(图4-4) 图4-5 不可拆式汽油滤清器1-中央多孔筒 2-纸质滤芯 3-多孔滤纸外筒图4-4 可拆式汽油滤清器1-滤清器盖 2-出油管接头 3-密封圈 4-沉淀杯密封垫 5-纸滤芯 6-滤芯密封垫 7-平垫圈 8-滤芯螺栓 9-沉淀杯 10-放油螺塞 11-放油螺塞密封垫 12-进油管接头(2)不可拆式汽油滤清器的构造(图4-5)滤芯形式:纸质滤芯、金属片缝隙式、多孔陶瓷滤芯。4.2.3 汽油泵1.功用:泵油,自动调节输油量。2. 汽油泵的结构与工作原理 汽油泵有机械膜片式汽油泵和电动式汽油泵两种。(1)机械膜片式汽油泵(图4-6) 图4-6 机械膜片式汽油泵1-出油阀 2-进油接头 3-出油接头 4-泵膜夹片 5-泵膜弹簧座 6-泵膜弹簧油封 7-泵膜拉杆 8-泵膜回位弹簧 9-摇臂轴 10-偏心轮 11-摇臂 12-泵体 13-泵膜弹簧 14-泵膜 15-进油阀进油:凸轮轴转动,摇臂上行,泵膜向下,进油阀开,出油阀关闭。图4-7 电动式汽油泵1-出油管接头 2、3-垫片 4-泵盖 5-螺栓 6-上体 7-出油接头 8、18-密封圈 9-缓冲弹簧 10-永久磁铁 11-触点支架 12-密封垫片 13-下极板 14-中体 15-柱塞 16-电磁线圈 17-泵筒 19-进油阀座 20-滤芯 21-磁钢块 22-螺杆 23-沉淀杯 24-进油阀 25-回位弹簧 26-出油阀 27-进油管接头 28-接线柱 29-绝缘套 30-固定触点 31-活动触点 32-圆头螺钉出油:凸轮轴转动,摇臂下行,泵膜向上,出油阀开,进油阀关闭。自动调节输油量:当发动机负荷较小时,需油量少,出油腔油压升高,膜片不能上行到最高点,泵油量减少。手泵油:为使发动机在化油器浮子室内无油或储油不足时能起动,必须向浮子室内供油,可利用手摇臂11来泵油。手摇臂上下运动,带动泵膜上下移动而实现泵油。(2)电动式汽油泵(图4-7) 泵筒17固定在汽油泵中心,底部装有进油阀24,在泵筒17中有带出油阀26的柱塞15,带继电器的线圈16可产生磁场,使柱塞15往复运动,实现泵油。汽油泵不工作时,柱塞15被回位弹簧25推到图示的上极限位置,柱塞15吸引永久磁铁10带动触点支架11逆时针转动,使活动触点31与固定触点30接通,电流流过线圈16便产生磁场,吸引柱塞15克服回位弹簧25弹力向下运动,从而使泵筒17内的油压增高。在油压作用下,进油阀24关闭,出油阀26开启,汽油经出油阀26进入柱塞中心通道。柱塞15下移后,永久磁铁10上端不再受柱塞15吸引,而下端却受到下极板13的吸引,使触点分开而切断电源,电磁线圈16磁场消失,柱塞15在回位弹簧25的作用下向上运动,将储存在其腔内的汽油经出油室从出油管接头1泵出。此时出油阀26关闭,进油阀24开启,汽油从油箱内流经进油阀24流入柱塞下方的泵筒空腔内,如此循环重复上述运动,使汽油泵不断供油。使用电动式汽油泵的优点是它可以安装在远离发动机通风散热良好的地方,有利于降低油管中汽油的温度,减少产生“气阻”(燃料受热变为蒸气滞留在燃油管中,阻止汽油流动的现象)。它可以在发动机起动前工作,利于发动机起动,现已大量使用。4.3 化油器4.3.1 化油器的作用根据汽油发动机不同的工况要求,供给发动机不同数量和不同浓度的可燃混合气。4.3.2 化油器的基本结构与工作原理图4-8 简单化油器1-进气管 2主喷管 3-浮子室通气孔 4-浮子 5-针阀 6-浮子室 7-主量孔 8-节气门 9-喉管 化油器由简单化油器、主供油系统、怠速系统、加浓系统、加速系统、起动系统等部分组成。1. 简单化油器的基本结构与工作原理(1)基本构造(图4-8)浮子室(浮子、针阀,针阀座、通气孔);主喷管(管口高出浮子室液面25mm);主量孔;喉管(化油器进气通道中截面积最小处);空气室(化油器内喉管以上部分),混合室(喉管以下至节气门部分);节气门(俗称油门)控制发动机的进气量,以改变发动机输出的动力。(2)工作原理 进气行程时,空气流经化油器喉管处时,流速升高,压力下降,产生一定真空度。在浮子室内与喷管口处压力差作用下,浮子室中的汽油经量孔从喷管喷出,并随即被高速空气流冲散,成为大小不等的雾状颗粒(雾化)。(3)简单化油器的供油特性(图4-9):混合气随节气门开度的增大而变浓。图4-9 化油器特性曲线比较简单化油器的供油特性不能适应发动机实际工作时对混合气的要求,需要进行修正,使之符合理想化油器特性(图4-9曲线1),为此增加了主供油系统、怠速系统、加浓系统、加速系统和起动系统等,以满足发动机工作的需要。2. 主供油系统(1)作用:保证发动机在中小负荷范围内工作时,供给随节气门开度增大而逐渐变稀的混合气。在汽车发动机的全部工作范围内,除了怠速工况和极小负荷外,主供油系统都起供油作用。图4-10 化油器主供油系统1-主量孔 2-空气量孔 3-通气管 4-主喷管(2)结构(图4-10):在喷管上加开一个通气管3,管3上设有控制渗入空气流量的空气量孔2。(3)工作原理:随着节气门开度增大,空气渗入油越多,混合气逐渐变稀。3. 怠速系统(1)作用:保证发动机在怠速和很小负荷工况时供给少而浓的混合气。(2)怠速系统的结构(图4-11):由怠速喷口3、怠速调整螺钉4、怠速过渡孔5、怠速量孔6、怠速油道7及限位螺钉2等组成。(3)怠速系统的工作原理(四个阶段):1)在低怠速时,节气门开度最小,节气门位于怠速喷口和过渡喷口之间(图4-11b),此时化油器喉管处的真空度很小,而节气门下面真空度却很大。浮子室中的汽油经主量孔9和怠速油量孔8被吸入怠速油道7,并与从怠速空气量孔6进入的空气混和成泡沫状的油液从怠速喷口3喷出。位于节气门上方的怠速过渡喷口5实际上成了第二个怠速空气量孔,这不仅能限制怠速喷口3的出油量,而且由此渗入的空气也可使汽油进一步泡沫化。9图4-11 化油器怠速系统a)怠速系统 b)低怠速 c)高怠速1-限位块 2-节气门最小开度限位螺钉 3-怠速喷口 4-怠速调整螺钉 5-过渡喷口 6-怠速空气量孔 7-怠速油道 8-怠速油量孔 9-主量孔2)当节气门稍开大,供给的空气量增多时,过渡喷口5已位于节气门的边缘(图4-11c),怠速喷口3和过渡喷口5同时喷油,使怠速出油量增加,混合气不至于瞬间变稀,以保证发动机工况过渡圆滑。3)当节气门开度进一步开大时,化油器喉管处真空度增大,主供油系统开始工作,形成“三口喷油”的局面。此时,主喷管出油量较少,而且气流速度较低,汽油雾化较差,仅由其单独工作满足不了负荷加大的要求,两个供油系统短时间内的同时工作,可防止因空气量增加而引起工况过渡时混合气变稀。4)当节气门开度加大到发动机进入中小负荷工况时,怠速喷孔和过渡孔处的真空度已降低到不能将汽油吸出的程度,怠速系统停止工作,由主供油系统单独工作。怠速系统中装有怠速调整螺钉4和节气门最小开度限位螺钉2,两个螺钉配合调整,可以改变发动机怠速工作时供给混合气的数量和浓度,从而调整发动机的怠速转速。4. 加浓系统(1)作用:当发动机负荷增大到80%85%以上时,额外地供给部分汽油,以保证发动机发出最大功率所需较浓混合气的要求。(2)结构与工作原理:加浓系统有机械式和真空式两种(图4-12)。1)机械加浓装置(图4-12a):当节气门开度达到80%85%时,推杆压开加浓阀,汽油便从浮子室经加浓阀和加浓量孔流入主喷管,使混合气变浓。图4-12 化油器加浓系统a)机械式 b)真空式1-加浓量孔 2-主量孔 3-加浓阀 4-推杆 5-拉杆 6-摇臂 7-弹簧 8-空气通道 9-空气缸 10-活塞 11-真空通道2)真空加浓装置(图4-12b):当发动机负荷 (节气门开度)增加时,节气门下面的真空度减小,当真空度减小到不能克服弹簧7的弹力和真空加浓活塞的自重时,弹簧伸张,使推杆、活塞落下并推开加浓阀,额外的汽油经加浓量孔流入主喷管中,以加浓混合气。5. 加速系统图4-13 化油器活塞式加速系统1-摇臂 2-活塞 3-活塞杆 4-弹簧 5-出油阀 6-加速量孔 7-通气道 8-连接板 9-拉杆 10-连杆 11-进油阀(单向阀)(1)作用:加速行驶或超车时,使混合气临时加浓。(2)结构(图4-13): (3)工作原理:当活塞向上移动时,进油阀吸开,加速泵腔内充满汽油。当缓慢地加大节气门开度时,活塞也缓慢下降,加速泵腔内形成的油压不高,不能使进油阀关闭严密,于是汽油通过进油阀流回浮子室,加速装置不起作用。当节气门迅速开大时,由于活塞下移很快,加速泵腔内油压迅速增加,使进油阀完全关闭;同时顶开出油阀,将泵腔内的汽油从加速量孔喷入化油器喉管处,以加浓混合气。6. 起动系统其功用是在发动机起动过程中,供给极浓的混合气。图4-14 化油器阻风门式起动系统1-主量孔 2-节气门 3-怠速喷口 4-过渡喷口 5-阻风门 6-自动阀图4-14是化油器上常用的阻风门式起动系统。发动机冷起动前,驾驶员通过拉钮将阻风门5关闭,起动机带动曲轴旋转时,在阻风门后面产生很高的真空度,使主供油系统和怠速系统同时供油,因通过阻风门边缘的空隙流入的空气量很少,故混合气极浓。发动机起动后应及时将阻风门打开。4.4 汽油机的燃烧过程4.4.1 汽油机的正常燃烧根据气缸压力的变化分为三个阶段(图4-16)。图4-16 汽油机燃烧过程-着火延迟期 -火焰传播期 -后热期1-开始点火 2-形成火焰核心 3-最高压力点1. 着火延迟期:从点火开始 (1点)到火焰核心形成 (2点)的这段时期,称为着火延迟期。这一时期主要进行物理、化学准备,它约占全部燃烧时间的15%。由于可燃混合气存在着火延迟,必须使点火提早到上止点前进行,使缸内压力在上止点附近达到最大值。点火提前角:火花塞在跳火瞬时到活塞行至上止点时所转过的曲轴转角。它对发动机的动力性、经济性和排放性能影响极大。2. 速燃期:从火焰核心形成(2点)开始,到气缸内出现最高压力点(3点)为止,这段时间称为速燃期(又称火焰传播时期)。在此时期内,火焰由中心迅速向外传播,燃料热能的绝大部份在此时期放出,使气缸中的压力、温度迅速上升。3. 后燃期:从速燃期终到燃料基本燃烧完的这一段时期。部分未来得及燃烧的燃料和燃烧不完全的产物继续燃烧,而燃烧产物中的部分CO2和H2O又会因高温分解成CO、H2、02等,并在膨胀过程温度下降时又氧化放出热量。这个时期称为后燃期。4.4.2 汽油机的非正常燃烧汽油机的非正常燃烧现象主要有爆燃、表面点火。1. 爆燃 定义:当火花塞点火后,正常火焰传来之前,未端混合气即自燃并急速燃烧,产生爆炸性冲击波和尖锐的金属敲击声的现象称为爆燃。爆燃时外部特征:(1)气缸内有金属撞击声(敲缸);(2)发动机过热(水温表显示温度过高);(3)在轻微爆燃时,发动机功率略有增加。强烈爆燃时,发动机功率下降,油耗上升;(4)缸内压力线出现锯齿形爆燃波(图4-17)。图4-17 爆燃时的-图a)弱爆燃 b)强爆燃爆燃产生的原因:未端混合气受到不正常的热辐射或压缩等。2. 表面点火 定义:由燃烧室内炽热部分(排气门盘端面、火花塞电极、金属突出点或积炭等)点燃混合气的现象。早火:表面点火发生在火花塞点火之前的现象。由于它提前点火而且热点表面比火花大,使燃烧速率加快,气缸压力、温度增高,发动机工作粗暴,并且压缩功增大,向缸壁传热增加,致使功率下降,火花塞、活塞等零件过热。后火:指表面点火发生在火花塞点火之后的现象。在炽热点的温度比较低时,电火花点燃混合气后,在火焰传播的过程中,炽热点点燃其余混合气,但此时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播。这种现象可在发动机断火以后发现,这时发动机仍象有电火花一样继续运转,直到炽热点温度下降以后,发动机才停车。表面点火和爆燃之间也会相互影响,强烈的爆燃,必然增加向气缸壁的传热,从而促成燃烧室炽热点的形成,导致表面点火。早火又使气缸压力升高率和最高燃烧压力增大,使未燃混合气受到较大的压缩和传热,从而促使爆燃发生。4.5 燃烧过程的影响因素分析汽油机燃烧过程的影响因素有:燃料的性质、发动机的转速、点火提前角、发动机负荷、混合气的成分、冷却水的温度、燃烧室的形状、压缩比、气缸直径以及气缸盖和活塞的材料等。4.5.1 燃料的性质及选用1. 国产汽油牌号规格:我国汽油分66、70、85(马达法)和90、93、97(研究法)等牌号。2. 汽油的主要性能(抗爆性、蒸发性和热值等)(1)汽油的抗爆性:汽油抵抗爆燃的能力。用辛烷值评定。汽油的辛烷值越高,其抗爆性就越好。汽油的牌号是以辛烷值划分的。通常有两种辛烷值,一种是研究法辛烷值(RON),一种是马达法辛烷(MON),它们的试验条件和方法略有区别,同一汽油的研究法辛烷值大于马达法辛烷值,两者的数值差称为敏感度,它们和的一半称为抗爆指数。(2)汽油的蒸发性:汽油汽化的难易程度。以馏程作为评价汽油蒸发性的指标。常用汽油的10%、50%、90%等馏分的馏出温度来评定。10%的馏出温度标志着起动性能。汽油机使用10%馏出温度低的汽油,容易起动。但此温度过低,会使汽油在输送管路中形成“气阻”,使发动机断火。50%的馏出温度标志着汽油的平均蒸发性。它影响着发动机的暖车时间、加速性和工作稳定性。若此温度低,可以使暖车时间短,并且当发动机由低负荷向高负荷过渡时,能够及时供给所需浓混合气,使发动机加速性能良好。90%的馏出温度标志着燃料中含有难于挥发的重成分的数量。此温度低,表明燃料中重质成分少,挥发性好,有利于完全燃烧。此温度过高,则因汽油中重质成分较多而汽化不良,使燃烧不完全,造成排气冒烟和积碳。a图4-18 混合气浓度对火焰传播的影响(3)汽油的热值:指1kg燃料完全燃烧后所产生的热量。汽油的热值约为44000KJ/kg。3. 汽油的选用 选择汽油主要依据发动机的压缩比。因为压缩比越大,汽油在发动机气缸内燃烧产生爆燃的可能性越大,所以压缩比高的汽油机应采用辛烷值高的汽油。4.5.2 混合气的浓度(图4-18)。功率混合气(a=0.850.95),火焰传播速度最快。经济混合气(a=1.051.15),火焰传播速度仍较高,且此时空气相对充足,燃油能完全燃烧,热效率最高。火焰传播下限(a=1.31.4),燃料分子之间的距离将增大到使混合气的火焰不能传播的程度,以致发动机不能稳定运转。火焰传播上限(a=0.40.5),由于燃烧过程中严重缺氧,也将使火焰不能传播。4.5.3 点火提前角(图4-19)图4-19 不同点火提前角的示功图点火提前角过大(点火过早):压缩功增加,有效功率下降,工作粗暴程度增加,敲缸,爆燃倾向增加。在这种情况下,只要适当减小点火提前角,就可以消除爆燃。点火提前角过小(点火过迟):散热损失增多,最高压力降低,且膨胀不充分,使排气温度过高,发动机过热,功率下降,耗油量增多。有时还会造成化油器“回火”或排气管“放炮”现象。合适的点火提前角(曲线3)的气缸最高压力出现在上止点后1215。4.5.4 发动机转速图4-20 火焰传播速度随转速的变化发动机转速增加,火焰传播速度加快(图4-20),爆燃的倾向下降。这是因为发动机转速升高,导致气缸内可燃混合气涡、紊流增强,且漏气及传热损失减少所致。虽然以时间计的燃烧速度加快,而以曲轴转角计的燃烧延续角仍然过大,所以汽油机转速提高后,应将点火提前角加大,以保证燃烧过程在上止点附近完成。4.5.5 发动机负荷转速一定而负荷减小时,进入气缸的新鲜混合气量减少,而残余废气量基本不变,使残余废气所占比例相对增加,导致燃烧速度减慢。图4-21表示发动机不同节气门开度时的示功图。为保证燃烧过程在上止点附近完成,应该随着负荷的减少增大点火提前角,它靠真空提前点火装置来调节。图4-21 发动机不同节气门开度时的示功图节气门开度:1-100% 2-40% 3-20%负荷减少时,由于气缸中残余废气的稀释作用增加,气缸内的温度、压力下降,故爆燃倾向减小。所以发生爆燃时,可以采用放松油门踏板的方法,以临时消除爆燃。4.5.6 压缩比提高压缩比,可提高压缩行程终了混合气的温度、压力,加快火焰传播速度。选择合适的点火提前角,可使燃烧在更小的容积下进行,使燃烧终了的温度、压力高。且燃气膨胀充分,热转变为功的量多,热效率提高,发动机功率、扭矩大,有效耗油率降低。但是,提高压缩比,会增加未燃混合气自燃的倾向,容易产生爆燃,所以汽油机不可能象柴油机那样采用高压缩比。随着汽油品质的提高、燃烧室的设计、汽油机电控喷射等技术的发展,允许汽油机压缩比有所提高,目前可达1011。4.5.7 气缸直径气缸直径增大,火焰传播距离长,从火焰核心形成到火焰传播至末端混合气的时间增长,爆燃倾向增加,所以无大缸径的汽油机,通常缸径在100mm以下。4.5.8 气缸盖和活塞材料铝合金比铸铁导热性好,气缸盖、活塞采用铝合金材料,可使燃烧室表面温度降低,热负荷明显降低,可减少爆燃倾向。4.5.9 燃烧室的形状不同的燃烧室形状和火花塞布置,会使得发动机有不同的压缩比、面容比、混合气的涡紊流和燃烧速度,直接影响到发动机的抗爆性、经济性、动力性和排放性能,值得深入研究(参见2.2)。4.6 发动机的排气污染4.6.1 发动机的排气污染及危害CO、HC、NOx、SO2及碳烟等气体对人类和环境都会造成很大危害(参见1.4)。大气中所含CO的75%、HC和NOx的50%来源于汽车发动机的排放,汽车发动机的排气污染早已成为社会公害。4.6.2 有害气体产生原因1. CO的生成机理 CO是烃燃料在局部缺氧或低温下不完全燃烧的产物。在空气充足、高温下,燃烧生成的CO2和H2O也可能有一小部分发生离解反应生成CO:2CO2 = 2CO+O22H20 = 2H2+O2而离解反应生成的H2又会使CO2还原成CO,即:CO2+H2 = CO+H2O2. HC的生成机理 图4-22 HC的排放原理a)激冷层的形成 b)排气初期 c)排气后期HC是未燃的燃料、不完全燃烧或裂解反应的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物(如醛、酮等)。在汽油机中,缸壁淬冷也是排气中HC的主要来源。如图4-22所示,当火焰传播到接近气缸壁面附近时,由于壁面的冷却作用,火焰不能完全传播到缸壁表面,使大约0.050.4mm厚度上的混合气烧不着,通常把这层烧不着的混合气叫做淬冷层。另外,气缸体和气缸盖接合面之间的缝隙、活塞顶部与第一道气环之间的空隙、火花塞磁芯周围的空隙等,火焰也不能传播过去。上述淬冷层和气隙中的混合气没有燃烧就随废气排出。在排气初期,靠近排气门附近的那一部分淬冷层中的未燃气体首先随排气排出,在排气后期,活塞把气缸壁面的淬冷层也卷进排气中,使HC的排放浓度大大增加。发动机工作时,如果混合气过浓,由于空气不足,燃烧不完全,未燃燃料或燃烧过程中生成的HC增多,HC的排放浓度当然增加。而当混合气过稀或缸内废气过多时,则可能引起火焰不充分甚至完全断火,致使排气中的HC浓度显著增加。3. NOx的生成机理 NOx是空气在燃烧室的高温条件下,由氧和氮的反应所形成的,它和其它废气成分不同,不是来自燃料。发动机所排出的NOx,虽含有少量的NO2,但大部分是NO。排气中的NO在大气中氧化成NO2,通常把NO2和NO统称为NOx(氮氧化合物)。在发动机工作中,无论是进行完全燃烧反应,还是不完全燃烧反应,其最初燃烧反应所产生的热必将使空气中的氧分子裂解为氧原子,并与空气中的氮分子发生反应而生成NO和氮原子,而氮原子又与空气中氧分子发生反应生成NO和氧原子,这部分氧原子又可与空气中氮分子重新反应,产生NO,其反应式为:O2 = 2O N2+O = NO+N N+O2 = NO+O在这些反应中,燃烧温度越高,燃烧过程中氧气浓度越大,高温下的持续时间越长,NO的生成量就越多。4.6.3 排气污染的控制发动机排气污染的控制方法大致可分为机内净化和机外净化。1. 发动机的机内净化 通过改善可燃混合气的品质和燃烧状况,抑制有害气体的产生,使排气中的有害气体成分减至最少,这种方式称为机内净化,是治理汽车发动机排气污染的根本方法。(1)改善发动机的燃烧状况:它是通过配气相位、点火时刻等的优化调整和燃烧室、火花塞等的优化设计配置来达到。配气相位特别是气门重叠时间对NOx,HC排放量的影响很大。试验表明:气门重叠时间长时,因排气彻底,进气充足,气缸内温度低,NOx排放量将减少,而HC的增加量并不多;当气门重叠时间短时,HC将减少,而NOx却增加较多。延迟点火时刻,可降低燃烧最高温度,因而NOx的排放量减少;同时,由于燃烧持续时间较长,促进氧化作用,使HC减少。减小燃烧室的表面积和容积之比(面容比)可减少HC的排放量。面容比按浴盆、盆形、楔形、半球形的燃烧室结构顺序逐渐减小。改变燃烧室设计、加强气体的涡紊流、优化火花塞配置,都可对发动机排放产生影响 (2)改善可燃混合气的品质:恒温进气空气滤清器和废气再循环是改善可燃混合气品质的两种常用方式。1)恒温进气空气滤清器:可以在发动机冷起动之后,向发动机供给热空气。从而既减少了CO和HC的排放,又改善了发动机低温运转性能。其结构原理见3.1。2)废气再循环:是将5%20%的废气再引入进气管,与新鲜混合气一道进入燃烧室,使最高燃烧温度降低,从而减少NOx的生成量。图4-23是现代汽车广泛使用的电子控制EGR系统。EGR阀1膜片的下部通大气,装有弹簧的另一边为真空室,其真空度由EGR电磁阀控制。增大真空室的真空度,使膜片克服弹簧力上拱,阀的开度增大,废气再循环量增大。当上部失去真空度时,膜片在弹簧力的作用下向下拱而使阀关闭,阻断废气再循环。图4-24 EGR电磁阀1-空气通道 2-阀体 3-电磁阀线圈图4-23 废气再循环装置1- EGR阀 2-EGR电磁阀 3-节气门 4-水温传感器 5-曲轴位置传感器EGR电磁阀有三个通气口(图4-24),不通电时,弹簧将阀体2向上压紧,通大气阀口被关闭。这时EGR电磁阀使进气管与EGR阀真空室相通;当EGR电磁阀线圈通电时,产生的电磁力使阀体下移,阀体下端将通进气管的真空通道关闭,而上端的通大气阀口打开,于是就使EGR阀的真空室与大气相通。ECU根据各有关传感器的信号确定的废气再循环流量后,通过输出相应的占空比脉冲信号,控制EGR电磁阀在相应的占空比下工作,将EGR阀的真空室的压力调节在相应的值,使EGR阀有相应的开度。当需要增大废气再循环流量时,ECU输出的占空比减小,EGR电磁阀相对的通电时间减小,EGR阀真空室通进气管的相对时间增大,其真空度增大而使阀开度增大,使废气再循环流量相应增加。当EUC输出占空比为0的信号(持续低电平)时,EGR电磁阀断电。这时,EGR阀真空室与进气管持续相通,其真空度达到最大(直接取决于进气管的真空度),阀的开度最大,废气的再循环流量也达到最大。当不需要废气再循环时,ECU输出占空比为100%的信号(持续高电平),使EGR电磁阀常通电,EGR阀真空室与大气常通,阀关闭,阻断了废气再循环。2. 发动机的机外净化 用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后再排入大气,这种措施称为机外净化。机外净化常用以下方法。(1)二次空气喷射:这种方法将新鲜空气喷射到排气门附近,使高温废气和空气接触混合,以使未燃HC、CO进一步燃烧。图4-25 二次空气供给装置1-空气滤清器 2-空气泵 3-防止回火管 4-单向阀 5-空气分配管 6-化油器 7-空气喷管 8-排气门 9-进气管 10-回火防止阀二次空气供给装置(图4-25)由发动机驱动叶片式空气泵2,通过两根软管输送,一路从化油器6下侧经回火防止阀10进入进气管;另一路通过防止单向阀4,经空气分配管5,送到各缸的排气门座附近。(2)催化转换器:催化转换器是利用催化剂的作用,使排气中的有害成分CO、HC和NOx尽量进行化学反应转化为对人体无害的CO2、H2O和N2的一种排气净化装置,也称作催化转化净化器。催化转换器有氧化还原型催化转换器和三效催化转换器。氧化还原型催化转换器由两部分组成,分别将排气中的CO和HC氧化为CO2和H2O、把NOx还原为N2和O2。图4-26 催化转换器1-支承环 2-波纹网眼环 3-支承环 4-密封垫 5-整体式催化反应器载体 6-温度传感器三效催化转换器可同时减少CO、HC和NOx的排放,它以排气中的CO和HC作为还原剂,把NOx还原为氮(N2)和氧(O2),而CO和HC在还原反应中被氧化为CO2和H2O。使用三效催化转换净化器时,必须把可燃混合气空燃比控制在理论值(约14.7)附近,才能同时高效净化CO、HC和NOx。催化转换器(图4-26)的外形有如大型消声器,用耐高温耐腐蚀的不锈钢制成,安装在消声器之前。壳体内的催化剂是直径为24mm的氧化铝(Al2O3)颗粒,在其多孔性的表面上涂有铂。催化剂表面积很大,每克表面积可达150300m2左右。催化转换器的构造应保证在废气通过时和催化剂颗粒均匀接触。催化转换器的使用条件相当严格。首先,装用催化转换器的发动机只能使用无铅汽油。如果使用加铅汽油,铅覆盖在催化剂表面将使催化剂失效。其次,仅当温度超过250350时,催化转换器才起催化反应。温度较低时,转换器的转换效率急剧下降。因此,催化转换器都安装在温度较高的排气管后面。第三,催化剂与载体的容积必须与发动机的排量相匹配,具有足够的强度和抗热冲击性,才能保证对CO、HC和NOx的净化率高。第四,催化转换器必须配有温度控制装置或旁通管道,避免载体过热烧毁堵塞排气管道。图4-27 闭式曲轴箱强制通风装置1-空气滤清器 2-节气门 3-PCV阀 4-进气管 5-通风管 6-闭式通风口 7-曲轴箱 8-机体通气道 9-缸盖通气道置(3)曲轴箱强制通风装置 发动机工作时,有部分可燃混合气和燃烧产物会经气缸、活塞环窜入曲轴箱内,它们含有HC等有害气体,不能排向大气,应进行净化。目前多用闭式曲轴箱强制通风装置也称PCV装置(图4-27),它由PCV阀及进排气管路组成。发动机工作时,新鲜空气自空气滤清器1经管C和闭式通风口6进入曲轴箱和曲轴箱内窜气混合,从气缸盖罩通入管A,经PCV阀3,被吸入进气管。因此有适量的窜气在气缸内再次燃烧。图4-28 PCV阀a)怠速时 b)加速时PCV阀可随发动机运转状况自动调节吸入气缸的窜气量,其结构和原理如图4-28所示。在怠速或小负荷时,窜气量较少。此时,由于进气管真空度较高,阀门被吸向右方(图4-28a),气流通路关小,吸入气缸的窜气量较少。在加速或大负荷时,窜气量增多,进气管真空度变低,PCV阀的气流通路开大 (图4-28b),因而有较多的窜气量进入气缸再燃烧。在图4-27所示的闭式曲轴箱通风系统中,当发动机高速大负荷运转时,一旦窜气量过多而不能完全被吸尽时,窜气会从曲轴箱经闭式通气口倒流入空气滤清器,通过化油器2被吸入进气管。PCV装置能完全防止窜入曲轴箱内的HC对外排放,现已得到广泛应用。(4)汽油蒸发控制系统 汽油蒸发控制系统的功能是将燃油箱和浮子室内蒸发的汽油蒸气收集和储存在炭罐内,在发动机工作时再将其送入气缸燃烧。图4-29 汽油蒸发控制系统1-燃油箱 2-回油管 3-油气分离器 4、9、15-汽油蒸气管 5-炭罐 6-活性炭 7-滤网 8-限流阀 10-真空软管 11-空气滤清器 12-浮子室 13-化油器 14-进气支管 16-节流阀图4-29是汽油蒸发控制系统的结构原理图。炭罐5内填满活性炭6。当发动机停机后,燃油箱1中的汽油蒸气经油气分离器3和汽油蒸气管4进入炭罐5。浮子室12中的汽油蒸气则经汽油蒸气管15进入炭罐。汽油蒸气进入炭罐后,被其中的活性炭吸附。当发动机起动之后,进气管真空度经真空软管10传送到限流阀8,在进气管真空度的作用下,限流阀膜片上移并将限流孔开启。与此同时,新鲜空气自炭罐底部经滤网7向上流过炭罐,并携带吸附在活性炭表面的汽油蒸气,经限流孔和汽油蒸气管9进入进气管。炭罐外壳一般由塑料制造,内填活性炭颗粒。炭罐顶部有限流阀,用来控制进入进气管的汽油蒸气及空气的数量。发动机怠速时,传送到限流阀膜片室的真空度很小,致使孔径为1.40mm的限流孔关闭,只有少量的汽油蒸气及空气从孔径为0.76mm的限流孔流入进气管,以免破坏怠速时混合气的空燃比。发动机在大负荷或高转速工作时,作用在限流阀膜片上的真空度增大,限流阀全开,大量的汽油蒸气及空气同时经两个限流孔流入进气管。油气分离器用来分离液态汽油和汽油蒸气,以防止液态汽油流入炭罐。分离器安装在燃油箱顶部,主要由一组出口朝上的管子组成,其中三根通气管分别接在燃油箱的中央和两侧。这样,不论汽车如何倾斜,至少会有一根通气管高于汽油液面,使汽油蒸气得以经汽油蒸气管4进入炭罐。分离出来的液态汽油从回油管2返回燃油箱。本章小结1.汽油机在各种工况下对可燃混合气浓度的要求不同的。起动时,供给极浓混合气(a = 0.2
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