第四章 汽油机供给系(20110315)

第四章汽油机供给系 一 汽油机供给系的组成 确切地分 应分为燃料供给系和进 排气系两大部分 1 供给系的作用 根据发动机各工况的不同要求 配制出一定浓度和数量的可燃混合气 供入气缸 最后将燃烧做功后的废气排入大气 2 分类 传统化油器式燃料供给系和现代汽油喷射式燃料供给系 何谓可燃混合气 呈气态的燃料与空气混合并处于能着火的浓度界限范围内的混合气 可燃混合气中燃料含量的多少 称为可燃混合气浓度 第一节概述 3 可燃混合气形成装置 传统汽车指化油器 1 燃油供给装置 油箱 油管 液位指示器 汽油滤清器 油水分离器及汽油泵等 2 空气供给装置 空气滤清器 进气消声器 进气预热设备 进气管等 4 废气排出装置 排气管及排气消声器 废气净化装置等 3 组成 汽油的使用性能指标主要是蒸发性 热值和抗爆性 二 汽油 1 蒸发性 直接影响可燃混合气质量的好坏 可用蒸馏试验来测定 蒸发性过强夏天会产生气阻现象 冬天会导致化油器喉口结冰 汽油的蒸发性可用汽油蒸发量的10 50 90 所对应的温度来评定 10 蒸发温度 表明轻质馏分的多少 温度越低 轻质成分多 冷起动性能好 50 蒸发温度 表明中间馏分的蒸发性 温度越低 易蒸发 暖机性能 加速性能和工作稳定性好 90 蒸发温度 温度越低 重馏分含量少 发动机工作均匀性好 燃烧更加完全 主要成份是C4 C12的烃类 2 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 柴油的热值约为42500kJ kg 3 抗爆性 指汽油在发动机气缸中燃烧时 避免产生爆燃的能力 亦即抗自燃能力 一般用辛烷值表示 辛烷值愈高 抗爆性愈好 测定辛烷值的方法有马达法和研究法 相对应的辛烷值分别叫马达法辛烷值 MON 和研究法辛烷值 RON RON MON 10 汽油的牌号根据汽油的辛烷值确定 我国现用研究法辛烷值 RON 如RON 80号汽油指用研究法测定的辛烷值不小于80 选择汽油牌号的主要根据是发动机压缩比的高低 显然 压缩比愈高 相应选择的汽油牌号愈高 第二节简单化油器及可燃混合气的形成 喉管制成缩放管 最窄处称为喉部 主喷管插入其中 并高出浮子室油面2 5mm 因此 发动机静止时 汽油不可能自动吸出 一 简单化油器的结构 由浮子室部分和喉管部分组成 浮子室内装有浮子 进油针阀 主量孔 浮子室上方连接进油管 并开设大气孔 喉管部分装有喉管 主喷管 节气门 喉管上方称为进气室 喉管下方称为混合室 节气门位于混合室之后 进气歧管之前 其作用是改变进入气缸中的可燃混合气的数量以调节发动机的输出功率大小 因而属 量 的调节 进气室 混合室 可燃混合气成分即可燃混合气浓度 一般用空燃比或过量空气系数来表示 空燃比A F 空气质量流量 燃料质量流量 欧美国家 二 简单化油器工作原理 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 1kg汽油完全燃烧需要空气14 7kg 因此理论混合气的空燃比 14 7 理论混合气的过量空气系数 1 A F 14 7或 1时的可燃混合气称为稀混合气 A F 14 7或 1时的可燃混合气称为浓混合气 柴油的理论空燃比14 3 当活塞下移时 进气门打开 空气高速流经化油器喉部 产生压降 造成对浮子室内汽油的真空吸力 汽油经浮子室底部的主量孔 主喷管吸出 被高速气流粉碎成无数细小的油滴 大大增加了蒸发表面积 在喉部下方的混合室内得到良好雾化 与空气混合成成分较均匀的可燃混合气 由混合室下方的节气门控制流入气缸的可燃混合气数量 因此 汽油机是气缸外部均匀混合气形成过程 由于颗粒较大的油滴沉积在进气管底部壁面上 被气流缓慢带动流向气缸内 对多缸机容易造成各缸进气不均匀 指浓度 各缸发出功率差异较大 发动机转速波动较大 因此 化油器式汽油机的进气管一般布置在同侧的排气管上方 加热进气管壁面 促使壁面油膜尽可能多地蒸发 但造成发动机的充气效率下降 总之 化油器的工作原理是利用吸入空气的动能实现汽油的雾化 显然 发动机高速工况时汽油雾化质量较好 低速时汽油雾化质量较差 1 节气门开度 节气门开度增大 整个进气管内进气阻力减小 流过化油器喉部的气体流速增加 喉部真空度增大 吸出的汽油流量和流经喉部的空气流量均增加 发动机功率增大 影响化油器喉部真空度的因素 2 发动机转速 发动机转速愈高 流过化油器喉部的气体流速愈高 喉部真空度愈大 如何精确控制空气流量和汽油流量 1 空气流量 当气缸内真空度一定时 流经化油器喉部的空气流量决定于化油器喉部形状和喉口尺寸 喉部形状一般设计成文氏管形状 流量系数较高 发动机功率较大者喉口尺寸较大 发动机最高转速较高者喉口尺寸较大 2 汽油流量 当化油器喉部真空度一定时 假定浮子室中气体压力和油面高度一定 汽油流量便决定于浮子室底部主量孔的几何形状和尺寸 主量孔油道的几何形状一般设计成长径比在2 1以上 流量系数较高 主量孔一般不在浮子室底部直接钻出 而是开在一个铜制的螺塞中 加工精度较高 可以更换不同尺寸大小的主量孔螺塞 改变可燃混合气浓度 也可以匹配不同功率大小的发动机 化油器的浮子室浮子机构 其作用是发动机工作时维持浮子室油面高度大致不变 这样流经主量孔的汽油流量便唯一决定于化油器喉部的真空度 浮子室上方通大气 发动机工作时要消耗燃油 因此 进油阀始终开启 但不同节气门开度时 进油阀开启的升程不一样 进油量就不一样 显然 浮子的质量要轻 上下移动要灵活 经常的故障是进油阀升程不能随节气门开度的变化而及时变化 造成发动机油门响应性不好 加大油门有时转速下降甚至熄火 浮子室油面下降时 浮子绕浮子支承轴转动而下落 进油阀打开 汽油经细滤网进入浮子室 直至油面高度恢复 进油阀关闭 当节气门开度一定时 发动机转速的变化引起的化油器喉部真空度的变化 相对于发动机转速一定时 节气门开度的变化引起的化油器喉部真空度的变化要小的多 因此 决定化油器喉部真空度的变化的影响因素一般只讨论节气门开度变化的影响 定义 发动机转速一定时 简单化油器所供给的可燃混合气成分随节气门开度 亦即喉部真空度 而变化的关系 称为简单化油器的特性曲线 简单化油器特性曲线 解释 发动机空转时 节气门开度最小 进气阻力损失很大 即进气管内真空度很大 但节气门前的化油器喉部真空度很小 根本吸不出汽油来 因此化油器供给的仅是空气 过量空气系数 随着节气门开度的增大 混合气浓度逐渐变浓 并趋于稳定 第三节可燃混合气成分与汽油机性能的关系 一 可燃混合气成分对发动机性能的影响 试验确定 发动机转速一定 节气门全开的条件下 空气流量自然一定 改变混合气浓度的方法是更换不同尺寸大小的主量孔铜螺塞 分别测出对应的发动机功率和燃油消耗率的大小 如图所示 可燃混合气的浓度对发动机的性能影响很大 直接影响动力性 经济性和有害物排放 经济混合气成分一般在1 05 1 15之间 过稀的混合气虽然可使燃料完全燃烧 但燃烧速度慢 后燃现象严重 一则有效膨胀比降低 二则散热损失增加 导致循环热效率降低 发动机燃油经济性恶化 严重者会引起进气管内回火现象 化油器回火 一 经济混合气成分 由于时间 混合时间和燃烧速度有限 和空间 不可能气缸内绝对混合均匀 的限制 理论混合气不可能完全燃烧 要想达到完全燃烧 必须是稀混合气 从图中可以看出 1 1左右 燃料消耗率最低 1 燃油消耗率2 功率 转速一定 节气门开度最大 从图中可以看出 0 88左右时 发动机输出功率最大 此时 燃烧速度最快 一则热效率最高 二则单位体积可燃混合气燃烧时放出的热量最大 因而功率最高 过浓混合气由于燃烧速度下降 输出功率降低 而且 由于燃烧不完全 燃料经济性恶化 严重者 由于气缸中产生大量的CO和游离的碳粒 造成排气门 火花塞 活塞顶 气缸盖底部积碳 排气管冒黑烟 废气中的CO还可能在排气管中被高温废气点燃 发生排气管 放炮 现象 二 功率混合气 1 燃油消耗率2 功率 三 火焰传播界限 当混合气加浓到 1 4时 燃料分子之间的距离将增大到火焰不能传播的程度 此 值称为火焰传播下限 混合气成分 必须在火焰传播界限内 0 4 1 4 否则 发动机运转不稳定 直至熄火 1 燃油消耗率2 功率 1 11的混合气称为过稀混合气 0 88的混合气称为过浓混合气 混合气无论过稀过浓都会使发动机功率降低Pe 耗油率增加ge 从以上分析可知 发动机正常工作时 所用的可燃混合气 值 应该在获得最大功率和获得最低燃油消耗率之间 在节气门全开时 值的最佳范围为0 85 1 15范围内 一般在节气门全开条件下 0 85 0 95时 发动机可得到较大的功率 当 1 05 1 15时 发动机可得到较好的燃料经济性 所以当 在0 85 1 15范围内 动力性和经济性都比较好 即Pe较大 ge较小 实际上 对于一定的发动机 相应于一定工况 化油器只能供应一定 值的可燃混合气 该 值究竟要满足动力性 还是经济性 还是二者适当兼顾 这就要根据汽车及发动机的各种工况进行具体分析 可燃混合气浓度对发动机性能的影响 四 有利的可燃混合气成分随发动机负荷 节气门开度 变化的关系 发动机转速一定 对应于最大功率的可燃混合气成分 随着节气门开度的变化而变化 如右图所示曲线1 对应于最低燃料消耗率的可燃混合气成分 随着节气门开度的变化而变化 如右图所示曲线2 因此 前述功率混合气成分 0 88 及经济混合气成分 1 1 均指节气门全开的条件下试验结果 包括火焰传播界限 0 4 0 5 1 3 1 4 稳定工况的定义 发动机已完成预热 一定时间内没有转速和负荷的突然变化 可分成怠速和小负荷 中等负荷 大负荷和全负荷三个范围 二 车用汽油机各种工况对可燃混合气成分的要求 一 稳定工况对可燃混合气成分的要求 汽车发动机工作特点 1 工况变化范围大 负荷可从0变到100 转速可从最低稳定转速变到最高转速 而且有时工况变化非常迅速 2 在汽车行驶的大部分时间内 发动机是在中等负荷下工作的 轿车发动机负荷经常是40 60 而货车则是70 80 1 怠速和小负荷工况 怠速是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低稳定转速运转 怠速时节气门开度最小 进气阻力损失最大 流经化油器喉管的气体流速很低 即使吸出汽油来汽油雾化质量很差 而且 由于进气管内真空度较高 气门叠开期间废气极易倒流入进气管内 并在下一循环的进气行程期间吸入气缸内 即怠速时废气稀释现象严重 因此要求化油器在怠速时供给较浓的混合气 0 6 0 8 注 非气缸内的混合气成分 随着节气门略开大而转入小负荷工况时 废气对混合气的稀释作用逐渐减弱 混合气浓度减小至0 7 0 9 节气门中等开度 废气稀释现象可以略去不记 汽油雾化较好 发动机大部分时间处于中等负荷工况 因此 要求化油器应供给较稀的经济混合气成分 0 9 1 1 与曲线2贴近 当汽车爬坡或追求高速时 发动机需发出最大功率 此时 节气门全开 发动机处于全负荷工况 因此 大负荷和全负荷工况时要求化油器供给浓混合气成分 0 85 0 95 气缸内雾化良好 此即气缸内混合气成分 从中等负荷工况到大负荷和全负荷工况 化油器供给的混合气成分从贴近曲线2转换到与曲线1重合 2 中等负荷工况 3 大负荷和全负荷工况 总之 发动机稳定工况变化要求化油器供给由浓变稀 由稀变浓的混合气成分 这与简单化油器特性曲线相反 2 暖机 发动机冷起动后开始自动继续运转 直至稳定的怠速运转 这段过渡期间 由于发动机温度 转速上升 汽油雾化条件改善 要求化油器供给的混合气成分由极浓逐渐变换到怠速工况的较浓混合气成分 1 冷起动 发动机在外力推动下起动时 转速极低 汽油雾化质量很差 要求化油器供给极浓混合气成分 0 2 0 6 注 非气缸内混合气成分 二 过渡工况 结论 通过上述分析 可以看出 发动机的运转情况是复杂的 各种运转情况对可燃混合气的成分要求不同 起动 怠速 全负荷 加速运转时 要求供给浓混合气 1 中负荷运转时 随着节气门开度由小变大 要求供给由浓逐渐变稀的混合气 0 9 1 1 3 加速 加速时 节气门开度骤然加大 由于燃料惯性大于空气 气缸内混合气成分出现瞬间过稀 发动机功率下降 转速降低 甚至会出现熄火现象 因此 要求化油器供给加浓混合气成分 额外供给一部分燃料 4 急减速 节气门迅速关闭 这时由于进气管真空度激增而使进气管壁面流动的油膜迅速蒸发 使混合气变浓 燃烧恶化 排气中HC含量急剧增加 因此 化油器节气门安装有缓冲器来减缓节气门关闭的速度并限制节气门开度 从而避免混合气过浓 显然 简单化油器无法满足发动机过渡工况的混合气成分要求 传统化油器在简单化油器的基础上采用了一系列自动调配混合气浓度的装置 如主供油系统 怠速系统 加浓系统 起动系统 加速系统等 现代轿车化油器还加了一系列对过渡工况的自动配给装置 以提高发动机油门响应性和减少排放 第四节汽油供给装置 功用 贮存 滤清 输送汽油 组成 汽油箱 汽油泵 汽油滤清器 油管 油箱 汽油滤清器 汽油泵 化油器 一般有一个油箱 军用车有2个油箱 油箱储备里程为200 600km 构造 用薄钢板冲压焊接而成 上部有加油管 油面指示表的传感器 出油开关 下部有放油塞 箱内有隔板以加强油箱的强度 并减轻行车时汽油的振荡 油箱是密封的 一般在油箱盖上装有空气蒸汽阀 保持油箱内油压正常 加油时 应先放沉淀后加油 1 汽油箱 2 汽油滤清器 功用 除去汽油中的杂质和水分 由于汽油泵 化油器等精密零件 要求供给清洁的汽油 否则 会引起汽油泵 化油器出现故障 汽油滤清器采用的滤清方式有沉淀式和过滤式 沉淀式 利用静置容器 使汽油经长时间沉淀 杂质和水份下沉到底部 而上部得到较干净的汽油 过滤式 利用过滤器 使汽油通过滤网 而杂质被滤网隔离 滤芯有 纸质滤芯 金属片缝隙式 多孔陶瓷滤芯 纸质滤芯 滤清效果好 成本低 制造和使用方便 故采用最多 滤芯 3 汽油泵 功用 将汽油从油箱吸出 经管路和汽油滤清器 然后泵入化油器浮子室 保证连续不断地供油 这里介绍机械驱动膜片式汽油泵 装在曲轴箱一侧 由配气凸轮轴上的偏心轮驱动 工作过程 进油过程 膜片装在上 下体之间 将内体分为上 下两腔 上腔装有进油阀和出油阀 当凸轮轴转动时 偏心轮的凸起部分驱动摇臂 内摇臂 拉杆将膜片向下拉 迫使膜片克服弹簧力而下凹 泵油过程 当偏心轮偏心部分转过后 膜片弹簧将膜片向上顶 迫使膜片上凸 使膜片上腔空间 油压 进油阀关闭 出油阀打开 油泵对外泵油 膜片上腔容积 油压 进油阀被吸开 出油阀关闭 汽油经过进油器 进油阀进入膜片上腔 手摇臂的作用 在发动机起动前 如果化油器浮子室内无油或储油不足时 就需要利用手摇臂泵油 将手摇臂上下摇动时 可带动半圆轴转动 通过内摇臂使膜片上下移动来实现泵油 泵油量的自动调节一般汽油泵的最大供油量比发动机最大耗油量大2 5 3 5倍 而在发动机正常工作中 要求化油器浮子室油面高度不变 以保证化油器工作性能稳定 因此 要求汽油泵能根据发动机耗油量自动调节供油量 当上方空间油压 在泵油过程中 弹簧推动膜片向上运动一个较小的距离 弹簧力 油压力 达到了平衡 因而 使膜片上 下运动 振幅减小 输入油量相应减少 汽油泵的供油压力取决于膜片弹簧的预紧力 一般油压力为0 027 0 037MP 供油压力不宜太高 否则会使浮子室油面过高 化油器供油量过多 造成浪费 调节原理上腔油压力与膜片弹簧力平衡来调节油压 膜片向下运动受偏心轮控制 位置不能改变 膜片向上运动其位置取决于上方油压 第五节汽油喷射系统简介 一 汽油喷射系统概述 一 汽油喷射的基本概念 汽油喷射是用喷油器将一定数量和压力的汽油直接喷射到气缸或进气歧管中 与进入的空气混合而形成可燃混合气 其目的是为了提高汽油的雾化质量 改善燃烧 以提高汽油机的动力和经济性能 降低有害物排放 汽油喷射按喷射位置分为进气道喷射和缸内喷射两种 前者