第6章-汽油机混合气的形成和燃烧..ppt

发动机原理 第三篇燃烧与排放 第6章汽油机混合气的形成和燃烧 6 1汽油机燃烧过程 图6 1汽油机的燃烧过程 着火落后期 明显燃烧期 补燃期1 开始点火2 形成火焰中心3 最高压力点 3点到达的时刻对动力性和经济性有何影响 对动力性和经济性有何影响 一 燃烧过程分解 1 着火落后期 从火花塞点火到火焰核心形成的阶段 即从火花塞点火 点1 至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升时 点2 的时间或曲轴转角 也称滞燃期 目标 短且稳定 影响因素 2 明显燃烧期 急燃期 指气缸压力线脱离压缩线开始急剧上升到压力达到最高点 图6 1中3点 止 压力升高率代表发动机工作粗暴度和等容度 3 后燃期 明显燃烧期终点3至燃料基本上完全燃烧为止 尽量缩短此过程 4 各相关参数的选择 2点在上止点前曲轴转角12 15度3点在上止点后12 15度到达压力升高率控制在0 175 0 25MPa CA 整个燃烧持续期控制在40 60 二 不规则燃烧 图6 2汽油机典型的气缸压力循环变化情况原因 危害 1 混合气成分波动 1 动力性和经济性下降 2 气体运动状态波动 2 环保性下降 CH和噪声 改善措施 a 0 8 1 0 气流速度和紊流强度 点火 多点及能量 1 循环波动 a 0 8 n 2000r min 节气门全开 a 1 22 n 2000r min 节气门全开 改善循环波动 一般时循环波动最小 过浓或过稀都会使循环波动加剧 可见过量空气系数对循环波动的影响很大 适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性 进而改善循环波动 残余废气系数过大 则循环波动加剧 发动机在低负荷 会增大 低转速 湍流程度会降低 时 循环波动加剧 多点点火有利于减少循环波动 提高点火能量 优化放电方式 采用大的火花塞间隙 有助于减小循环波动 各缸不均匀性 各缸之间混合气含量与充气量不同 原因 进气干涉 进气支管差别 进气速度 紊流状态不同 油膜厚度蒸发条件不同等 影响 难以确定最佳点火提前角和过量空气系数 动力性 经济性和排放性难以优化措施 进气系统设计 进气阻力 各零件安装位置 汽油机MPI后 各缸进气支管基本保持一致 改善各缸不均匀性 但气道内壁及进门处的油膜 各缸湍流状态不完全一致等 各缸不均匀性一定程度上仍然存在 GDI技术将进一步改善各缸不均匀性 2 各缸燃烧差异 由各缸不均匀性造成 三 不正常燃烧 1 爆燃 火花塞点火后 末端气体的自燃现象原因 点火后 末端气体受火焰面热辐射 压缩 其压力温度 在火焰前锋到达之前自燃 特证 燃烧速度极快 达数百米 s 造成很大的压力梯度 温度梯度 压力冲击波 危害 严重时动力性 经济性 排放性恶化 活塞 气门烧坏 故汽油机不允许在严重爆振下工作 产生爆振的条件 t1 t2t1 点火开始到火焰传播到末端气体所需时间 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 3000 7000Hz 功率 转速下降 工作不稳定 机身振动增大 冷却系过热 破坏缸壁表面附面层 严重时冒黑烟 正常燃烧 轻微爆振 严重爆振 影响爆燃因素 燃料特性 运转参数和燃烧室结构参数 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 85 0 95时 燃烧速度最大Pe Tz p Max a 1 05 1 15时 完全燃烧 be Min NOx Max a1 15时 燃烧速度慢 部分燃料来不及完全燃烧 be HC 四 运转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 Pe Max be Min 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 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 最佳点火提前角随负荷的变化 一 混合气浓度与发动机性能的关系 理论上 a 1时完全燃烧 实际上 a 1 03 1 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 a 1 03 1 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 6 2汽油机混合气制备原理 a 1 3 1 4时 混合气过稀 燃料分子间距增大 氧化速率 放热 散热 热量不能积累 火焰难传播而熄火 称该混合气浓度为着火下限 a 0 8 0 9时 燃料密度相对较高 氧气浓度足够 燃烧速率最快 热损失最小 动力性最好 称此混合气为功率混合气 aP 但因不完全燃烧 be CO HC a 0 8 0 9时 混合气过浓 氧气不够 燃料不完全燃烧 放热 燃烧速率 动力性 经济性 缸内易积碳 CO 冒烟 a 0 4 0 5时 严重缺氧 大部分燃料不能燃烧 火焰不能传播而熄火 称此混合气为着火上限 对应最佳动力性和最佳经济性的A F不一致 存在混合气浓度的着火界限范围 汽油 a 0 4 1 4 1 功率混合气与经济混合气2 理想混合气 汽油机在全负荷运行时 希望获得更大的功率以达到最大的动力性能 此时要求供给功率混合气 而在其他负荷运行时 则应从经济性要求出发 来选用合适的混合气浓度 二 汽油机各工况下的理想混合气浓度 3 经济混合气及功率混合气特性线 图6 9不同负荷条件下汽油机的调整特性曲线簇 理想混合气特性线 以图6 9曲线为基础 可做出经济混合气随节气门开度变化的特性线 如图6 10实线 此外 在图上100 节气门开度处取功率混合气值 再从85 开度起逐步由 ab过渡到 ap 以虚线表示 实际上 这只是一种近似的结果 真正的理想混合气特性是通过台架试验的全面调整做出来的 图6 10 ap及 ab随节气门开度的变化特性 4 理想负荷特性线 负荷特性线是指转速不变时 随负荷而变化的规律 1 转速固定时 作出各个节气门位置的调整特性线 图6 11 a 为其中的一例 图6 11 a单一节气门位置的调整特性曲线 2 将这些调整特性线转为图6 11 b 所示的负荷特性线 此线呈鱼钩状 其及两个点分别与图6 11 a 的及对应 图6 11 b负荷特性曲线 3 将所有节气门位置的鱼钩线统一画在图6 11 c 的 坐标图上 然后取其外包络线 就是该转速的最经济的负荷特性线 因为经过了全面的调整 各负荷的值不可能再低于此包络线 4 若图6 15 c 最经济负荷特性线从85 节气门开度到100 节气门开度时逐步过渡调整到功率混合气 则得到最大功率值 这就得到理想负荷特性线 图6 11 c最经济的负荷特性曲线 5 理想混合气特性 将上述试验作出的理想负荷特性线 按图6 11的相反顺序作图 可得到对应的 线或 节气门开度线 这就是该转速的理想混合气特性线 各转速的特性线叠在一起 就是理想混合气的全特性线族 图6 12理想混合气全特性曲线簇 工况 起动 怠速 中小负荷 全负荷和加减速 起动工况 n 温度最低 开度小 气流速低 喷雾及油膜蒸发混合条件最差 供给 a 0 4 0 6 保证缸内可燃混合气的浓度 问题 CO和HC排放较严重 怠速 Pe 0 开度最小 n和温度较低 较大 且随TW 油膜蒸发不同 影响混合气浓度 a 0 6 0 8 怠速稳定 快怠速系统 缩短暖车时间 怠速经济性 6 汽油机各工况对混合气的要求 中小负荷 工作温度 雾化条件改善 此时随节气门开度增加 进气量 随开度 a 常用工况 三效催化 电控 排放 a 1 0 全负荷工况 开度最大 输出最大功率 要求供给功率混合气 a 0 8 0 9对经济性和排放问题暂不予考虑 加减速工况 节气门突变 进气量 进气压力变化 影响进气道表面 进气门背面油膜蒸发 影响缸内混合气浓度 加速时 进气量 进气压力 油膜表面压力 阻碍油膜蒸发 缸内混合气变稀 减速时 进气量 进气压力 油膜表面压力 使其蒸发量增加 缸内混合气变浓 因此 造成汽车加减速时游车现象 必须需要相应地进行喷油量的加减修正 燃料供给方式分为 化油器和电控喷射两种方式 一 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 三 汽油机混合气形成方法 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 c 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 二 电控汽油喷射 EFI 供油系统 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 1 EFI混合气形成特点 2 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 分为缸内直喷 GDI 和进气管喷射 PFI 两大类 1 GDI系统混合气形成特点 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2 5MPa 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 3 电控燃油喷射供油系统分类 2 PFI分为单点和多点喷射 单点喷射 在化油器节气门段用一个喷油器将燃油喷入进气流 效果较差 多点喷射 在每缸进气歧管段各装有一只喷油器 按各缸顺序喷射或分组喷射 汽油直接喷射到各缸的进气门前方 a 单点汽油喷射系统结构示意图 b 多点汽油喷射系统结构示意图 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 4 电控汽油喷射的主要优点 6 3电控汽油喷射系统 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 L型和H型 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 如D型电控汽油喷射系统 2 EFI系统的组成 功用 根据进气量 准确控制喷油器喷油量组成 三个系统空气系统 控制并计量进入气缸的空气量 燃料系统 由ECU指令正确控制喷油量 控制系统 由传感器信息 正确判断工况 并计量控制量 输出给执行器 空气系统 空气滤器 空气流量计 节气门体 空气阀 稳压箱 气缸 保证一定量的清洁空气进入气缸 燃料系统 燃油箱 燃油泵 滤清器 调压器 喷油器 将清洁的一定量燃油定时定压地喷入气缸 控制系统 由传感器 输入 输出电路以及微机等组成 控制系统的指挥部 确定喷油器的开启时刻和关闭时刻 控制喷射时刻和喷射脉宽 量调 喷射压力 250 300kPa EFI控制方法原理图 ECU是电控汽油喷射系统的核心 内装有微型计算机 发动机工作状态通过传感器反映给ECU 在ECU内存储喷射持续时间 点火时刻 怠速和故障诊断等数据 这些存储的数据与发动机工况以及计算机程序相匹配 ECU利用这些数据和来自发动机上各种传感器的信号 经过逻辑运算 又输出控制信号给执行器 通过执行器控制发动机工作状态 传感器 ECU 执行器 二 质量流量式EFI喷射量的控制 1 目标空燃比的确定综合各工况下的动力性 过渡响应性 排气净化特性 燃油消耗率来确定 采用三效催化器时 目标空燃比 理论空燃比 根据 进入气缸的实际空气流量各工况的目标空燃比 控制喷油量 采用GDI时 目标空燃比取决于稀燃控制技术水平 a 进气管压力和发动机转速推算 b 叶片式空气流量计 c 热线式空气流量计 2 进入气缸的空气量的确定 L型电控喷射系统简图 6 4汽油机的燃烧室和燃烧系统 一 汽油机对燃烧室的要求1 结构紧凑 面容比F V 燃烧室表面积与容积之比 常用于表示燃烧室的紧凑性2 具有良好的充气性能3 火花塞位置安排得当4 燃烧室形状合理分布5 要产生适当的气体流动 左图几种燃烧室的F V与HC排放右图顶置气门燃烧室火花塞位置与辛烷值要求 燃烧室形状对燃烧放热率的影响 通过火焰前锋面积 控制燃烧速率和放热速率 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 三 汽油机燃烧系统的发展 楔形 结构较紧凑 火焰传播距离短 挤气面较大 轿车少用 半球形 结构紧凑 F V值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快 应用广泛 浴盆形 椭圆形挤气效果差 F 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F V较大 散热损失 活塞顶上的回转体 一 典型燃烧室 二 汽油机稀薄燃烧系统 分层燃烧均匀混合燃烧特点 A F变化范围窄 12 6 17 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 不同燃烧方式的性能对比 二 汽油机稀薄燃烧系统 17 TGP燃烧室TGP燃烧室与传统型燃烧室放热率比较 1均质稀混合气的燃烧室 本田公司CVCC燃烧系统 分区燃烧方式 2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hm