汽车发动机原理第八章汽油机溷合气的形成和燃烧

,发动机原理,第三篇燃烧与排放,第8章汽油机混合气的形成和燃烧,8.1汽油机燃烧过程,图8.1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,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（2）明显燃烧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8.1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,2燃烧速率,（1）层流火焰燃烧速率,图8.2层流火焰与火焰前锋面形状的关系,（2）湍流火焰燃烧速率,图8.3在不同湍流作用下的火焰前锋厚度（a）湍流较弱（b）湍流较强,不规则燃烧1）循环波动,图8.5汽油机典型的气缸压力循环变化情况（1）混合气成分波动（2）气体运动状态波动,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,2）各缸工作不均匀各缸进气充量的不均匀、混合气成分不均匀汽油机进气管内存在空气、燃料蒸气、各种浓度的混合气、大小不一的油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不均的油膜进气系统设计不当、进气管动态效应、以及各缸进气重叠干涉等原因，使得各缸的实际充气系数不均匀,不正常燃烧,1.爆燃现象爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波)，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，严重敲缸时，发动机功率下降，转速下降，工作不稳定，机身有较大振动，同时冷却水过热，润滑油温度明显上升,机理火花塞点火后，火焰前锋面呈球面波形状以正常传播速度（3070ms）向周围传播，气缸内压力和温度都急剧升高。混合气燃烧产生的压力波迅速向周围传播，在火焰前锋面之前先期到达燃烧室边缘区域，该区域的可燃混合气(即末端混合气)在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并放出部分热量，使本身压力和温度不断升高，燃前化学反应加速。一般来说，这些都是正常现象，但如果这一反应过于迅速，以至在火焰锋面到达之前末端混合气即以低温多阶段方式开始自燃，则引发爆燃。爆燃着火方式类似于柴油机，同时在较大面积上多点着火，所以放热速率极快，局部区域的温度压力急剧增加。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音(即敲缸声)，这就是爆燃。,影响因素（1）燃料性质辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。（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。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生。（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，有利于避免爆燃。,2.表面点火,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，统称表面点火诱发早燃,运转因素对燃烧的影响,1.点火提前角点火提前角调整特性当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,图8.10点火提前角不同时的图,2.混合气浓度混合气浓度调整特性在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线,3.负荷在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入气缸的混合气量，以达到不同的负荷要求,图8.12最佳点火提前角随负荷的变化,4.转速转速增加时，应增大点火提前角,8.2汽油机混合气制备原理,汽油机理想混合气特性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,1)经济混合气及功率混合气特性线,理想混合气特性线,以图8.13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8.14实线。此外，在图上100节气门开度处取功率混合气值，再从85开度起逐步由过渡到。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,2)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8.15(a)为其中的一例,(2)将这些调整特性线转为图8.15(b)所示的负荷特性线。此线呈鱼钩状，其及两个点分别与图8.15(a)的及对应。,(3)将所有节气门位置的鱼钩线统一画在图8.15(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8.15(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。,3)理想混合气特性,将上述试验作出的理想负荷特性线，按图8.15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,4）动态过程对混合气特性的要求,冷车起动暖车过程加速急减速,化油器式供油系统混合气的形成原理,1.理想化油器特性化油器制备混合气的原理简图l燃油喷管2喉管3节气门4主量孔5浮子室,在化油器和汽油机的结构参数不变的条件下，混合气的值只取决于喉管的真空度或进气流量。，是喉管最小截面处的绝对压力，为喉管上方、空滤器之后的压力，一般视为大气压力。与是和汽油机功率或节气门开度成正比的，所以化油器只能调制出一条（或、曲线，而图8.16的理想混合气特性是-的一族曲线，这就意味着化油器调制出的一个点要适应多个工况的要求。比如，同一进气流量，既可由高速、小节气门开度工况得到，也可由低速、大节气门开度工况获得。因此的确定只能是多工况要求的折中，也就是说化油器制备原理本身就满足不了理想混合气精确调控的要求。,图8.18理想化油器特性线的制取,2.简单化油器特性,简单化油器的进气流量计算式为空气流速通过喷油口(亦即通过主量孔)的供油率为,为主量孔前后的压差所以,时不供油。此时，真空度不足以提升的油柱，致使油面达不到喷管口。加大后开始喷油。由趋于一个常数。该值由式(8-7)中各参数所决定。可以按要求选用不同参数来加以调节。,简单化油器特性的校正,3现代化油器特性的获取,（1）低怠速的I区值过大，即混合气过稀，甚至不出油，为此，要附加怠速油系进行怠速供油，同时，由怠速圆滑过渡到主喷油段，满足低速供油和平稳过渡的要求。（2）主供油区的值过小，混合气偏浓，一般采用渗气补偿装置(带泡沫管的补偿油井)来校正。（3）大负荷、满负荷区过大而混合气偏稀，因此要加装机械及真空加浓装置(省油器)，使油门开度从85左右开始逐步加浓到满负荷的值。,电控燃油喷射式供油系统混合气的形成,(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,2.化油器与汽油喷射系统的比较,（1）空燃比精确控制，使任何工况下都处于最佳工作状态，特别是对过渡工况的动态控制（2）没有喉管，减小进气阻力，不需要对进气管加热来促进燃油的蒸发，充气效率高（3）进气温度低，爆燃得到了有效控制，有可能采取较高的压缩比（4）混合均匀性问题比较容易解决（5）冷起动性能和加速性能良好，过渡圆滑,控制方法,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,8.3汽油机的燃烧室,汽油机对燃烧室的要求1.结构紧凑面容比FV(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,图8.25几种燃烧室的FV与HC排放图8.26顶置气门燃烧室火花塞位置与辛烷值要求,图8.27燃烧室形状对燃烧放热率的影响,传统汽油机燃烧室,楔形燃烧室,盆形燃烧室,半球形燃烧室,图8.31不同燃烧方式的性能对比,汽油机稀薄燃烧系统,17,图8.32TGP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,图8.34TGP燃烧室NOx的比较,2)双火花塞燃烧室,半球形燃烧室中心两边等距离处各布置一个火花塞，火焰传播距离仅为缸径的一半，点火提前角可减小,2.分层燃烧燃烧室,1）美国德士古分层燃烧系统(TCCS),本田公司CVCC燃烧系统,分区燃烧方式,轴向分层稀燃系统,图8.38轴向分层工作原理a）进气过程早期b）进气过程后期c）压缩过程,4）滚流(纵涡)分层稀燃系统,三菱公司MVV(Mitsubishiverticalvortex)燃烧系统,5）四气门分层稀燃系统,AVL公司四气门高压缩快速燃烧(HCFB，highcompressionfastburn)系统,3缸内直喷式稀薄燃烧方式,缸内直接喷射(GDI，gasolinedirectinjection)是指直接往气缸内喷射汽油,图8