汽车节能技术第四章

第四章汽油机混合气的形成和燃烧，汽油机-高温单级点火，压缩燃料和空气的混合气，在此过程中，发生了一些化学反应。火花点火，局部温度高达3000K以上，在那里燃料分子直接分裂成大量的自由原子和自由基，迅速反应出现炽热的火焰，瞬间扩大到整个燃烧室。因此，汽油机的点火过程是：压缩混合气的点火(经过一个短暂的点火延迟期)是一个热火焰，发动机的燃烧过程是一个将燃料的化学能转化为热能的过程。进入气缸的燃料的完全燃烧程度直接影响产生的热量和排出的废气的成分。燃烧时间或燃烧等于曲轴转角的位置也与热量的利用和气缸压力的变化有关。因此，燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，也与噪声、振动、起动性能和使用寿命有着显著的关系。1.汽油发动机1的燃烧过程。正常燃烧过程1)正常燃烧过程图中显示了汽油机的典型展开示功图。为了便于分析，根据压力变化点将燃烧过程人为地分为三个阶段。(1)从火花塞点火到气缸压力明显偏离压缩线并急剧上升的点火延迟期内的时间或曲柄角。当火花塞放电时，两极之间的电压达到10-15kV，这分解了电极间隙中的混合气体，导致电极之间的电流通过。电火花的能量大多为40-80mJ，局部温度可达3000K，使电极附近的混合气体立即点燃形成火焰中心，火焰向四周蔓延，气缸压力开始远离压缩线急剧上升。1。正常燃烧过程，汽油机燃烧过程，汽油机燃烧过程，汽油机燃烧过程一点火延迟期二明显燃烧期三补燃期一开始点火二形成火焰中心三最高压力点，1。正常燃烧过程中，点火延迟期长度与混合气成分(=0.8-0.9时最短)、点火开始时缸内气体温度和压力、缸内气体流量、火花能量和残余废气量等因素有关。它可能会在每个周期发生变化，有时最大值可能会达到最小值的几倍。希望点火延迟时间尽可能缩短并保持稳定。(2)明显的燃烧周期是从火焰中心形成到火焰在整个燃烧室中蔓延，通常指压力达到最高点。在均匀混合物中，当火焰中心形成时，火焰在周围传播，形成近似球形的火焰层，即火焰前沿，其从火焰中心的上升层传播到周围的未燃烧混合物，直到连续的火焰前沿扫过整个燃烧室。火焰前锋相对于未燃烧混合物前进的速度称为火焰速度，用单位表示。超声波的大小取决于层流火焰的速度(大约每秒几十厘米到几米)和混合物的湍流状态。由于大部分燃料在这个阶段燃烧，当活塞接近上止点时，气缸压力迅速上升。平均压力上升率P/兆帕/()通常用来表示压力变化的剧烈程度。汽油机燃烧过程，1。正常燃烧过程、汽油机燃烧过程、汽油机燃烧过程、汽油机燃烧过程I-点火延迟期II-明显燃烧期III-补燃期1-开始点火2-形成火焰中心3-最大压力点1。正常燃烧过程，汽油发动机的燃烧过程，公式中P2和P3的终点和起始点的压力(兆帕)，终点和起始点的曲轴角度 2和3相对于上止点()。汽油发动机在0.2-0.4兆帕/()的范围内。显然，燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。燃烧周期越短，越接近上止点，汽油机的经济性和动力性就越好。然而，它可能导致过高的P/值，综上所述，汽油机的正常燃烧过程是唯一的定时火花点火启动，火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室。1、正常燃烧过程、汽油发动机的燃烧过程、1、正常燃烧过程、汽油发动机的燃烧过程、1、正常燃烧过程、2)燃烧速度燃烧速度是指每单位时间燃烧的混合气体的量，其可以表示为汽油发动机的燃烧过程，其中：-火焰前沿面积-火焰速度-预先存在的混合气体的密度控制燃烧速度可以控制明显燃烧周期的长度及其相对于曲柄角的位置。现代汽油发动机具有非常高的转速，通常在5000至8000转/分钟之间，燃烧时间非常短，仅在0.001至0.002秒之间，这需要足够快的燃烧速度，并希望它能合理地改变。从上述公式可以看出，影响燃烧速度的因素如下。(1)正常燃烧过程，(1)火焰速度UT火焰速度UT是决定明显燃烧周期长度的主要因素。现代汽油机的超声速可达50 80m/s，影响超声速的主要因素有：燃烧室中气体的湍流运动、混合气的成分和混合气的初始温度。答：湍流运动包括一定运动方向的涡旋运动和许多小气团的不规则脉动运动。这些由气体颗粒组成的小气团大小不同，流速和流向也不同，但宏观流向是相同的。这种湍流运动严重扭曲了平坦的火焰前表面，甚至将其分成许多燃烧中心，导致火焰前燃烧区的厚度增加和火焰速度加快。汽油机燃烧过程显示了湍流强度与火焰速度比之间的关系。湍流强度是指每个点的速度均方根值。火焰速度比是湍流火焰速度与层流火焰速度之比。可以看出，加强燃烧室内的湍流，特别是微涡流运动，将有效地提高火焰速度，这是提高汽油机燃烧速度的最重要的手段。1.正常燃烧过程，汽油机燃烧过程，1。正常燃烧过程中，B、不同混合物成分，火焰传播速度明显不同。图4-5显示了火焰速度和过量空气系数之间的关系。从图中可以看出，当=0.850.95时，火焰速度最大，汽油机燃用这种浓混合气时，燃烧速度最快，功率也最大。因此，这种混合比称为功率混合比。在汽油机燃烧过程中，当=1.031.1时，火焰速度下降不多，燃烧因氧气充足而完成。因此，汽油发动机以这种混合物的浓度工作，并且汽油发动机的经济性是最好的。因此，混合比被称为经济混合比。1.在正常燃烧过程中，当继续增加时，燃烧过程将延长，热效率和功率都将由于火焰速度的降低而降低。当1.3-1.4时，火焰难以传播，汽油机不能工作。这种混合比被称为火焰传播的下限。同样，T、P增大，充气效率增大，残余气体系数减小。5)低大气压力和低气缸充气将使混合气变浓。此外，较低的压缩压力、较长的点火延迟时间和较低的火焰速度会降低经济性和功率，但会降低爆燃倾向。空气温度高，同缸充气减少，经济性和动力性变差，容易发生爆燃和空气阻力。空气阻力是由于燃料蒸发而在燃料供应系统中形成气泡的现象，这会减少甚至中断燃料供应。因此，在炎热地区行驶时，有必要加强冷却系统的散热能力，并使用含有大量机油的汽油泵。相反，在寒冷地区行驶时，应加强进气系统的预热，增加火花能量，以确保燃油雾化、点火和启动。汽油机的燃烧过程。汽油机混合气的形成。汽油机混合气的形成主要有两种类型：一种是化油器式，另一种是汽油喷射式。她们如图4-17所示，理想混合气体随着负荷的增加而逐渐变薄，在小负荷范围内变化较大，随着负荷的增加而逐渐变平。当负荷超过50%后，空燃比变化不大，空燃比约为17。怠速时，节气门几乎完全关闭。为了抵消废气对新进气稀释的影响并确保稳定运行，需要更浓的混合气，a/f=10 12.4。1、汽油发动机混合气形成，1、化油器式混合气形成，理想化油器特性，汽油发动机混合气形成，1、化油器式混合气形成，2)真空度在研究实际化油器供油特性之前，有必要强调喉部真空度和进气管真空度的区别。所谓的喉部真空度是指由于气体流量的增加而在化油器喉部最小横截面上产生的负压，它控制着主供油系统的油量。进气管的真空度指的是节流阀后面、混合室和进气管中的负压。这部分负压主要因节气门开度和发动机转速而异。用于控制怠速油系统、真空省煤器的加浓时间和真空点火提前角。当节气门开度恒定且转速增加时，喉管真空度和进气管真空度增加(如下图所示)。不同的是节气门开度会改变，两者非常不同。例如，当节流阀关闭时，进气管的真空度非常高，大约为50-70千帕，而喉管的真空度实际上接近于零。1、汽油发动机混合气形成，化油器式混合气形成，汽油发动机混合气形成，节气门开度增大，喉部真空增大，进气管真空减小，随着节气门开度的增大，二者越来越接近，最后喉部真空会超过进气管真空。1、化油器混合气形成，汽油机混合气形成，节气门开度，喉部真空度增加，进气管真空度降低，随着节气门开度的增加，两者越来越接近，最后喉部真空度会超过进气管真空度。1、化油器混合气形成，3)简单的化油器特性，汽油发动机混合气形成，1、化油器混合气形成，汽油发动机混合气形成，其供油取决于喉部真空度。缺点是随着喉部真空的增加，燃料流量的增加速率超过空气流量的增加速率，即混合物变得越来越浓。简单化油器和理想化油器的特性比较如图所示。从前面的分析可以看出，简单的化油器特性并不适合理想的特性。原因是随着喉部真空Pn的增加，燃料流量的增加速率超过了空气流量的增加速率。纠正措施包括抑制燃料流量的增加或随着Pn的增加进一步增加空气流量。目前，最广泛的校正措施是渗透空气校正系统。如图4-22所示，主喷嘴4与浮子室油位之间的距离为h，与大气相通的泡沫管6插入主计量孔1后面的主油井3中，泡沫管的上部被空气计量孔5限制，泡沫管的下部设有几排与主油井相通的泡沫孔2。1、汽油发动机混合气形成，化油器式混合气形成，汽油发动机混合气形成，1、化油器式混合气形成，汽油发动机混合气形成，主供油系统校正后的特性，1、化油器式混合气形成，实质上，校正空气体积孔和泡沫管混合比特性的方法，是利用一系列不同斜率的简单化油器特性组合，使其接近理想特性。采用空气计量孔和泡沫管的空气渗透法，不仅可以达到校正的目的，而且可以促进燃油的分散和雾化，因为燃油是以油气混合状态喷入喉部的。空气计量孔的布置改变了简单化油器的燃料流出仅受喉部真空度限制的情况。5)满载浓缩和怠速必要时进行浓缩可以相对有效地确保部分负荷时的节油。因此，这种动力富集系统也被称为节油系统(或节油装置)。1、汽油机混合气形成，化油器式混合气形成，汽油机混合气形成，1、化油器式混合气形成，如上图所示，实现省煤器工作的方案有两种。一种是机械节油器，其功能是通过节气门的开启位置来控制推杆开启富油孔，其启动点大多设定在节气门全开前10左右，其作用点与转速和负载的变化无关。另一种是真空省煤器，即当发动机转速降低或节气门开度增大时，将进气管的真空度降低到一定值，将开始加浓。这两种省煤器经常同时使用，它们的功能可以相互补充。一、汽油机混合气形成、节气门开度、转速和进气管真空度的关系，1、化油器式混合气形成，(2)怠速时发动机怠速运转，节气门开度很小，设置在怠速油孔后的节气门真空度，可以保证在怠速和小负荷下获得所需的浓混合气。然而，随着节流阀稍微打开，进入混合室的空气量迅速增加。同时，进气管真空度迅速下降，怠速油量立即减少，这将使混合气变得非常稀薄，甚至熄火。因此，过渡喷嘴应布置在怠速油孔上方。过渡喷嘴的作用是将怠速系统的供油扩展到节气门开度较大的位置，以便更好地与主油系统连接，达到平稳过渡的目的。主油系统设置节油系统和怠速油系统后，化油器可以根据理想的供油特性在稳态条件下工作。1、汽油发动机混合气体形成，1、化油器式混合气体形成，汽油发动机混合气体形成，怠速油系统1，2-计量孔3-调节螺钉4-怠速喷嘴5-过渡喷嘴，1、化油器式混合气体形成，化油器变型操作1)加速过程当节流阀突然打开时，由于油量的增加滞后于空气量的增加，加上进气管中真空度的降低， 进气管中原始燃料的汽化状态被破坏，导致混合气体成分瞬间变稀，因此发动机扭矩的瞬间变化不同于节气门缓慢打开时稳定状态下的扭矩增加(图4-31)。 从图中可以看出，扭矩的增加在加速过程中有一个滞后，每个对应点的扭矩都有很大的下降。汽油机混合气的形成，加速过程中扭矩的变化，1。化油器式混合气的形成正是由于加速过程中扭矩上升的滞后和扭矩值的下降，使发动机的动态性能变差，并可能导致失火和失火。因此，从燃油系统的角度来看，当节气门迅速打开时，应使用加速泵向喉部额外供应适量的加速油。当节流阀缓慢打开时，加速泵下的燃料通过进油阀返回到浮子室，而没有增加(图4-32)。汽油发动机混合气形成，加速泵示意图1，2，3，4-杠杆机构5-弹簧6-活塞7-进油阀8-出油阀9-加速泵计量孔10-空气孔，1，化油器混合气形成，2)快速减速过程实践表明，一旦加速踏板抬起(节气门突然关闭)，进气管真空度急剧波动，沿进气管壁流动的液膜迅速蒸发，使混合气变浓。此外，由于进气管的高真空度，在减速过程中燃烧恶化，废气的有害成分迅速增加。由于进气管中存在液膜，即使在节气门关闭时怠速供油被切断，也不能避免排放有害物质的增加。为了降低快速减速过程中的碳氢含量，可以采取以下措施：(1)在化油器上设置节流缓冲器，降低节气门关闭速度，可以有效降低碳氢含量。(2)当滑动时，电子起动时，转速极低，通过喉部的气流速度也极低。这时，油蒸气的蒸发很小。因此，为了使气缸内的混合气成分达到点火极限，化油器必须配备一个起动系统来供给更多的汽油，以大大丰富混合气的总成分，从而保证汽油机在低温下点火。当发动机开始运转时，转速增加，喉部真空度增加，燃油蒸发增加。因此，在预热过程中，需要有比动态时刻稍稀的混合气。然而，为了确保