第8章 汽油机混合气的形成和燃烧

1、 汽油机混合气的形成和燃烧Luoyang Institute Of Science And Technology主要内容：主要内容：p汽油机的燃烧过程及其特点汽油机的燃烧过程及其特点p汽油机的不正常燃烧汽油机的不正常燃烧p汽油机的混合气形成汽油机的混合气形成p汽油机燃烧室及其特性汽油机燃烧室及其特性p汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）汽油机电子控制系统与控制技术（不讲）p稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程Luoyang Institute Of Science And Technology汽油机燃烧过程及分析汽油机燃烧过程及分析汽油机着火

2、和燃烧的高速摄影汽油机着火和燃烧的高速摄影火焰特点：火焰特点：均质透明均质透明火焰前锋面皱褶火焰前锋面皱褶火核形成火核形成 火花点火火花点火Luoyang Institute Of Science And Technology燃烧过程的高速摄影实例：燃烧过程的高速摄影实例：48121620242832400(TDC)火焰特点：火焰特点：多点大面积着火多点大面积着火粗暴粗暴“有焰有焰”燃烧燃烧产生碳烟产生碳烟柴油机燃烧过程及其特性分析Luoyang Institute Of Science And Technology8.1 汽油机燃烧过程及其特点汽油机燃烧过程及其特点汽油机燃烧三阶段： （1）

3、着火落后期（ AB ） （2）明显燃烧期（ BC ） （3）后燃期（ CD ）Luoyang Institute Of Science And Technology1 1、 着火落后期（着火落后期（A AB B ）p 燃烧特性参数：燃烧特性参数：着火落后期着火落后期i i 1010CACA左右左右注意区别点火提前角注意区别点火提前角igigi i 相对稳定（相对柴油机），因此相对稳定（相对柴油机），因此igig对对p pmaxmax相位有重要影响相位有重要影响p 现象现象： 在在A A点开始火花点火，点开始火花点火， 高温高温单阶段着火单阶段着火； 在在B B点产生稳定的火核，开始点产生稳定的

4、火核，开始火焰传播；火焰传播；B B点也可用点也可用CA05CA05表示，表示， 即累即累计放热计放热5%5%的相位。的相位。Luoyang Institute Of Science And Technology2 2、 明显燃烧期（明显燃烧期（B BC C ）p现象现象：火焰充满燃烧室，燃烧压力达到火焰充满燃烧室，燃烧压力达到最高，即最高，即pmaxpmax ； 其间其间80809090燃料被燃烧。燃料被燃烧。p燃烧特性参数燃烧特性参数1 1： 最高爆发压力最高爆发压力pmax pmax ，i ，W i ， 但但NOx ，机械负荷及热负荷机械负荷及热负荷； pmax位置，位置，c101015

5、 CA15 CA（ ATDCATDC）p也称为也称为速燃期速燃期p放热速率特征值放热速率特征值CA50CA50：累计放热：累计放热50%50%的相位，的相位，510 CA 510 CA （ATDCATDC）Luoyang Institute Of Science And TechnologyPmaxPmax的控制优化的控制优化PmaxPmax出现的位置可用点火提前出现的位置可用点火提前角角igig来控制来控制；MBTMBT：Minimum advance for Minimum advance for Best TorqueBest Torque，对于最大转矩的对于最大转矩的最佳点火提前最佳点

6、火提前Luoyang Institute Of Science And Technologyp燃烧特性参数燃烧特性参数2 2：压力升高率压力升高率 压升率压升率 = = dp/ddp/d 最高压升率（最高压升率（dp/ddp/d）maxmax ( (MPa/CA)MPa/CA) 平均压升率平均压升率p dp/ddp/d的影响的影响 dp/d,idp/d,i，但但NOxNOx，机械，机械损失及热负荷损失及热负荷,噪声噪声 振动振动p一般汽油机一般汽油机 dp/d dp/d0.20.20.40.4（MPa/CAMPa/CA）2 2、明显燃烧期（、明显燃烧期（B BC C ）cbcbppdpd（dp

7、/ddp/d）maxmaxLuoyang Institute Of Science And Technology3 3、后燃期（、后燃期（C CD D ) )p要求：要求： 燃期要短燃期要短后燃期后燃期， i ， 排温排温，甚至甚至“放炮放炮” 燃烧完全燃烧完全否则，否则，HC，CO p 现象现象: : 燃烧剩余约燃烧剩余约1010燃料，主要存在于火燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气面附近未燃混合气Luoyang Institute Of Science And Technology8.1.2 汽油机的不正常燃烧p 汽油机汽油

8、机正常燃烧正常燃烧的特征（点燃式发动机）：的特征（点燃式发动机）： 由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式）由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式） 以火核为中心的火焰有序传播以火核为中心的火焰有序传播p 汽油机汽油机不正常燃烧不正常燃烧： 爆燃（爆震、敲缸）爆燃（爆震、敲缸） 表面点火表面点火 激爆激爆p汽油机的汽油机的不规则燃烧不规则燃烧：循环波动循环波动不同循环之间的燃烧变动不同循环之间的燃烧变动各缸不均匀各缸不均匀各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异Luoyang Institute Of Science And Technology1、爆燃现象（、爆燃现象（Knocking）尖锐的金

9、属敲击声，声频为尖锐的金属敲击声，声频为3 37 7KHzKHz机身有明显振动机身有明显振动功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟示功图出现不同程度的示功图出现不同程度的“锯齿波锯齿波”冷却水、机油和气缸盖等温度升高冷却水、机油和气缸盖等温度升高8.1.3 爆燃的机理与对策正常燃烧正常燃烧轻微爆燃轻微爆燃强烈爆燃强烈爆燃Luoyang Institute Of Science And Technology2、爆燃机理、爆燃机理末端混合气（末端混合气（End gasEnd gas）受压缩和热受压缩和热辐射，以低温多阶段方式产生自燃辐射，以低温多阶段方式产生自燃（Self-i

10、gnitionSelf-ignition）多点大面积自燃，形成局部温度压多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力力陡升（瞬时压力1818MPaMPa），），压力波压力波在传播过程种形成在传播过程种形成“激波激波”。激波冲击燃烧室壁面产生高频振音激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在示功图上可观（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波动。察到这种压力波动。注意：注意：火焰前锋面速度火焰前锋面速度100100m/sm/s，压压力波和热辐射分别为音速和光力波和热辐射分别为音速和光速速8.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And

11、Technology3、爆燃的危害、爆燃的危害 燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，燃室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热散热， 热负荷热负荷，严重时活塞顶烧熔，严重时活塞顶烧熔; 燃烧粗暴燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟、热裂解发生，甚至冒黑烟 由于油膜层被破坏，引起活塞组由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损异常磨损，拉缸，拉缸 甚至活塞环断甚至活塞环断 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 t ，热损失，导致，导致be，Pe 燃气压力剧烈波动使燃气压力剧烈波动使pmax和和dp/d ，使使机械负荷机械负荷。8.1.3 爆燃的机理与对策Luo

12、yang Institute Of Science And Technology爆燃的危害爆燃的危害正常燃烧火花塞正常燃烧火花塞爆燃爆燃-火花塞绝缘体烧毁火花塞绝缘体烧毁8.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And Technology8.1.3 爆燃的机理与对策区别区别汽油机爆震汽油机爆震柴油机粗暴燃烧柴油机粗暴燃烧Luoyang Institute Of Science And Technology4、防止爆燃的对策、防止爆燃的对策 记记: t1由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间 t2

13、由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间则：则： 不爆燃的条件不爆燃的条件 t1 t28.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And Technology要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？要求：逐项深入理解上述对策，要搞清为什么？8.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And Technology汽油机爆燃示例180360540010203040506070P (bar) (oCA)n=2000rpm BMEP=0.9MPa发动机：发动机：EQ491EQ491

14、压缩比：压缩比：9.09.0汽油：汽油：90(RON)90(RON)点火提前角ig =24oCAig = 19oCALuoyang Institute Of Science And Technologyp上述缩短上述缩短t1和延长和延长t2的对策中，许多是相互矛盾的的对策中，许多是相互矛盾的p实际中防止爆燃的主要措施实际中防止爆燃的主要措施 降低降低 （最主要）（最主要） 提高燃料辛烷值提高燃料辛烷值 推迟点火时间推迟点火时间 燃烧室优化设计燃烧室优化设计（含提高湍流度等，见右图）（含提高湍流度等，见右图） 爆震传感器反馈控制爆震传感器反馈控制 由此造成了汽油机多年来的难题：即如何由此造成了汽

15、油机多年来的难题：即如何在无爆燃条件下实现高压缩比在无爆燃条件下实现高压缩比8.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And Technologyp有关爆震的机理，并未完全探明，尤其有关爆震的机理，并未完全探明，尤其是末端混合气自燃后的压力是末端混合气自燃后的压力“震荡震荡”和和“激波激波”等问题等问题p爆震也并非一无是处爆震也并非一无是处作为目前内燃机燃烧国际前沿的作为目前内燃机燃烧国际前沿的“均质均质混合气压燃混合气压燃”实际上是一种可控爆震实际上是一种可控爆震“爆震发动机爆震发动机”作为飞机动力目前在研作为飞机动力目前在研究中，究中，p实际上，

16、汽油机的实际上，汽油机的爆震主要发生在大负荷工况爆震主要发生在大负荷工况，尤其是低速大负，尤其是低速大负荷。因此，荷。因此，可变压缩比可变压缩比是一个兼顾低负荷热效率和大负荷不爆是一个兼顾低负荷热效率和大负荷不爆震的理想方法。震的理想方法。8.1.3 爆燃的机理与对策Luoyang Institute Of Science And Technology8.2.3 循环波动1、现象、现象汽油机转速和转矩波动大于柴油机汽油机转速和转矩波动大于柴油机一般：汽一般：汽 10 r/min柴柴 2 r/min转速和转矩波动源于燃烧波动转速和转矩波动源于燃烧波动（如右图（如右图) pmax波动波动 ：2.5

17、3.5MPa（dQB/d）max波动：波动： 2倍倍Luoyang Institute Of Science And Technology2、危害、危害 点火时间、空燃比等控制参数无法点火时间、空燃比等控制参数无法调节到最佳；调节到最佳； 燃烧不好的循环会产生燃烧不好的循环会产生i 、Wi等下降等下降（设想上图中如（设想上图中如10个循环都按个循环都按pmax最高的循环来工作，会怎最高的循环来工作，会怎样？）样？） 振动振动、噪声、噪声 例：例：6105汽油机燃烧室改进设计后，汽油机燃烧室改进设计后， （dp/d）max由由1.8上升上升到到2.4（bar/ CA），），p由由11降为降为7.

18、1，结果噪声下降，结果噪声下降8dB8.2.3 循环波动Luoyang Institute Of Science And Technology3、循环波动的评价指标、循环波动的评价指标循环波动率：循环波动率： p = (p / pmax)100式中，式中， p为为pmax的标准偏差；的标准偏差； pmax为为 pmax的算术平均值的算术平均值正常情况：正常情况： p 10%较好汽油机：较好汽油机： p 7% 同理：可用同理：可用PmaxPmax出现角度出现角度ppmaxmax、 dp/ddp/d、p pmimi 、( (dQB/d)max等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。等多种燃烧特性参数表

19、示循环波动程度。8.2.3 循环波动Luoyang Institute Of Science And Technology4、产生循环波动的原因、产生循环波动的原因（1） 混合气成分波动：混合气成分波动：局部空燃比波动；局部空燃比波动；残余废气浓度波动。残余废气浓度波动。（如图，火花塞处连续（如图，火花塞处连续5050个循环的快速采样结果）个循环的快速采样结果）（2） 气体运动状态波动气体运动状态波动流速过高或过低；流速过高或过低；湍流强度过高或过低。湍流强度过高或过低。Luoyang Institute Of Science And Technology5、影响因素及改进措施、影响因素及改进

20、措施 a a影响最大，影响最大， a a=0.8=0.81.01.0时，时， pp最小；最小； 油气混合的均匀程度（绝对均匀，油气混合的均匀程度（绝对均匀， pp00）；）； r r，p p ，因此应加强火花塞周围扫气，因此应加强火花塞周围扫气 ； 负荷负荷 （ r r ），则），则p p ； 转速转速 （ 湍流湍流），则），则p p ； 提高点火能量或采用多点点火。提高点火能量或采用多点点火。Luoyang Institute Of Science And Technology汽油机循环波动案例（1）901802703604505406307200.00.51.01.52.02.53.03.

21、54.04.5汽 缸 压 力汽 缸 压 力 p / MPan=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)27036045054001234n=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5气 缸 压 力气 缸 压 力 p / MPa曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)491491i i汽油机实测结果汽油机实测结果循环波动率每增大1个%点，Pmi损失1.5%柴油机的循环波动为什么小于柴油机的循环波动为什么小于汽油机？汽油机？Luoyang Institute Of Science And

22、Technology循环波动率示例010000 20000 30000 40000 500000510152025P(bar) (oCA)010000 20000 30000 40000 5000001020304050P(bar) (oCA)Pmax = 8.9%Pmax = 9.6%BMEP=0.19MPaBMEP=0.19MPaBMEP=0.88MPaBMEP=0.88MPa（大众（大众TouranTouran，2.0L 2.0L 汽油机，汽油机，n=2000rpmn=2000rpm）汽油机循环波动案例（2）Luoyang Institute Of Science And Technol

23、ogy8.1.4 表面点火及其防止措施p何谓表面点火（何谓表面点火（Surface ignition）由炽热表面点燃混合气引起的着火由炽热表面点燃混合气引起的着火p炽热表面：炽热表面：燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部、积碳燃烧室壁面凸起部，如排气门、壁面尖角处、火花塞群部、积碳（Deposit）及其催化剂作用及其催化剂作用p表面点火的分类：表面点火的分类： 早火（早燃早火（早燃, Pre-ignition）正常火花点火前发生的表面点火正常火花点火前发生的表面点火 后火（后燃）后火（后燃）正常火花点火后发生的表面点火正常火花点火后发生的表面点火p后火：后火：若不引发爆燃，一般危

24、害不大，或对若不引发爆燃，一般危害不大，或对i略有利；但长时间后火，略有利；但长时间后火，会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现会使燃烧室热负荷提高，演变为早火；出现“续走续走”（Running-on）现象。现象。Luoyang Institute Of Science And Technologyl早火早火由于实际着火提前，使由于实际着火提前，使pmax和和dp/d负功负功 ； i ；pi ；机械负功机械负功； m ，产生产生低频敲缸低频敲缸（6001200Hz） （注意早火与爆燃的异同）（注意早火与爆燃的异同）l爆燃性表面点火（激爆）爆燃性表面点火（激爆）早火与点火时间提前一样，会引起爆燃

25、；早火与点火时间提前一样，会引起爆燃；爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生早火；爆燃导致燃烧室温度水平提高，更容易产生早火；两者相互促进，形成严重粗暴燃烧，即激爆两者相互促进，形成严重粗暴燃烧，即激爆（p/5倍，倍，pmax 1.5倍倍 ）？问题：？问题：如何区分爆燃、表面点火与激爆？如何区分爆燃、表面点火与激爆？Luoyang Institute Of Science And Technologyp 防止表面点火的对策防止表面点火的对策 降低燃烧室温度水平（与防爆燃一样，降低燃烧室温度水平（与防爆燃一样，、点火角、点火角等）等） 燃烧室设计优化（合理冷却、避免尖角和突出部）燃烧室设计优化（

26、合理冷却、避免尖角和突出部） 选用低沸点汽油以减少重馏分（如芳烃）形成的积碳选用低沸点汽油以减少重馏分（如芳烃）形成的积碳 控制润滑油消耗（润滑油不完全燃烧易形成积碳）控制润滑油消耗（润滑油不完全燃烧易形成积碳） 采用汽油或润滑油添加剂以防止或消除积碳采用汽油或润滑油添加剂以防止或消除积碳 提高汽油中抗表火性好的成分，如异辛烷等。提高汽油中抗表火性好的成分，如异辛烷等。Luoyang Institute Of Science And Technology8.1.58.1.5运转因素对燃烧的影响运转因素对燃烧的影响 1.点火提前角 点火提前角点火提前角调整特性调整特性 当汽油机保持节气门开度、当

27、汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，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前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性火提前角调整特性 Luoyang Institute Of Science And Technology 图8.10 点火提前角不同时的 图 pLuoyang Institute Of Science And Technology2.混合气浓度 混合气浓度调整特性混合气浓度调整特性在汽油机的转速、节气门开在汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最度保持一定，点火提前角为最佳值时调节供油量，记录功

28、率佳值时调节供油量，记录功率、燃油消耗率、排气温度随过、燃油消耗率、排气温度随过量空气系数的变化曲线量空气系数的变化曲线 Luoyang Institute Of Science And Technology3.3.负荷负荷 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气缸的混合气量，以达到不同的负荷要求图图8.12 8.12 最佳点火提前角随负荷的变化最佳点火提前角随负荷的变化 Luoyang Institute Of Science And Technology4.4.转速转速 转速增加时，

29、应增大点火提前角转速增加时，应增大点火提前角 转速增加时，缸内湍流增加，火焰传播速率大体和转速成正比增加最高爆发压力、压力升高率随转速变化不大，转速升高由于散热损失减少，进气被加热，混合更均匀，从而有利于缩短滞燃期。另一方面由于残余废气系数增加又是滞燃期增加。综合考虑转速增加时，应增大点火提前角。Luoyang Institute Of Science And Technology8.28.2汽油机混合气制备原理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，

30、此时要求供给功率混合气，而在其他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 Luoyang Institute Of Science And Technology1)1)经济混合气及功率混合气特性线经济混合气及功率混合气特性线 Luoyang Institute Of Science And Technology理想混合气特性线理想混合气特性线 以图以图8.18.10 0曲线为基础，可做出经曲线为基础，可做出经济混合气随节气门开度变化的特济混合气随节气门开度变化的特性线

31、，如图性线，如图8.18.11 1实线。此外，在实线。此外，在图上图上100100节气门开度处取功率混节气门开度处取功率混合气值，再从合气值，再从8585开度起逐步由开度起逐步由过渡到。以虚线表示。实际上过渡到。以虚线表示。实际上, ,这这只是一种近似的结果。真正的理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想混合气特性是通过台架试验的全面调整做出来的全面调整做出来的 Luoyang Institute Of Science And Technology2)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。后续详细讲解。(1)(1)转速固定时，作出各个节气门位置的调

32、整特性线。图转速固定时，作出各个节气门位置的调整特性线。图8.18.12 2( (a)a)为其中的一例为其中的一例 ebLuoyang Institute Of Science And Technology (2)(2)将这些调整特性线转为图将这些调整特性线转为图8.18.12 2( (b)b)所示的负荷特性线。所示的负荷特性线。此线呈鱼钩状，其此线呈鱼钩状，其 及及 两个点分别与图两个点分别与图8.18.12 2( (a)a)的的 及及 对应对应。 emaxPeminbPabaLuoyang Institute Of Science And Technology(3)(3)将所有节气门位置的

33、鱼钩线统一画在图将所有节气门位置的鱼钩线统一画在图8.18.12 2( (c)c)的的 - - 坐标图上，然后取其外包络线，就是该转速的最经济坐标图上，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可能再低于此包络线 ebePLuoyang Institute Of Science And Technology (4)(4)若图若图8.18.12 2( (c)c)最经济负荷特性线从最经济负荷特性线从8585节气门开度到节气门开度到100100节气门开度时逐步过渡调整到功率混合气，则得到最大功

34、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。率值，这就得到理想负荷特性线。 Luoyang Institute Of Science And Technology3)3)理想混合气特性理想混合气特性 将上述试验作出的理想负荷特性线，按图将上述试验作出的理想负荷特性线，按图8.18.12 2的相反顺序作图，可的相反顺序作图，可得到对应的得到对应的 - - 线或线或 - -节气门开度线，这就是该转速的理想节气门开度线，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性线族

35、 aePaLuoyang Institute Of Science And Technology4 4）动态过程对混合气特性的要求）动态过程对混合气特性的要求 冷车起动冷车起动 暖车过程暖车过程加速加速 急减速急减速 Luoyang Institute Of Science And Technology8.3 8.3 汽油机混合气形成汽油机混合气形成8.3.1 8.3.1 对汽油机混合气形成的基本要求对汽油机混合气形成的基本要求 ：（1 1）形成均质混合气）形成均质混合气 （2 2）具有良好的响应特性）具有良好的响应特性 （3 3）适应不同工况的混合气浓度要求）适应不同工况的混合气浓度要求主要

36、的主要的“三种混合气浓度三种混合气浓度” 功率混合气：功率混合气： a=0.85a=0.850.950.95 经济混合气：经济混合气： a=1.1a=1.11.2 1.2 排放混合气排放混合气 ：a=1.0a=1.0 Luoyang Institute Of Science And Technology8.3.2 8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类汽油机燃油雾化方式分类化油器式化油器式 （1 1）化油器（）化油器（CarburetorCarburetor）（2 2）进气道喷射（）进气道喷射（PFIPFI，Port Fuel InjectionPort Fuel Injection）（3 3）缸

37、内直接喷射（）缸内直接喷射（GDIGDI，Gasoline Direct InjectionGasoline Direct Injection） 多点喷射多点喷射 缸内直喷缸内直喷 Luoyang Institute Of Science And Technology8.3.2 8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类汽油机燃油雾化方式分类缸内直喷（缸内直喷（GDIGDI） 进气道多点喷射（进气道多点喷射（PFIPFI） 以下主要介绍以下主要介绍PFIPFI汽油机雾化，汽油机雾化，Luoyang Institute Of Science And Technology8.3.4 PFI8.3.4 PF

38、I汽油机混合气形成汽油机混合气形成轴针型喷嘴：轴针型喷嘴：锥形喷雾，雾化效果好锥形喷雾，雾化效果好单孔型喷嘴：单孔型喷嘴：单束喷雾，油束锥角小单束喷雾，油束锥角小多孔喷嘴：多孔喷嘴：多束喷雾，雾化效果好多束喷雾，雾化效果好双喷雾型喷嘴：双喷雾型喷嘴：喷雾分成两束，在四气门发动机中将燃喷雾分成两束，在四气门发动机中将燃油分别喷入两个进气道中。油分别喷入两个进气道中。 采用电磁阀喷油器，喷采用电磁阀喷油器，喷油压力一般为中低压力油压力一般为中低压力（0.30.31.5MPa1.5MPa），），喷射方向喷射方向一般指向进气阀背中央。一般指向进气阀背中央。1 1、喷油器与喷油雾化、喷油器与喷油雾化Lu

39、oyang Institute Of Science And Technology 混合气形成过程包含喷雾、液滴的混合气形成过程包含喷雾、液滴的破碎破碎- -蒸发、油束碰壁、油膜的蒸发蒸发、油束碰壁、油膜的蒸发- -剥剥离离- -流动，以及混合气的湍流运动。流动，以及混合气的湍流运动。 以最具代表性的进气门关闭喷射（闭阀喷射）以最具代表性的进气门关闭喷射（闭阀喷射）为例，其混合气形成过程可分为两个阶段：为例，其混合气形成过程可分为两个阶段：p进气道中的喷油雾化蒸发进气道中的喷油雾化蒸发p缸内蒸发混合缸内蒸发混合 8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程Luo

40、yang Institute Of Science And Technologyp进气道中的喷油雾化蒸发进气道中的喷油雾化蒸发为延长蒸发混合时间，在进气门尚未开为延长蒸发混合时间，在进气门尚未开启时就进行汽油喷射，喷油启时就进行汽油喷射，喷油SMDSMD一般在一般在100100400m400m范围；范围；喷射的汽油，一部分在空间直接汽化，喷射的汽油，一部分在空间直接汽化，一部分冲击到进气道壁面和进气阀背面一部分冲击到进气道壁面和进气阀背面（温度（温度100100）形成油膜，油膜蒸发形）形成油膜，油膜蒸发形成汽油蒸汽；成汽油蒸汽；喷油结束至进气门开启时期中，进气阀喷油结束至进气门开启时期中，进气

41、阀附近存在大量高浓度汽油蒸汽和油滴。附近存在大量高浓度汽油蒸汽和油滴。 m mK K-燃油喷射质量；燃油喷射质量；m mD D-直接进入气缸的燃油质量；直接进入气缸的燃油质量；m mF F-为壁面油膜质量；为壁面油膜质量；m mV V由油膜蒸发的燃油质量由油膜蒸发的燃油质量8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程汽油进气道油膜蒸发示意图汽油进气道油膜蒸发示意图 Luoyang Institute Of Science And Technology8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程汽油机冷启动前汽油机冷启动前3 3个循

42、环中的燃油分布个循环中的燃油分布（Takeda等，1995年） 正常工作时的进气道壁面正常工作时的进气道壁面油膜质量尚未见具体数据；油膜质量尚未见具体数据；以右图所示的冷启动时测以右图所示的冷启动时测试结果可知，大部分燃油并试结果可知，大部分燃油并未在本循环内进入气缸（一未在本循环内进入气缸（一些资料认为，冷启动时只有些资料认为，冷启动时只有20%20%左右的燃油直接进入气左右的燃油直接进入气缸）。缸）。 Luoyang Institute Of Science And Technology进气过程进气过程 压缩过程压缩过程 进气门开启后，气门附近的浓混合气（油蒸汽、进气门开启后，气门附近的浓

43、混合气（油蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进入缸内，缸内小液滴、部分油膜）首先随进气流进入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀；混合气浓度分布极不均匀；随活塞下行和气门开启面积增大，进气流速加快，随活塞下行和气门开启面积增大，进气流速加快，使进气道内油膜蒸发速度加快；同时，缸内较强气使进气道内油膜蒸发速度加快；同时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进燃料进一步汽化，并与流运动和较低压力氛围促进燃料进一步汽化，并与空气混合；空气混合；8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程p缸内蒸发混合缸内蒸发混合进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升使缸内进气门关闭后，随

44、活塞上行，吸热和压力回升使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促进燃油的蒸发温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促进燃油的蒸发与混合；与混合；压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；在进气在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在少量挂壁油膜，阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起在压缩行程高温环境下蒸发加快引起。Luoyang Institute Of Science And Technology不同工况下喷油时刻不同工况下喷油时刻 发动机发动机MAPMAP中的喷射策略中的喷射策略 怠速和中小负荷工况

45、时，采怠速和中小负荷工况时，采用闭阀喷射（图中和），用闭阀喷射（图中和），这是混合最均匀的理想方式；这是混合最均匀的理想方式； 在较高转速和较高负荷时，在较高转速和较高负荷时，采用部分闭阀（开阀）喷射，采用部分闭阀（开阀）喷射，致使缸内混合气不均匀度增加，致使缸内混合气不均匀度增加，但有一定的冷却进气充量效果，但有一定的冷却进气充量效果，如图中；如图中； 高速大负荷时，喷油器几乎高速大负荷时，喷油器几乎一直打开，以满足大喷油量的一直打开，以满足大喷油量的需求。需求。8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程p缸内蒸发混合缸内蒸发混合Luoyang Instit

46、ute Of Science And Technology 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。 8.4 PFI汽油机的燃烧室示例Luoyang Institute Of Science And Technology8.4 PFI8.4 PFI汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室（a a）浴盆形（）浴盆形（Bathtub typeBathtub type）燃烧室）燃烧室 形状像椭圆形浴盆，在双侧或单侧（右图）设置挤气

47、面；形状像椭圆形浴盆，在双侧或单侧（右图）设置挤气面；Luoyang Institute Of Science And Technologyn常见汽油机燃烧室常见汽油机燃烧室 adad为最常用的燃烧室；为最常用的燃烧室； e e的的“L L型型”燃烧室是有代表燃烧室是有代表性的旧型燃烧室；性的旧型燃烧室； fhfh为有特色的燃烧室为有特色的燃烧室n汽油机为降低排放曾出现过数汽油机为降低排放曾出现过数十种燃烧室，但十种燃烧室，但TWCTWC普及后，绝普及后，绝大多数采用大多数采用d d的的4 4气门蓬型燃室气门蓬型燃室。 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、汽油机的燃烧室

48、设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。 8.4 PFI汽油机的燃烧室Luoyang Institute Of Science And Technology8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则1 1、 结构紧凑结构紧凑紧凑性评价指标：紧凑性评价指标：F/VF/V（表面积（表面积/ /容积）容积） F/VF/V越小越好越小越好: : 火焰传播距离短，避免爆燃，火焰传播距离短，避免爆燃， 可提高；可提高； 燃烧放热速率高，等容度提高，燃烧放热速率高，

49、等容度提高， i高；高； 淬熄效应小，淬熄效应小，HCHC排放低；排放低； 散热损失小散热损失小对比：对比： L L型燃室型燃室 6767 4 4气门蓬型燃室气门蓬型燃室 810810最不紧凑最不紧凑最紧凑最紧凑Luoyang Institute Of Science And Technology2 2、合理的几何形状、合理的几何形状 适宜的放热速率（如下图）适宜的放热速率（如下图） 廓线圆滑、避免尖凸部，以防止表面点火廓线圆滑、避免尖凸部，以防止表面点火 足够的进排气流通截面足够的进排气流通截面（如浴盆型与楔型的对比，气门直径，气道形状）（如浴盆型与楔型的对比，气门直径，气道形状）8.4.1

50、 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Luoyang Institute Of Science And Technology3 3、火花塞布置合理、火花塞布置合理 火花塞至末端混合气的距离最短火花塞至末端混合气的距离最短，爆燃可能性小（蓬型）；，爆燃可能性小（蓬型）； 靠近高温炽热区布置，爆燃可能靠近高温炽热区布置，爆燃可能性小（火球型）；性小（火球型）； 便于扫气，以清扫废气，有利于便于扫气，以清扫废气，有利于起动及低速低负荷的工作稳定起动及低速低负荷的工作稳定日本车用汽油中，普通汽油（日本车用汽油中，普通汽油（RON=90RON=90）占）占70%70%以上，但

51、汽油以上，但汽油机压缩比平均比我国高机压缩比平均比我国高1 12 2单单位。位。机械辛烷值提高机械辛烷值提高燃料辛烷值降低燃料辛烷值降低8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Luoyang Institute Of Science And Technology(4)(4)组织适当的气流运动组织适当的气流运动n气流运动方式：气流运动方式： 主要是主要是挤流挤流（如图剖面处，与淬熄层是一对矛盾）；（如图剖面处，与淬熄层是一对矛盾）； 其次是其次是进气涡流进气涡流（与柴油机不同，主要用于中低工况时）（与柴油机不同，主要用于中低工况时）挤流面挤流面8.4.1 8.

52、4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Luoyang Institute Of Science And Technologyn目的：目的：微观油气混合更均匀微观油气混合更均匀形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度减小壁面淬熄层厚度以降低减小壁面淬熄层厚度以降低HCHC排放排放扫除火花塞处的废气扫除火花塞处的废气注意注意：气流运动过强无必要，反而增加流动和散热损失，使着火困难。：气流运动过强无必要，反而增加流动和散热损失，使着火困难。(5) (5) 足够的进排气门流通截面足够的进排气门流通截面 以使提高以使提高v （提高功率），降低进气阻力

53、（降低油耗）（提高功率），降低进气阻力（降低油耗）8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Luoyang Institute Of Science And Technology8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析(1)(1)浴盆形浴盆形（Bathtub typeBathtub type）n 特点特点 形状像椭圆形浴盆，在双侧形状像椭圆形浴盆，在双侧 （上图（上图6-86-8）或单侧（右图）设置挤气面；）或单侧（右图）设置挤气面；n 性能性能： F/VF/V较大，火焰传播距离长，较大，火焰传播距离长， 7.5 7.5bebe较高，较高，p pm

54、eme不高，不高，NOxNOx排放低排放低工作柔和，制造工艺好。工作柔和，制造工艺好。n 应用机型应用机型： 曾在我国广泛应用，北内曾在我国广泛应用，北内492Q( 492Q( =7.2)=7.2)、6100Q( =6.75)6100Q( =6.75)、桑塔纳轿车、桑塔纳轿车JVJV型型汽油机，奥迪汽油机，奥迪100100轿车发动机等轿车发动机等Luoyang Institute Of Science And Technology(2)(2)楔型燃烧室楔型燃烧室（wedge typewedge type） n 特点特点 楔型空间与挤气面配合，可形楔型空间与挤气面配合，可形成较强气流运动和扫气，

55、气门倾斜布置成较强气流运动和扫气，气门倾斜布置，流动截面大，气道阻力小，流动截面大，气道阻力小n 性能：性能： F/VF/V较小，火焰传播距离较短，较小，火焰传播距离较短， 可达可达9.59.5，动力经济性较高，低速低负荷性能稳定动力经济性较高，低速低负荷性能稳定，dp/ddp/d较高，工作较粗暴，较高，工作较粗暴，HCHC排放高排放高。n 应用机型：应用机型：491(4Y)491(4Y)、489(GM2.0)489(GM2.0)、486(3Y)486(3Y)、CA-72CA-72轿车发动机轿车发动机8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析Luoyang Institute Of

56、Science And Technology（3 3）多球形（蓬型）燃烧室）多球形（蓬型）燃烧室n特点：特点：多球形多球形顶部呈半球形，进排气门和火花顶部呈半球形，进排气门和火花塞周围均分别呈球形；塞周围均分别呈球形；蓬型蓬型顶部由若干平面构成帐篷形顶部由若干平面构成帐篷形；4 4气门，火花塞中央布置，挤流较弱，可气门，火花塞中央布置，挤流较弱，可利用双进气道形成涡流。利用双进气道形成涡流。n性能性能： F/VF/V最小，火焰传播距离最短，最小，火焰传播距离最短，充气系数高，动力经济性好，高速适应性强充气系数高，动力经济性好，高速适应性强；但；但dp/ddp/d高，工作较粗暴。高，工作较粗暴。

57、n应用：应用： 目前已成为国际主流形式，目前已成为国际主流形式，其中蓬型又其中蓬型又居多居多（日产公司，压缩比（日产公司，压缩比1010，双顶置凸轮），双顶置凸轮）8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析Luoyang Institute Of Science And Technology典型汽油机燃烧室性能对比典型汽油机燃烧室性能对比特征特征浴盆型浴盆型楔形楔形多球形多球形火焰传播距离火焰传播距离长较长短面容比面容比大中小进排气门截面积进排气门截面积小中大挤流强度挤流强度较强强弱（但可利用涡流）充气系数充气系数低中高压缩比压缩比低低(6.57.5)较高（较高（810）最高（最高（

58、9 91111）Luoyang Institute Of Science And Technology典型汽油机燃烧室性能对比典型汽油机燃烧室性能对比特征特征浴盆型浴盆型楔形楔形多球形多球形热效率热效率低较好好dp/d及及pmax低较高高NOx低高高HC高高低制造工艺性制造工艺性好较差差（难）Luoyang Institute Of Science And Technology现代汽油机燃烧系统特征现代汽油机燃烧系统特征紧凑（蓬形）燃烧室紧凑（蓬形）燃烧室高压缩比（高压缩比（9 911 11 ）火花塞中心布置、高能点火火花塞中心布置、高能点火4 4气门与双顶置凸轮轴（气门与双顶置凸轮轴（DOH

59、CDOHC）可变气门定时和升程（可变气门定时和升程（VVT/LVVT/L）可变进气系统利用气体波动效应可变进气系统利用气体波动效应涡轮增压涡轮增压电控系统（多点顺序喷射、双氧传感电控系统（多点顺序喷射、双氧传感器、爆震传感器、）器、爆震传感器、）Luoyang Institute Of Science And Technology8.5.1 8.5.1 稀薄燃烧（稀薄燃烧（Lean BurnLean Burn）的基本概念）的基本概念化油器化油器a=0.81.2PFI（排放为目标）（排放为目标）a=1.00.81.2非直喷稀燃非直喷稀燃a = 0.81.7稀燃稀燃GDIa=0.84.0稀燃定义：

60、稀燃定义： aa1.01.0的燃烧的燃烧Luoyang Institute Of Science And Technology8.5.2 8.5.2 非直喷稀燃汽油机非直喷稀燃汽油机1 1、均质稀燃、均质稀燃通过提高湍流强度、采用高能点火、通过提高湍流强度、采用高能点火、优化燃烧室设计方法，优化燃烧室设计方法，PFIPFI（化油器）（化油器）汽油机可以稀燃，使油耗降低；汽油机可以稀燃，使油耗降低；稀燃程度有限，在稀燃程度有限，在a1.4a1.4稳定工稳定工作；作；但随混合气变稀，点火困难，循环但随混合气变稀，点火困难，循环波动增大，火焰传播速度降低，油波动增大，火焰传播速度降低，油耗反而上升。