汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第七章

第一节化油器的工作原理

第二节汽油机的燃烧过程

第三节汽油机的燃烧室

第四节工程应用实例(文摘)第七章汽油机混合气的形成与燃烧第一节化油器的工作原理一、可燃混合气的成分1kg汽油在理论上完全燃烧约需15kg空气，此时过量空气系数α为１，但在发动机中，因混合气不能达到理想的均匀，要使1kg汽油完全燃烧必须要有17～18kg空气，此时过量空气系数α为1.13-1.2，多余的空气增加了燃料完全燃烧的程度，使发动机的经济性提高，但使混合气的含热量降低并减慢了燃烧速度，也降低了发动机的功率。为使发动机得到最大功率，必须增加混合气中汽油的含量，当过量空气系数α为0.867时，燃烧速度最大，可此时发动机的经济性差。所以，混合气的成分影响发动机的动力性和经济性，应按照发动机的不同工况来确定所用的成分。图７-１化油器式内燃机燃油供应系统示意图

１—主量孔２—浮子室３—燃油喷管４—喉管５—节气门二、简单化油器特性与理想化油器特性１.简单化油器特性图７-2简单化油器

１—节气门２—主量孔３—浮子室４—进油阀门

５—浮子６—浮子室通气孔７—喉管８—主喷口图7-３简单化油器特性２.理想化油器特性图7-４理想化油器的特性

１—最大功率２—最低油耗率３—理想化油器特性2.满负荷加浓

主供油系校正的结果，使化油器可以在部分负荷情况符合要求，但当发动机在全负荷运行时，需要另外设置功率加浓系统，提供浓的功率混合气，以获取最大功率。满负荷加浓装置的作用是在汽油机处于大负荷或全负荷工作时，使化油器额外供给一部分汽油，获得α＝0.8～0.9浓度的混合气，保证汽油机发出最大功率。这种将主供油系统与加浓系统分开，必要时予以加浓的做法，相对说来，起到了确保部分负荷时省油的作用，故加浓系统又称为省油系。图7-7化油器的两种省油器

ａ)机械省油器ｂ)真空省油器

１—进气管２—喉口３—节气门４—节气门操纵杆５—主量孔

６—省油器阀门弹簧７—省油器阀门８—省油器量孔９—浮子室１０—杆

１１—操纵杆１２—气道１３—真空室１４—活塞１５—活塞杆弹簧３.怠速加浓图7-9怠速油系

１—怠速喷口２、3—量孔４—调节螺钉５—过渡喷口４.加速装置加速装置的作用是在节气门急剧开大时，利用加速泵额外地供给一部分汽油，短期内将混合气加浓，以适应汽油机加速的需要。当节气门缓开时，加速泵下的燃油经进油阀返回浮子室，不起加浓作用。图７-１０是常用机械加速装置的工作原理。图7-10加速装置的工作原理

１—摇臂２—活塞３—活塞杆４—弹簧

５—出油阀6—气道７—加速量孔８—联结板

９—拉杆１０—联杆１１—单向进油阀５.起动装置图7-11起动装置示意图

１—阻风门２—自动阀３—弹簧４—节气门一、正常燃烧过程：汽油机正常燃烧过程是由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。第二节汽油机的燃烧过程(一)正常燃烧过程进行情况将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明显燃烧期和补燃期。1、着火落后期

从火花塞点火到火焰核心形成的阶段。

为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。2、明显燃烧期指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也可称为火焰传播阶段。在示功图上指气缸压力线脱离压缩线开始急剧上升（图中2点）到压力达到最高点(图中3点)止。

燃烧的主要时期。明显燃烧期的火焰传播

在均值混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。

补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继续燃烧。

为了保证高的循环热效率和循环功，应使补燃期尽可能短。

3、补燃期

从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。

（二）燃烧速度(率)火焰传播方式可分为层流火焰传播和湍流火焰传播。1.层流火焰燃烧速率

层流火焰图6-2层流火焰与火层流火焰前锋面形状的关系

层流火焰传播速度远远不能满足实际发动机燃烧的要求。实际发动机中的火焰传播是以湍流火焰方式进行的。层流火焰燃烧速率燃烧速度(率)是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为未燃混合气密度火焰前锋面积火焰传播速度

2.湍流火焰燃烧速率

湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的脉动运动。这些由气体质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。这种湍流运动使火焰前锋表面出现皱折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加。湍流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加快。湍流强烈湍流较弱湍流火焰湍流火焰燃烧速率未燃混合气密度火焰前锋面积火焰传播速度提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。二、汽油机的不规则燃烧汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下，循环变动和各缸工作不均匀。

（一）循环变动指发动机以某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同

。这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。产生这种现象的主要原因是：

1）混合气成分波动；

2）气体运动状态波动。下列因素或措施影响或改善循环波动:：（1）过量空气系数Φα=0.8-0.9时循环波动最小，过浓或过稀都会使循环波动加剧。（2）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。（3）残余废气系数过大，则循环波动加剧。（4）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加剧。（5）多点点火有利于减少循环波动。（6）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。

（二）各缸之间的燃烧差异各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。

各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。

影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。三、不正常燃烧汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油机偏离正常点火时间及地点，由此引起的燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火。1、爆燃的外部特征

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。（一）爆燃（爆震燃烧

）a)正常燃烧b)爆燃2、爆燃产生的原因

末端混合气自燃

正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。

爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。在较大面积上多点着火，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)，产生爆燃。（1）机件过载（2）活塞、气缸和活塞环磨损加剧；（3）动力性和经济性恶化；（4）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加。3、爆燃的危害

4、影响爆燃的因素

（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。（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。（二）表面点火与早燃

1表面点火在汽油机中，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。表面点火时刻是不可控制。炽热表面

2．早燃指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。

早燃使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。图6–7汽油机早燃示功图早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。各种燃烧示功图的比较

图6–8几种非正常燃烧过程的–图四、使用因素对燃烧过程的影响1、

点火提前角对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。图6–9点火提前特性点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降。点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。图6–10点火提前角不同时p-φ的图影响最佳点火提前角的因素较多(如大气压力、温度、湿度、缸体温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、排气再循环等).

传统的真空和离心调节装置只能随转速、负荷的变化对点火提前角作近似控制。传统的点火控制装置只考虑了影响最佳点火提前角的两个因素.

在Φa=0.8~0.9时，Pe达最高值，且爆燃倾向最大。在Φa=1.03~1.1时，be最低。当Φa＜0.8及Φa＞1.2时，经济性差，HO排放量增多且工作不稳定。2、混合气浓度3、负荷

随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。4、

发动机转速

转速增加时，应当相应加大点火提前角1、总体目标

(1)经济性好；

(2)排放性能好；

(3)动力性满足需要；

(4)不出现不正常燃烧。2、技术要求

(1)结构紧凑，面容比小；

(2)充气效率高；

(3)组织适当气流运动；

(4)火焰传播距离短。第三节汽油机的燃烧室一、对燃烧室的要求3、考虑因素

(1)结构紧凑，面容比小有利之处：传热损失小；不易爆震；压缩比高；HC排放少。

A、压缩比

B、燃烧室型式

C、火花塞位置面容比对HC排放的影响如下图。3、考虑因素

(2)充气效率高有利之处：燃烧完全，经济性好；升功率大；排放性能好。

A、气门数量、大小与布置

B、进、排气道结构与布置

C、冷却系统

D、组织气流运动3、考虑因素

(3)组织气流运动有利之处：火焰传播快，着火界限宽，燃烧完全，经济性好；升功率大；排放性能好。不利之处：气流过强使热损失增加，着火初期可能吹熄火焰

A、气门数量、大小与布置

B、进、排气道结构与布置汽油机气流运动如下内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流紊流进气过程中形成绕气缸轴线的气流运动压缩过程后期形成的径向或横向气流运动进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线气流运动气缸内形成的无规则的气流运动进气涡流产生办法a.导气屏b.切向气道c.螺旋气道挤流与逆挤流缩口型燃烧室滚流和紊流3、考虑因素

(4)火焰传播距离短有利之处：火焰传播快，着火界限宽，压缩比大，经济性好；升功率大。不利之处：排放性能降低。

A、气门数量、大小与布置

B、进、排气道结构与布置

C、火花塞位置

D、燃烧室结构

E、着火延迟不同火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同，反映火花塞位置对爆震的影响。1.楔型燃烧室

楔形燃烧室侧剖面为楔型.

结构较紧凑，火焰传播距离较短；燃烧室气门直径较大，充气性能较好；楔形燃烧室的火花塞布置在楔形高处，对着进、排气门之间，有利于新鲜混合气扫除火花塞附近的废气；混合气过分集中在火花塞处，使得初期燃烧速度大，工作粗暴，NOx排出量较高。由于挤气面积内的熄火现象，废气中HC的含量亦较多。

图6–61楔形燃烧室二、常用典型燃烧室2.

浴盆型燃烧室浴盆形燃烧室的特点是：有一定的挤气面积，但挤流效果差；火焰传播距离较长，燃烧速度较低，燃烧时间长，经济性、动力性不高，HC排量多。但NOx的排量较少，工艺性好。图6–62汽车发动机的浴盆形燃烧室3.半球型燃烧室半球形燃烧窒结构紧凑，火焰传播距离也是最短的。气门直径较大，气道转弯较小，充气效率高，且对转速变化不敏感。有较好的动力性和经济性，HC排放量低。缺点是由于火花塞附近有较大容积，使燃烧速率大，压力升高率大，工作粗暴。NOx排放较多。图6–63半球形燃烧窒第四节工程应用实例(文摘)一、浴盆形燃烧室的概况与分析表7-１表7-2燃烧过程主要参数图7-２7原气缸盖在最大转矩时示功图

(ｎ＝１６００ｒ／ｍｉｎ)一)、选择合适的压缩比二)、合理设计燃烧室三)、正确选用燃料四)、保持发动机正常的工作温度五)、精确控制混合气的形成（图3-2