第八章 汽油机的混合气形成与燃烧过程

1、第八章 SI-ICE的混合气 形成与燃烧过程,掌握SI-ICE的燃烧过程以及特性,掌握SI-ICE的不正常燃烧现象、特征、分类及控制措施,掌握SI-ICE的不规则燃烧现象、特征、分类及控制措施,了解燃料调整特性和理想混合气特性的制备,了解PFI的燃料喷射和混合气形成过程及控制策略,掌握SI-ICE典型燃烧室的性能,了解SI-ICE的稀燃技术,一、SI-ICE的燃烧过程,缸压线,SI-ICE的燃烧过程分期：着火落后期、明显燃烧期和后燃期,着火落后期,定义,从火花塞跳火到缸压线脱离压缩线经历的时间或曲轴转角。,要求,循环间一致性要好（低循环波动）；,着火落后期尽量短（过长稳定性差， 最大爆发压力偏

2、移大）。,用 或 表示; CA,明显燃烧期,定义,从着火落后期终点到最高压力出现经历的时间或曲轴转角。,要求,受机械和热负荷限制 MPa；,压力升高率 MPa/( CA)；,明显燃烧期内放热量达到90%以上。,出现在TDC之后10 15 CA。,TDC,靠近TDC,远离TDC,大、 等容度高且传热损失小,小、 等容度低且传热损失大,后燃期,从最高压力到放热率达到90%经历的时间或曲轴转角。,后燃期尽量短，降低后燃损失。,当最大爆发压力出现在10 15 CAATDC性能最佳,二、SI-ICE的放热规律控制,放热始点控制,用点火提前角控制放热始点,转速一定时,油门开度一定时,早期的化油器ICE采用

3、离心提前和真空提前。,现代EFI内燃机用点火提前角MAP控制提前角。,放热曲线形状控制,缩短着火落后期，速燃期不太急，加快缓燃期， 缩短后燃期,三、SI-ICE与CI-ICE燃烧特性比较,示压图,CI-ICE具有更高的压缩和燃烧压力,压力升高率,CI-ICE压力升高率大，振动噪声高,放热速率,CI-ICE放热率曲线形状先急后缓；,曲轴转角/ CA,SI-ICE为“单峰”，CI-ICE为“双峰”,SI-ICE放热率曲线形状先缓后急；,负荷变化对燃烧持续期的影响,EQ491SI-ICE,随着负荷的增大，SI-ICE燃烧持续期缩短,随着负荷的增大，CI-ICE喷油量增大，燃烧持续期加长,SI-ICE

4、异常燃烧,（一）爆燃（爆震燃烧，knocking，detonation）,特征,示功图压力波动严重；,正常燃烧,轻微爆燃,严重爆燃,不正常燃烧,不规则燃烧,爆燃、表面点火,循环波动、各缸工作不均匀,一、不正常燃烧,发动机：EQ491 压缩比：9.0 汽油：90(RON),SI-ICE爆燃实例,2000r/min BMEP=0.9MPa,SI-ICE爆燃的压力升高率 峰值，远远高于CI-ICE,3000 7000Hz的高频金属震音；,轻微爆震，性能提高；严重爆震，性能下降,幅值很大的压力波冲击缸壁,冷却系过热,燃烧速度快，温度高；,压力波击破油膜，加速传热；,冒烟,严重爆震，油膜燃烧，排气冒烟,

5、机器损坏,严重爆震，活塞烧顶、断环、拉缸,爆燃的机理,火花塞点火,满足着火条件,m/s,爆燃的危害,1、热负荷大、散热损失大,燃烧速度快，温度高；,压力波击破油膜，加速传热；,2、机械负荷大,过高的压力升高率，机械摩擦损失大,3、性能下降,4、磨损加剧,油膜波坏，润滑不良；,机械负荷过大；,5、排放异常,烧机油，冒烟，积碳严重,影响因素和控制措施,火焰传播时间,自燃着火时间,火花塞中置缩短火焰传播距离,控制措施,降低压缩比增大自燃着火时间,紧凑燃烧室结构减小火焰传播时间,推迟点火降低最大爆发压力，减小压力波峰值,稀薄燃烧增大低温多阶段着火的着火落后期,提高湍流强度减小火焰传播时间,采用高辛烷值

6、的燃料,采用可变压缩比VCR（Variable Compression Ratio）技术,SI-ICE高速大负荷工况，燃烧室内温度、压力高， 容易产生爆燃，低速小负荷工况，不易爆燃，可 用高压缩比。,不变压缩比,高速、大负荷,中速、中负荷,低速、小负荷,（二）表面点火（Surface Ignition）,燃烧室内炽热表面点燃混合气形成的着火。,燃烧室内炽热表面：排气门头部、火花塞裙部、 燃烧室内部突起、积碳（deposit）等。,分类,早火（早燃，Pre-ignition）：着火在火花塞点火之前,后火（后燃，After-ignition）：着火在火花塞点火之后,后火可提高燃烧速度，得到高等容度

7、，但ICE温度高， 增大爆燃倾向，且会形成“续走”（Running-on）。,为什么有的SI-ICE无法停机，且会出现高速反转现象？,燃料添加催化剂，会降低积碳的着火温度,特征,着火早，且多位置着火压力升高率大，对活塞连杆形成冲击， 形成600 1200Hz低频震音。,ICE过热,燃烧速度快，发热速率高，温度高，传热量大。,性能下降,传热量大，压缩行程功高，使循环效率低；机械负荷大， 机械效率低。,危害,激爆（爆燃性表面点火）,早火,表面点火控制措施,防止高温降低压缩比、推迟点火、冷却火花塞和气门,合理设计燃烧室形状减少突起、合理布置水套,防止积碳控制机油消耗、采用清积碳添加剂,采用高辛烷值燃

8、料,（一）循环波动,不规则燃烧使SI-ICE转速稳定性差,ICE各工作循环一致性程度。,现象,工作循环间示功图差异大；,内燃机转速、转矩波动大。,CI-ICE转速波动： 2r/min,SI-ICE转速波动： 10r/min,波动2.53.5MPa,波动达到2倍,二、不规则燃烧,评价指标,循环波动率：,标准偏差,表达循环波动率的其它参数：,、 、 、,危害,性能不佳点火提前角不是最优值；,HC高排放点火提前角不是最优值。,振动噪声大；,n=1200r/min,TPS=7.8%,Relative Indicated Mean Effective Pressure,Throttle Position

9、 Sensor,原因,火花塞附近混合气成分不一致；,增大1个%点， IMEP下降1.5%,进气动态效应使循环充量不一致；,活塞平均速度不一致，使湍流强度分布不一致。,n=1500r/min,=MBT,IMEP=314kPa,MBT: Maximum Brake Torque,电极处,影响因素及控制措施,优化进气系统优化匹配进气管长度。,混合气浓度影响大,时， 最小,提高点火能量、采用多火花塞点火；,大， 高,加强对火花塞的扫气；,优化燃烧室结构；,湍流强度高， 低,小负荷、低转速， 高；,（大众Touran，2.0L 汽油机，n=2000r/min）,BMEP=0.19MPa,BMEP=0.8

10、8MPa,（491汽油机实例）,n=3000r/min Ttq=53.2N m MAP=56kPa =14.5 50个循环,MAP: Manifold Absolute Pressure,（二）各缸工作不均匀性,现象,各缸之间示功图差异大。,原因,各缸充量不一致进气动态效应；,各缸成分不一致EGR使各缸废气量有差异；,评价,各缸工作不均匀度：,整机工作不均匀度：,可表达不同参数的不均匀度，如 、 等。,（四）控制措施,优化进气系统；,精确控制EGR最好分缸控制。,注意：EFI相对于化油器气液两相的影响很小，没有提及！,一、对汽油机混合气形成的基本要求,形成均质混合气,具有良好的响应特性,适应不

11、同工况的混合气浓度要求,降低循环波动,良好的工况变化跟随性,二、理想混合气制备,当ICE的油门和转速均不变时，性能指标和特性参数随 混合气浓度的变化规律。,燃料调整特性,功率混合气：燃料调整特性中有效 功率最大值对应的混合气浓度。,经济混合气：燃料调整特性中最低 有效燃油消耗率对应的混合气浓度。,排气混合气：使TWC具有高转化率 的混合气浓度。,负荷降低，SI-ICE的功率 混合气和经济混合气浓度 均增大，小于40%负荷后， 经济混合气浓度小于1.0。,理想混合气特性,理想混合气制备原则,全负荷时用功率混合气，其它负荷用经济混合气。以此 构建的负荷特性称为理想负荷特性。,理想混合气特性制取,制

12、作燃料调整特性,n=c,从85%油门开度的 经济线逐步过渡到 100%油门开度的 功率混合气点，构 成了理想负荷特性。,由理想负荷特性线 的（ ， ）回推， 在燃料调整特性上 得到（ ， ）， 构成了理想混合气 全特性。,由此可得到基于性能的 混合气浓度基础MAP。 实际ICE运行中需考虑 排放问题。,三、SI-ICE汽油雾化方式分类,化油器：Carburetor,单点喷射TBI：Throttle Body Injection,多点喷射MPI：Multipoint Injection,（PFI：Port Fuel Injection）,缸内直喷GDI：Gasoline Direct Injec

13、tion（稀燃，Lean Burn）,缸内分层直喷GSI：Gasoline Stratified Injection（化学计量比）,MPI,GDI,四、进气道喷射PFI及混合气形成,喷油器和喷油雾化,采用电磁阀喷油器；,喷油压力一般为中低压力（0.31.5MPa）；,喷射方向一般指向进气门背中央。,轴针喷油器,单孔喷油器,多孔喷油器,双喷束喷油器,轴针型喷嘴：锥形喷雾，雾化效果好；,单孔型喷嘴：单束喷雾，油束锥角小；,多孔喷嘴：多束喷雾，雾化效果好；,双喷雾型喷嘴：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。,混合气的形成过程,喷雾,进气道中的喷油雾化蒸发,燃油喷射速率,进入气

14、缸的燃油速率,壁面油膜质量,燃油蒸发速率,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 SMD一般在100400 m范围；,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门背面 （温度100）形成油膜，油膜蒸发形成汽油蒸汽；,喷油结束至进气门开启时期中，进气门附近存在大量 高浓度汽油蒸汽和油滴；,正常工作时的进气道壁面油膜形成过程值得探索；,冷起动大部分燃油并未在本循环内进入气缸。,冷起动燃油分布,缸内蒸发混合,进气门开启后，气门附近的 浓混合气（油蒸汽、小液滴、 部分油膜）首先随进气流进入 缸内，缸内混合气浓度分布极 不均匀；,随活塞下行和气门开启面积 增

15、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；,进气过程,排气过程,进气门关闭后，随活塞上行，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与混合；,压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀，在进气门附 近混合气稍偏浓，这是由于气门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。,怠速和中小负荷工况时，采用闭气门喷射，形成最均匀的混合气；,在较高转速和较高负荷时，采用部分闭气门喷射，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，,高速大负荷时，喷油器几乎一直打开，以满足大喷

16、油量的需求。,曲轴转角/CA,工况A：怠速 800r/min,工况B：n=2000r/min pme=2105Pa,工况C：n=6500r/min pme=8.6105Pa,喷油时刻,喷油控制策略MAP,开阀喷射,闭阀喷射,部分闭阀喷射,近似全阀喷射,一、 SI-ICE燃烧室设计的基本准则,结构紧凑面容比F/V合理,几何形状合理,降低爆燃倾向，得到高压缩比；,易爆燃火焰传播距离长,HC高排放散热面积大，壁面激冷严重,NOx高排放燃烧速度过快。,不易爆燃火焰传播距离短,壁面尽量光滑降低表面点火。,火花塞合理布置,最小的火焰传播距离降低爆燃；,靠近排气门 降低表面点火；,足够的气体流动清理火花塞废

17、气，点火可靠。,组织合理的气体流动,IF过强，散热快，着火困难。,足够的进排气门流通面积,增大 ，降低 ，ICE实现高速。,浴盆形,楔形,半球形,蓬形,L形,盘形,桶形,火球形,二、典型燃烧室及其性能对比,浴盆形燃烧室（Bathtub Type）,结构特点,浴盆形状，有单侧或双侧挤流面，F/V大，气门顶置。,浴盆形燃烧室,工作柔和F/V大；,优点,NOx排放低燃烧温度低；,工艺性好易加工。,缺点,压缩比低（7.5）易爆燃；,HC排放高F/V大。,进气阻力相对较大垂直气门布置。,应用机型,北内492Q( =7.2)、6100Q( =6.75)、桑塔纳轿车JV型 汽油机，奥迪100轿车发动机等,楔

18、形燃烧室（Wedge Type）,结构特点,楔形结构，火花塞置于楔形顶端，气门斜置。,性能良好气道阻力小，压缩比较高（9.5）；,优点,缺点,噪音大，NOx排放高燃烧速度快；,低速小负荷工作稳定性好气流强度较高。,HC排放高F/V大；,工艺性不如浴盆形燃烧室。,应用机型,491(4Y)、489(GM2.0)、486(3Y)、CA-72轿车发动机,半球形燃烧室 （Semi-spherical Type）,结构特点,形似半球，火花塞偏置，气门斜置。,F/V小压缩比高，性能好；,优点,HC排放少；,气道阻力小性能良好；,工艺性好。,缺点,噪音大,NOx排放高,应用机型,现代多数DOHC两气门轿车IC

19、E多为该类型的燃烧室,蓬形（多球）燃烧室 （Pent-roof Type）,结构特点,多球面结构，火花塞中置，气门斜置，用于多气门内燃机。,压缩比高，性能好 F/V小、火花塞中置,优点,HC排放少；,气道阻力小性能良好；,缺点,噪音大，NOx排放高燃烧速度快；,工艺复杂。,应用机型,现代多数多气门轿车ICE多为该类型的燃烧室,SI-ICE各种燃烧室比较,现代SI-ICE燃烧系统特征,紧凑（蓬形）燃烧室,高压缩比（911 ）,火花塞中心布置、高能点火,4气门与双顶置凸轮轴（DOHC）,可变气门定时和升程（VVT/L）,可变进气系统利用气体波动效应,涡轮增压,电控系统（多点顺序喷射、双氧传感器、爆

20、震传感器、）,一、SI-ICE稀薄燃烧及特点,稀燃SI-ICE分类,传统SI-ICE存在的问题：,压缩比小，壁面冷激效应大，HC排放高；,均质稀燃,分层稀燃,GDI,燃烧温度高，NOx排放高。,由于采用量调节，存在较大的泵气损失，使热效率降低；,由于爆震而不能采用高压缩比，使热效率降低；,浓混合气的比热容比较低，使热效率降低。,混合气浓，CO排放高；,SI-ICE的发展历程,二、非直喷汽油机的稀薄方式,均质稀燃,通过提高湍流强度、采用高能点火、优化 燃烧室设计方法，PFI（化油器）汽油机可 以稀燃，使油耗降低；,稀燃程度有限，在a1.4稳定工作；,随混合气变稀，点火困难，循环波动增大，火焰传播

21、速度 降低，油耗反而上升。,分层稀燃,利用对进气和喷油的控制，实现气缸内混合气浓度梯度分布,分割室式燃烧室（本田的CVCC，Compound Vortex Controlled Combustion）,导气屏气门轴向分层稀燃,空燃比达到22， 最大节油率12%,纵向分层稀燃,三菱公司MVV系统 空燃比达2325， 最大节油率13%,三、分层稀燃缸内直喷汽油机,1996年: 三菱公司推出世界上第一款 商品GDI发动机，稀燃界限超过A/F=40， 节油20%30%。,同年丰田公司、次年日产公司，也推出了 商品化GDI发动机,经过几十年的开发，GDI汽油机开始了商品化的里程。,GDI技术的优点,实现

22、分层稀燃，使压缩比提高至1214；,负荷采用质调节，取消节气门，进气系统阻力小，容积 效率高，可大幅度提高循环效率，经济性提高15%20%；,汽油直接喷入缸内，即使在低温下也具有良好的加速响 应性和优异的瞬态驱动特性；,可采用高的EGR率，有利于NOx排放的控制。,GDI汽油机的喷雾特性,喷油压力420MPa,SMD=1030m,喷油器,旋流喷油器,孔式喷油器,外开式喷油器,GDI喷油器直接与高温燃气接触，压力不高，清洁是大问题,导流板,回位弹簧,密封圈,导流板涡流式喷油器,燃料,导流板,燃料流向,针阀,导流板作用,燃料流向,阀座锥角： 30、45、60,阀体槽角度： 30、45、60,螺旋槽涡流式喷油器,燃料的旋转照片,GDI汽油机的混合气形成,喷雾引导（Spray-guided）,壁面引导（Wall-guided）,气流引导（Air-guided）,喷雾引导,特殊设计喷油器,目标：如何在火花塞周围形成可燃混合气？,壁面引导,活塞结构与 射束配合,气流引导,缸内气流与 射束配合,ECU,燃料,EGR,典型的GDI汽油机,GDI汽油机混合气控制策略,GDI的基本喷油模式：,T