第四章 汽油机混合气形成讲义

1、第四章 汽油机混合气的形成与燃烧 1、汽油机燃烧过程的特点： 混合气均匀，在气缸外部形成混合气预混合时间长 火花塞放电点火，可控制点火时间、地点、能量； 传播式燃烧，燃烧速度和放热速率取决于火焰传播速度。,2、火焰传播速度UT单位时间内火焰前锋面相对未燃混合气向前推动的距离。用UT表示m/s。 3、燃烧速度Um：单位时间燃烧的混合气质量。 燃烧速度用Um表示kg/s. Um= dm/dt=TUTAT kg/s. 式中 T 未燃混合气密度； UT火焰传播速度； AT火焰前锋面积。,一、汽油机正常燃烧： （一）汽油机正常燃烧过程： 燃烧过程分为三个阶段： （）着火延迟期； （）明显燃烧期； （）后

2、燃期。,4-1 汽油机燃烧过程,点火提前角：是指从火花塞跳火到上 止点间的曲轴转角。可用其表示点火时 刻。,（）着火延迟期（1-2点）： 从火花塞跳火压力偏离压缩线的时间或曲轴转角。 作用：点燃混合气形成火焰核心； 特点：燃烧量小，压力升高不明显。 火花塞放电特性 ： 两极电压达1015Kv； 击穿电极间隙的混合气，造成电极间电流通过； 电火花能量多在4080mJ； 局部温度可达3000K，使电极附近的混合气立即 点燃； 形成火焰中心，火焰向四周传播； 气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。,影响i长短的因素： 燃料，辛烷值 i ； 缸内(p+T) i ； 混合气浓度（=0.80.9 时，i最短）；

3、 残余废气系数 i 点火能量i。 希望：尽量缩短 并保持稳定。 i ,（）明显燃烧期（2-3点）：从火焰核心形成火焰传播到整个燃烧室。 作用：把大量燃料的化学能迅速转变为热能； 特点：是汽油机燃烧的主要时期，热量利用率高。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好。,用平均压力升高率表示气缸内压力上升的急剧程度。平均压力升高率 pkPaCA ： 式中 第二阶段终点3和起点2的压力； 第3和2相对上止点的曲轴转角。 一般明显燃烧期约占20CA 40 CA曲轴转角，燃烧最高压力Pmax出现在上止点后12CA15CA曲轴转角， p=175250kpa/ CA为 宜。p 值过高，工作粗暴，

4、对排污(NOx)亦不利。,（）后燃期（3点以后）， 从压力最高点到燃料燃烧90%以上的时间或 曲轴转角。,作用 火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧； 贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧； 高温分解的燃烧产物（H2、CO等）重新 氧化。 特点：燃烧速度慢，远离上止点，热量利用率低。 希望：尽量减少后燃期。 唯一地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。,（二）影响燃烧速度的因素,燃烧速度Um： 单位时间燃烧的混合气质量。 Um= dm/dt=TUTAT kg/s. 式中 T 未燃混合气密度； UT火焰传播速度； AT火焰前锋面积。 控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及

5、其相对曲轴转角的位置。 1. 火焰传播速度UT 火焰传播速度是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的UT一般可高达5080m/s。在50008000rpm，燃烧时间仅0.0010.002s。 影响UT 的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动 混合气成分混合气初始温度。,紊流运动：紊流运动是由一定运动方向的涡流和无规则的气体脉动所组成。涡流运动可使火焰前锋表面扭曲，甚至分隔成许多火焰中心，使火焰前锋燃烧区加厚，如图所示，火焰传播速度加快。 紊流较弱 紊流强烈,混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同，如图所示为实验所得火焰传播速度与过量空气系数的关系。 当=0.850.95时，火焰传播速度最大，

6、燃烧速度最快，功率也最大，称为功率混合比。 当=1.031.1时，火焰传播速度较大，氧气又充足，燃烧完全，称为经济混合比。,火焰传播下限： 1.31.4时，火焰传播速度降低，甚至不能传播。 火焰传播上限： 0.40.5时，混合气过浓，也使火焰不能传播。 为了保证可靠的工作，汽油机的在0.61.2范围，即空燃比 A/F=9-18。 混合气初始温度Ta: TaUT。 注意，混合气火焰传播界限并非常数，它是随条件 而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流 强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多， 界限就变窄。,2火焰前锋面积AT 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合， 可以改变不同时

7、期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧 速度。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置 及燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。,3.可燃混合气密度T 增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。,（三）、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，1.各循环之间的燃烧差异; 2.各缸之间的燃烧差异。 1、 循环变动:工况一定各个循环的示功不同。,原因：火花塞附近混合气的混合比； 气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。 危害： 使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be

8、 ，Pe，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。 影响的因素： 当=0.80.9时循环燃烧变动最小； 在中等负荷以上变动较小； 加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变 动减小； 加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善； 点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。,2、各缸间燃烧差异原因：主要是由于分配不均 匀造成的. 危害：整个汽油机be ，Pe排放性能恶化。,影响因素： 分配不均匀: 在进气管内存在着空气、燃料蒸气、 各种比例的混合气、大小不一的雾化油粒以及沉积 在进气管壁上厚薄不同的油膜，要想让它们均匀分 配到各个气缸是很困难的。 进气歧管的差别:各缸间进气重叠引起的干涉等现 象，导

9、致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状 态等不能完全一致。 的影响:各缸混合气成分不同，使得各 缸不可能 在最佳调整状况下工作，即各缸不可能都处于经济 混合气或功率混合气浓度。 进气管的设计 :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,（四）燃烧室壁面的熄火作用： 在火焰传播过程中，即紧靠壁面附近的火焰是不能传播的。 （1）原因：由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层混合气冷却所造成。 （2）影响因素是： 当=1左右，熄火厚度最小，混合气加浓或减稀，此厚度均增加； 负荷减小时，熄火厚度显著增加； 燃烧室内(p+T)

10、紊流，熄火厚度。 （3）危害：存在大量未燃烧的烃，排气中HC。 （4）解决措施：尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 F/Vc，以降低汽油机的 HC排出量。,二、不正常燃烧 不正常燃烧可分 （一）爆燃; （二）表面点火。 （一）爆燃：处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应产生了自燃。压力冲击波反复撞击缸壁。气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。,（1）影响因素是： 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、温度、压缩比和缸盖、活塞的材料。 末端混合气的(压力+温度) 气缸内(压力+温度) 爆燃倾向； 气缸盖、活

11、塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.40.7单位。 3）火焰前锋传播到末端混合气的时间:体高火焰传播速度、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，这有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，故没有很大缸径的汽油机。,（2）危害 严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜，使传热增 加，气缸盖和活塞顶温度升高，冷却系过热，功率减 少，耗油率增加， 甚至造成活塞、气门烧坏，轴瓦破裂，火花塞绝缘 体破裂，润滑油氧化成胶质，活塞环粘在槽内。轻微 敲缸时，发动机功率上升，油耗下降；严重时，可产 生冷却水过热，功率下降

12、，耗油率上升。,正常燃烧与爆燃的不同,正常燃烧的UT为5080m/s，无压力波， 在0.20.4Mpa /CA的范围内。 爆燃的火焰传播速度：轻微爆燃时，火焰传播速度约为100m/s300m/s，强烈爆燃时可高达800m/s1000m/s。使未燃混合气瞬时燃烧完毕，局部压力、温度很高，形成强烈的压力冲击波。冲击波反复撞击燃烧室壁，发出尖锐的敲缸声。,（二）表面点火-热点点火 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。点火时刻是不可控制的，多发生在9的汽油机上。,1、早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。 由于它提前点

13、火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等,零件过热。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。,2、后燃是指在火花塞点火之后，炽热表面或受热辐射点燃混合气的现象。与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。,1爆燃是火花塞跳火后末端混合气的

14、自燃现象；表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致。 2爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。,表面点火与爆燃的不同点：,三、使用因素对燃烧的影响 1、混合气浓度 当 80.9时，UT、Pz、 、Pe均达最高值，爆燃倾向。 当 l.031.1时，燃烧完全，be最低。最高温度+富裕空气NOx 。 当 0.8及 1.2时，UT燃烧不完全 ，致使（CO、 HC 、 be） 工作不稳定 。 可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。,2、点火提前角 点火提前

15、角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。,点火提前角调整特性：当汽油机节气门开度、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。,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。 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，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。 为最佳值时， 不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内，示功图面积最大

16、，完成的循环功最多，发动机的动力性、经济性最好。,3、转速 n紊流，火焰速度大体与转速成正比增加（图4-16），因而以秒计的燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应该相应加大点火提前角（图41-4a）而装置离心调节点火提前器。转速增加时，火焰速度亦增加，爆燃倾向减小。,4、负荷 转速一定，Pe时，进入气缸的新鲜混合气量 而残余废气量基本不变，故。因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使Um。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角，靠真空提前点火装置来调节。 当负荷混合气数量混合气稀释程度起火界限更窄，火焰速度燃烧恶化。当负荷气缸的（温度+压力） 爆燃的倾向

17、。,5、大气状况 大气压力低，气缸充气量减少，则混合气变浓，另外，压缩压力低，着火延迟期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃倾向减小。 大气温度高，同样气缸充气量下降，经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。气阻是由于燃油蒸发而在供油系中形成气泡，减少甚至中断供油的现象。因此，在炎热地区行车时，应加强冷却系散热能力，用泵油量大的汽油泵。反之，在寒冷地区行车时，要加强进气系统的预热，增强火花能量等，以保证燃油雾化、点火及起动。,6、冷却水温度 冷却水温度应控制在805范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用。 冷却水温过高时，会使燃烧室壁及缸壁过热爆燃及表面点火倾向

18、增加。同时进入气缸的混合气温度升高，密度下降，充量减小，使发动机动力性、经济性下降。 冷却水温过低时，传给冷却水热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；容易使燃气中的酸根和水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，使排污增多。,7、燃烧室积炭 积炭不易传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高了压缩比，这些都促使爆燃倾向增加。积炭表面温度很高，形成炽热表面或炽热点，易引起表面点火。 8、压缩比 提高压缩比，可提高压

19、缩行程终了混合气的温度和压力，加快火焰传播速度，选择合适的点火提前角，可使燃烧在更小的容积下进行，使燃烧终了的温度、压力高。且燃气膨胀充分，热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效油率降低。 提高压缩比，会增加未燃混合气自燃的倾向，容易产生爆燃。,4-2 汽油机混合气的形成,汽油机混合气形成的方式主要有两类： （一） 化油器式；（二） 汽油喷射式。 但它们都属于在气缸外部形成混合气，都是依靠控制节流阀开闭来调节混合气数量的，即量调节。,一、化油器简介,即：在简单化油器的基础上，增设：,起动装置 (加浓,阻风门); 怠速装置; 主供油装置; 加浓装置; 加速五个装置。,阻风门,怠速油针,二、汽油喷射

20、系统简介 1.空气系统：计量并控制燃烧所必要的空气量。 2.燃料系统；由电动汽油泵向各缸喷嘴及起动喷嘴压送具有一定压力的燃油。 3.控制系统：根据信号决定合适的喷射时间并使喷嘴动作。,三、两种混合气形成方式的比较 化油器供油系统的油量调节是以机械及负压控制为 特征。 汽油喷射系统的优点： 1）通电时间计算准确，油量、空气计量控制的精度 高，修正因素多。 2）燃油正压喷射，雾化质量好，改善了燃烧过程，经 济性好。 3）改善瞬态响应性能，实现反馈控制，整机加速性能 及排放性能好。 4）采用多点顺序喷射，使各缸分配均匀性，避免燃油 在进气管中沉积。 5）取消了化油器喉管，提高了充气效率，有利于改善

21、整机动力性。,4-4燃烧室 一、燃烧室设计要点 1、结构紧凑 面容比（A/V）：燃烧室表面积与其容积之比来表征。 火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。 A/V值小： 相对散热损失小，热效率高。 熄火面积小，HC排量少。 2、具有良好的充气性能 主要应考虑进气门、进气造的布置。应允许有较大的进气门直径或进气流通面积，适于多气门布置。进气流线短，转弯少，使混合气尽可能平直、光顺地流入燃烧室。,3、火花塞位置 扫除火花塞周围残余废气性要好，使点燃性，低速稳定性好，循环变动小。 火花塞尽量布置在使末端混合气受热少的位置，如排气门附近。 应使由火花塞传播开的火焰面变化分配 合理，确保运转平稳。 火焰

22、传播距离应尽可能短。,4、燃烧室形状合理分布 燃烧持续期控制在60oCA之内； p/不致过高。 5、组织适当的紊流运动 紊流运动： 增大火焰传播速度； 增大火焰速度后冷却末端混合气区； 减少循环间的燃烧变动； 减小熄火厚度，降低HC的排量； 但、紊流过强会使热损失增加，点火困难，压力上升速度过大。,何谓汽油机爆震？对发动机有何危害？ 在P-图上画出汽油机正常燃烧，爆震燃烧和 早燃的示功图，并简要说明它们的区别？ 用示功图说明汽油机点火提前角过大、过小， 对燃烧过程和发动机性能的影响。 何谓汽油机表面点火？与汽油机爆震有何不 同？ 汽油机燃烧过程一般分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？ 汽油机燃

23、烧室组织适当的紊流运动的作用有哪些？,思考题,课外作业,1.空气系统：计量并控制燃烧所必要的空气量。 2.燃料系统；由电动汽油泵向各缸喷嘴及起动喷嘴压送具有一定压力的燃油。 3.控制系统：根据信号决定合适的喷射时间并使喷嘴动作。,空气的流量由通道中的节气门来控制（节气门由油门踏板操作）。踩下油门踏板时，节气门打开，进入的空气量多。怠速时，节气门关闭，空气由旁通道通过。,1空气供给系统,二、化油器的型式及产品型号,1、型式：,1）下吸式,平吸式,上吸式,2）单喉管 双重喉管 三重喉管,3） 单腔（用1表示）如：CAH101型 双腔并动（用2表示）如：216A16（BJ212型越野车） 双腔分动

24、四腔（用4表示）如：KEIHIN（桑塔纳车）,三.五大装置简介,具体地说： 当汽油机在各种转速下以全负荷运行，即节气门全开时，应向汽缸提供适当加浓的功率混合气A/F=1214（1）。 当汽油机按中等负荷运行，即在节气门部分开度时，应有最好的经济性，适宜使用较稀的经济混合气。理想混合气随负荷增加而逐渐变稀，小负荷范围内变化较陡，随负荷加大变化渐趋平缓，负荷超过50%以后，A/F变化不大，这时，A/F=17左右（1） 。 当汽油机在怠速时，节气门接近全闭，为了抵消废气对新鲜充量稀释的影响，保证稳定运转，需要提供更浓的混合气，A/F=1012.4 （1） 。,一、简单化油器,1、构成：,浮子机构、量

25、孔、 浮子室、喷管、 空气管（喉管、节气门）,2、原理：,进气行程,汽缸容积,空气管,喉管,一、化油器式混合气的形成 1、理想空燃比特性 在进行供油系与汽油机配合试验时，需要有一个可供调试的依据，即所谓理想空燃比特性。这种理想空燃比特性就是在满足最佳性能要求的情况下，混合气成分随负荷（或充气流量）的变化关系。,少而浓,由浓转稀,3、工作特性,转速一定时，混合气浓度随节气门开度的变化而变化,而现代汽车各工况对混合气浓度的要求：,小 负 荷,启 动,中 等 负 荷,多而浓,大、全负荷,加 速,由稀转浓,较浓和额外加浓,故：混合气的形成与 油质、构造、条件、 真空度、雾化程度相关,2、匹配试验 燃料

26、调整特性：在节气门开度、转速一定、最佳点火提前角下，发动机功率和燃油消耗率随燃料消耗量（或过量空气系数）而变化的曲线。图448为在某一转速下的燃料调整特性曲线。,图a表示在节气门全开时的调整特性，A点表示在该转速下的最大功率，相应的混合气成分叫做功率混合气。B点对应的是经济混合气。最佳调整时，并不一定在A点，而选在最大功率（A点）和最低油耗（B点）之间。这是考虑到在大批量生产中性能的波动与大气条件的影响，应具备必要的裕度。此外。用途不同，考虑的裕度也不一样。,图b为节气门部分开度时的调整特性。通常可以转变成该转速、某一开度下的钩形曲线，作不同开度的钩形曲线的包络线，即为该转速下的理想负荷特性。

27、有了在该转速下的理想负荷特性，便可以选择若干组主量孔、空气量孔及喷嘴的开关时间 。,电控汽油喷射系统,二、汽油喷射式混合气的形成 （一）系统简介 电控汽油喷射系统（Electronic Fuel Injection）是汽油机综合控 制中最主要、最基本的部分。系统的基本构成见图4-35。,2汽油供给系统,汽油由汽油泵从油箱中泵出，经过汽油过滤器，除去杂质及水分后，再送至汽油脉动减振器。这样具有一定压力的汽油流至供油总管，再经各供油歧管送至各缸喷油器。,3.电控系统,电子控制系统的功用是根据各种传感器的信号，由计算机进行综合分析和外理，通过执行装置控制喷油量等，使发动机具有最佳性能。,二、典型燃烧室分析,1、浴盆形燃烧室 燃烧室形状像一个椭圆形浴盆，高度一致，宽度允许略超出气缸范围，以加大气门直径。要求气门头部外径与燃烧室壁面之间保持68mm的距离，避免壁面对气流的遮蔽