第六章汽油机混合器形成与燃烧.ppt

1、第一节 汽油机的燃烧过程,动画演示,1.火花点火过程 图示出了常规高压线圈点火系统工作时电压与电流的变化情况。整个放电过程可分为三个阶段： （1）击穿阶段 (2) 电弧阶段 (3) 辉光放电阶段,一、正常燃烧过程,2、燃烧过程 燃烧过程的实际进展分成三个阶段 第I阶段 着火延迟期 是指电火花跳火到形成火焰中心的阶段，这段时间约占整个燃烧时间的15%左右。一般是按气缸压力开始与压缩压力相分离的2点作为着火阶段终点,第II阶段 急燃期 是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，也可称为火焰传播阶段 压力升高很快，压力升高率dp/d 一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度、振动和噪声水平。火焰传播速

2、率高的可燃混合气能促使dp/d增加，同样火花塞位置、燃烧室型式对压力升高率也有影响 急燃期终点一般为最高压力点3或最高温度点3（有时3和3点重合）,第III阶段 后燃期 它相当于急燃期终点3至燃料基本上完全燃烧点4为止 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。 此外，汽油机燃烧产物中CO2和H2O的离解现象比柴油机严重，在膨胀过程中温度下降后又部分复合而放出热量，一般也作后燃看待,二、不规则燃烧 1. 燃烧循环变动 发动机在某一工况稳定运行时，各个循环燃烧过程火焰传播情况和示功图压力曲线均不相同，称为燃烧循环变动 当采用稀薄燃烧和在低负荷、低

3、转速下运转时，这种循环变动会加剧 由于气缸压力的循环变动，对于每一循环发动机的参数不可能都处在最佳值，因而会影响发动机性能指标的进一步提高。如果消除了气缸压力的循环变动，可以降低最高燃烧压力，改善工作粗暴性和燃油经济性，降低发动机排放污染。,2. 产生燃烧循环变动的原因 气流速度（平均参数和湍流参数）的变动，空燃比的变动以及空气、燃料和废气混合情况的变动，是造成燃烧循环变动的主要原因 3.降低燃烧循环变动的措施 1)多点点火有利于减少燃烧的循环变动 2)组织进气涡流能增加燃烧速率，从而达到减少循环变动的目的 3)提高发动机转速，在气缸内形成更强烈的湍流也能减少循环变动 4)采用化学计量空燃比，

4、由于火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小,5)采用燃油电控喷射技术（特别是多点燃油喷射）可改善循环之间的混合气浓度不均匀性，达到降低循环变动的目的 6)采用快燃、速燃燃烧技术，提高火焰的传播速率，有助于减小燃烧循环变动 7)加大点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环变动,三、不正常燃烧,1、 爆燃 在某种条件下（如压缩比过高），汽油机的燃烧会变得不正常，在测录的p-t图上，出现压力曲线出现高频、大振幅波动，此时火焰传播速度和火焰前锋形状发生急剧的改变，这种现象称为爆燃。 汽油机爆燃时表现以下外部特征： 1)发出金属振音（俗称敲缸）。 2)在轻微爆燃时，发动机功率略有增

5、加；强烈爆燃时，发动机功率下降，工作变得不稳定，转速下降，发动机有较大振动。 3)冷却系统过热（冷却水、润滑油温度均上升）。 4)气缸盖温度上升。,发生爆燃的原因 ： 爆燃的发生与否取决于对化学反应起决定作用的燃料成分、混合气浓度和终燃混合气经历的温度压力时间历程等因素 总之，爆燃倾向不仅受到燃料本身的影响，而且随发动机结构和运转条件的不同而改变 爆燃燃烧将对发动机工作产生以下不利影响 (1)输出功率、热效率均降低 (2)气缸过热 (3)零件的应力增加,2、 表面点火,在点燃式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火或炽热点火。表面点火大致

6、可分以下两种 (1)非爆燃性表面点火 表面点火按发生的时刻，可分为：1)后火 2)早火 (2)爆燃性表面点火（激爆）,三、使用因素对燃烧的影响 1、混合气浓度 2、点火提前角 3、转速 4、负荷 5、大气状况,思考与练习,说明汽油机燃烧过程各阶段的主要特点 以及对它们的要求。 2. 爆燃的机理是什么？如何防止发动机出 现爆燃？ 3. 何谓汽油机表面点火？防止表面点火的 主要措施有哪些？,第二节 汽油机电控汽油喷射系统概述, 传感器,点火线圈,电动燃油泵,燃油箱,电子控制器,温度控制传感器,空气流量计,冷起动阀,压力调节器,燃油分配器,喷油器,发动机温度传感器,发动机转速传感器,火花塞,高压分电

7、器,一、系统简介 以电子控制单元（ECU）为中心，用传感器测定发动机的各种工作参数，如进气量、转速、温度等，传送给ECU ECU对输入信号作运算、处理、分析判断后，向执行器发出指令控制喷射系统的工作，最终通过喷油器定时、定量地把汽油喷入进气道或气缸中去，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气 通过电控喷射系统还能实现起动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制怠速停油、自动怠速等控制功能，满足发动机各种特殊工况对混合气的要求,分类 机械式 电控式 连续喷射式 间歇喷射式 单点汽油喷射 多点汽油喷射 顺序喷射 分组喷射 缸内喷射 缸外喷射,三、化油器供油系统与汽油喷射供油系统的

8、比较,汽油喷射具有下列优点 配以高能点火装置，发动机可以实现燃烧稀薄混合气； 混合气浓度的精确控制。压力和温度变化时易于对混合气浓度修正； 过渡工况控制能够迅速响应，加减速反应灵敏；减速断油迅速，排放污染小； 发动机起动容易，且暖机性能提高； 进气部分无喉管，无需对进气管加热，充气效率高，发动机动力性好 爆震倾向小，可以采用较高的压缩比，并且对燃料的辛烷值要求可以低一些 多点汽油喷射系统从根本上解决了发动机各缸混合气分配不均匀的问题 整个汽油喷射系统比较容易布置，便于发动机的总体布置 燃油靠压力输送，不会产生气阻,第三节 电控汽油喷射 空气供给系统,一、空气流量计,二、进气管压力传感器,三、节

9、气门体,四、冷启动空气阀,五、怠速控制阀,第四节 燃油供给系统,一、燃油泵,二、燃油压力调节器,三、燃油压力脉动阻尼器,四、喷油器,五、冷启动喷油器,六、燃油滤清器,第五节 电子控制系统,一、传感器 1、温度传感器 2、曲轴位置传感器 3、节气门位置传感器 4、车速传感器 5、氧传感器 6、空燃比传感器 7、爆燃传感器,二、ECU,三、执行元件 第六节 燃油喷射的控制 一、喷油时刻的控制 二、喷油量的控制,1、启动工况的喷油控制2、启动后的喷油控制 3、理论空燃比的反馈控制,燃烧室设计的一般要求 燃烧室设计直接影响到发动机的充气系数，火焰传播速率及放热率，传热损失及爆燃，从而影响发动机的性能，

10、对燃烧室设计有以下要求： (1)经济性高 (2)燃烧放热率曲线等容度高 (3)对大气的污染小 (4)动力性高 (5)不出现不正常燃烧 (6)燃烧循环变动小 (7)工作柔和，燃烧噪声小 (8)满足速燃要求,第七节 汽油机的燃烧室,(二) 燃烧室设计要点 1.压缩比 为既提高压缩比又不促使爆燃的发生，燃烧室设计应从以下方面考虑 1)缩短火焰传播距离，除设计紧凑的燃烧室外，也与火花塞位置有关。 2)利用适当强度的湍流，加快火焰传播速度 3)在离火花塞较远的区域设计适当的冷却面积，降低边缘区域可燃混合气温度 4)燃烧室内没有易受高温影响而产生的热点和表面沉积物 过高的压缩比将使压力升高率增加，发动机的

11、噪声与振动较大。这是不允许的，此外提高压缩比对大气污染也是不利的，因为：,1)压缩比增加，燃烧室的狭缝、润滑油膜和沉积物处生成的未燃HC增加 2)压缩比高，膨胀比也大，膨胀后期燃气温度下降，HC氧化速率下降，使更多的燃料以未燃HC的形式排出 3)压缩比高，排气温度低，使壁面温度降低，粘附在壁面上的液态燃料难以汽化，增加了HC排放，但过高的壁面温度会加热终燃混合气，诱发爆燃，也是不利的 4)压缩比高，使最高燃烧温度增加，NOx增加,2.燃烧室面容比F/V,F/V在某种意义上可以表示燃烧室的紧凑性，它与燃烧室型式以及汽油机的主要结构参数有关，一般来说，F/V大火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放高，

12、相对散热面积大，热损失大,3.火花塞位置及其性能,火花塞的位置直接影响火焰传播距离的长短，从而影响抗爆性，也影响火焰面积扩展速率和燃烧速率。燃烧室中不同火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同,布置火花塞时需考虑以下因素 1)火花塞应靠近排气门处，使受炽热表面加热的混合气能及早燃烧，从而不致发展为爆燃。 2)火花塞间隙处的残余废气应能充分清扫，使混合气容易着火，但不希望有过强的气流 火花塞的点火性能对发动机性能与排污有重大影响。 当火花塞间隙增加时，火核形成的位置将离开壁面，可以避开停滞在壁面附近残余废气的影响 处于间隙内的混合气的绝对数量增加，着火的概率也增加 火核形成过程中，电极从火核中吸收热量过

13、大，则火核可能不能形成，被称为电极的“消焰”作用,当间隙增大时，消焰作用将减弱。因此，火花能点燃更稀的混合气，火花塞通常采用的间隙是0.50.8mm，超过1.1mm称为宽间隙火花塞。若采用更宽间隙的火花塞，如1.52mm，则火花塞要求的击穿电压高，一般点火系统由于不可能供给足够高的电压而引起失火。 对各种间隙火花塞的研究表明，火花能量增加时能点燃稀混合气，同时也发现，火花能量强，则要求火花间隙越宽，性能越好。为了充分发挥宽间隙的优点，需发展高能点火系统。高能点火系统具有较大的一次电流，即较高的点火能量，二次电压也上升迅速，并能有比一般点火系统更高的电压，以适应宽间隙火花塞对击穿电压的要求,4.

14、 燃烧室内的气流运动,燃烧室内形成适当强度的气流运动可以 1)增加火焰传播速度 2)扩大混合气的着火界限，可以燃烧更稀的混合气 3)降低循环变动率 4)降低HC排放 但过强的气流将使热损失增加，还可能吹熄火核而失火，使HC排放增加，也是不利的,一、传统发动机常见的几种燃烧室,1.楔形燃烧室 火焰距离较长。 一般设置挤气面积，气门稍倾斜（630）使气道转弯较少，减少进气阻力，提高充气系数 压缩比也可以有较高值，达910 这种燃烧室有较高的动力性和经济性 但由于混合气过分集中在火花塞处，使初期燃烧速率和压力升高比大，工作显得粗暴一些,2. 浴盆形燃烧室 这种燃烧室高度是相同的，宽度允许略超出气缸范

15、围来加大气门直径 从气流运动考虑，希望在气门头部外径与燃烧室壁面之间保持56.5mm的壁距，这样使气门尺寸所受的限制比楔形大 浴盆形燃烧室有挤气面积，但由于燃烧室的形状，使挤气的效果比较差 火焰传播距离也较长，燃烧速率比较低，燃烧时间长，压力升高比低,3. 碗形燃烧室 碗形燃烧室是布置在活塞中的一个回转体，采用平底气缸盖 燃烧室全部机加工而成，有精确的形状和容积，燃烧室表面光滑，紧凑 挤流效果好，压缩比可高达11 由于F/V较大，散热增加 碗形燃烧室要有恰当的S/D与压缩比之间的比例,4. 半球形燃烧室 半球形燃烧室在气缸盖上，一般配凸出的活塞顶，燃烧室紧凑，且火花塞能布置在中间，是五种燃烧室

16、中火焰传播距离最短的一种 进、排气门倾斜布置，两气门之间角度为5075。气流进入气缸转弯最小，充气系数大，在非常高的转速下仍能保持满意的充气系数，最高转速在6000r/min以上的车用汽油机几乎都采用半球形燃烧室 这种燃烧室F/V值小，HC排放低。 由于火花塞周围有较大的容积，使燃烧速率和压力升高比大，工作较粗暴 半球形燃烧室多采用双顶置凸轮轴,5. 其他类型燃烧室 汽油机目前一个注目的研究方向是采用稀燃、速燃、层燃技术。采用稀薄混合气可以降低油耗、降低排放和提高压缩比。采用稀燃会降低火焰传播速度，因此往往需要采取措施组织混合气的快速燃烧。层燃也是在汽油机中燃烧稀混合气的一种技术措施。在稀燃、

17、速燃技术在汽油机中的广泛应用中有代表性的燃烧室有： (1)12T汽油机产生湍流的辅助燃烧室（TGP） (2)双火花塞燃烧室,二、充量分层和缸内直喷燃烧系统 缸内直喷燃烧系统分为： 缸内直喷均质混合气和缸内直喷分层燃烧系统 (一) 分层燃烧 分层燃烧的概念为合理组织燃烧室内的混合气分布，即在火花间隙周围局部形成具有良好着火条件的较浓混合气；而在燃烧室的大部分区域是较稀的混合气。在两者之间，为了有利于火焰传播，混合气浓度从火花塞由浓到稀逐步过渡，即形成所谓的分层燃烧系统。,(二) 典型缸内直喷燃烧系统 1. 轴向分层燃烧系统 由进气形成较强的进气涡流，燃油是在进气行程的后期通过喷油器直接喷入气缸，从而在气缸上部形成易于点燃的浓混合气，由上至下形成由浓到稀的分层混合气。,2.福特缸内直喷燃烧系统（PROCO） 福特缸内直喷燃烧系统燃用的是化学计量比均质混合气，并采用三效催化转换器，采用斜屋顶式活塞顶部及双顶置凸轮轴，发动机压缩比达11.5，最大转速6000r/min，利用涡流和滚流进行燃油-空气的混合，因燃油在缸内蒸发吸收一部分空气热量，使温度下降，充气系数提高,采用纵向直进气口形成缸内强烈的滚流