汽車發(fā)動機(jī)原理8章2(王建昕)

主要內(nèi)容：汽油機(jī)的燃燒過程及其特點汽油機(jī)的不正常燃燒汽油機(jī)的混合氣形成汽油機(jī)燃燒室及其特性汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)與控制技術(shù)稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)第8章汽油機(jī)的混合氣形成及燃燒過程8.3汽油機(jī)混合氣形成8.3.1對汽油機(jī)混合氣形成的基本要求：（1）形成均質(zhì)混合氣（2）具有良好的響應(yīng)特性（3）適應(yīng)不同工況的混合氣濃度要求主要的“三種混合氣濃度”

功率混合氣：

φa=0.85～0.95

經(jīng)濟(jì)混合氣：

φa=1.1～1.2排放混合氣

：φa=1.0

8.3.2汽油機(jī)燃油霧化方式分類化油器式

（1）化油器（Carburetor）（2）進(jìn)氣道噴射（PFI，PortFuelInjection）（3）缸內(nèi)直接噴射（GDI，GasolineDirectInjection）

多點噴射

缸內(nèi)直噴

8.3.2汽油機(jī)燃油霧化方式分類缸內(nèi)直噴（GDI）

進(jìn)氣道多點噴射（PFI）

以下主要介紹PFI汽油機(jī)霧化，GDI汽油機(jī)將在下節(jié)課介紹。8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成軸針型噴嘴：錐形噴霧，霧化效果好單孔型噴嘴：單束噴霧，油束錐角小多孔噴嘴：多束噴霧，霧化效果好雙噴霧型噴嘴：噴霧分成兩束，在四氣門發(fā)動機(jī)中將燃油分別噴入兩個進(jìn)氣道中。采用電磁閥噴油器，噴油壓力一般為中低壓力（0.3～1.5MPa），噴射方向一般指向進(jìn)氣閥背中央。1、噴油器與噴油霧化混合氣形成過程包含噴霧、液滴的破碎-蒸發(fā)、油束碰壁、油膜的蒸發(fā)-剝離-流動，以及混合氣的湍流運動。以最具代表性的進(jìn)氣門關(guān)閉噴射（閉閥噴射）為例，其混合氣形成過程可分為兩個階段：進(jìn)氣道中的噴油霧化蒸發(fā)缸內(nèi)蒸發(fā)混合

8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成過程進(jìn)氣道中的噴油霧化蒸發(fā)為延長蒸發(fā)混合時間，在進(jìn)氣門尚未開啟時就進(jìn)行汽油噴射，噴油SMD一般在100～400μm范圍；噴射的汽油，一部分在空間直接汽化，一部分沖擊到進(jìn)氣道壁面和進(jìn)氣閥背面（溫度＞100℃）形成油膜，油膜蒸發(fā)形成汽油蒸汽；噴油結(jié)束至進(jìn)氣門開啟時期中，進(jìn)氣閥附近存在大量高濃度汽油蒸汽和油滴。

mK--燃油噴射質(zhì)量；mD--直接進(jìn)入氣缸的燃油質(zhì)量；mF--為壁面油膜質(zhì)量；mV—由油膜蒸發(fā)的燃油質(zhì)量8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成過程汽油進(jìn)氣道油膜蒸發(fā)示意圖

8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成過程汽油機(jī)冷啟動前3個循環(huán)中的燃油分布（Takeda等，1995年）

正常工作時的進(jìn)氣道壁面油膜質(zhì)量尚未見具體數(shù)據(jù)；以右圖所示的冷啟動時測試結(jié)果可知，大部分燃油并未在本循環(huán)內(nèi)進(jìn)入氣缸（一些資料認(rèn)為，冷啟動時只有20%左右的燃油直接進(jìn)入氣缸）。

進(jìn)氣過程壓縮過程進(jìn)氣門開啟后，氣門附近的濃混合氣（油蒸汽、小液滴、部分油膜）首先隨進(jìn)氣流進(jìn)入缸內(nèi)，缸內(nèi)混合氣濃度分布極不均勻；隨活塞下行和氣門開啟面積增大，進(jìn)氣流速加快，使進(jìn)氣道內(nèi)油膜蒸發(fā)速度加快；同時，缸內(nèi)較強(qiáng)氣流運動和較低壓力氛圍促進(jìn)燃料進(jìn)一步汽化，并與空氣混合；8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成過程缸內(nèi)蒸發(fā)混合進(jìn)氣門關(guān)閉后，隨活塞上行，吸熱和壓力回升使缸內(nèi)溫度升高，湍流程度也逐漸提高，繼續(xù)促進(jìn)燃油的蒸發(fā)與混合；壓縮至上止點前，缸內(nèi)混合氣分布基本均勻；在進(jìn)氣閥附近混合氣稍偏濃，這是由于氣閥周圍存在少量掛壁油膜，在壓縮行程高溫環(huán)境下蒸發(fā)加快引起。不同工況下噴油時刻發(fā)動機(jī)MAP中的噴射策略怠速和中小負(fù)荷工況時，采用閉閥噴射（圖中①和②），這是混合最均勻的理想方式；在較高轉(zhuǎn)速和較高負(fù)荷時，采用部分閉閥（開閥）噴射，致使缸內(nèi)混合氣不均勻度增加，但有一定的冷卻進(jìn)氣充量效果，如圖中③；高速大負(fù)荷時，噴油器幾乎一直打開，以滿足大噴油量的需求。8.3.4PFI汽油機(jī)混合氣形成過程缸內(nèi)蒸發(fā)混合汽油機(jī)的燃燒室設(shè)計直接影響充氣系數(shù)、燃燒放熱速率、散熱損失、循環(huán)波動以及爆燃等，從而影響動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

8.4PFI汽油機(jī)的燃燒室示例8.4PFI汽油機(jī)的燃燒室（a）浴盆形（Bathtubtype）燃燒室形狀像橢圓形浴盆，在雙側(cè)或單側(cè)（右圖）設(shè)置擠氣面；常見汽油機(jī)燃燒室

a~d為最常用的燃燒室；

e的“L型”燃燒室是有代表性的舊型燃燒室；

f~h為有特色的燃燒室汽油機(jī)為降低排放曾出現(xiàn)過數(shù)十種燃燒室，但TWC普及后，絕大多數(shù)采用d的4氣門蓬型燃室。汽油機(jī)的燃燒室設(shè)計直接影響充氣系數(shù)、燃燒放熱速率、散熱損失、循環(huán)波動以及爆燃等，從而影響動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

8.4PFI汽油機(jī)的燃燒室8.4.1汽油機(jī)燃燒室設(shè)計的基本原則1、結(jié)構(gòu)緊湊緊湊性評價指標(biāo)：F/V（表面積/容積）

F/V越小越好:

火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，避免爆燃，ε可提高；

燃燒放熱速率高，等容度提高，ηi高；

淬熄效應(yīng)小，HC排放低；

散熱損失小對比：L型燃室ε

＝6~74氣門蓬型燃室ε

＝8~10最不緊湊最緊湊2、合理的幾何形狀適宜的放熱速率（如下圖）廓線圓滑、避免尖凸部，以防止表面點火足夠的進(jìn)排氣流通截面（如浴盆型與楔型的對比，氣門直徑，氣道形狀）8.4.1汽油機(jī)燃燒室設(shè)計的基本原則3、火花塞布置合理火花塞至末端混合氣的距離最短，爆燃可能性小（蓬型）；靠近高溫?zé)霟釁^(qū)布置，爆燃可能性?。ɑ鹎蛐停?；便于掃氣，以清掃廢氣，有利于起動及低速低負(fù)荷的工作穩(wěn)定日本車用汽油中，普通汽油（RON=90）占70%以上，但汽油機(jī)壓縮比平均比我國高1～2單位。機(jī)械辛烷值提高燃料辛烷值降低8.4.1汽油機(jī)燃燒室設(shè)計的基本原則(4)組織適當(dāng)?shù)臍饬鬟\動氣流運動方式：主要是擠流（如圖剖面處，與淬熄層是一對矛盾）；其次是進(jìn)氣渦流（與柴油機(jī)不同，主要用于中低工況時）擠流面8.4.1汽油機(jī)燃燒室設(shè)計的基本原則目的：微觀油氣混合更均勻形成足夠的湍流強(qiáng)度以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小壁面淬熄層厚度以降低HC排放掃除火花塞處的廢氣注意：氣流運動過強(qiáng)無必要，反而增加流動和散熱損失，使著火困難。(5)足夠的進(jìn)排氣門流通截面

以使提高ηv（提高功率），降低進(jìn)氣阻力（降低油耗）8.4.1汽油機(jī)燃燒室設(shè)計的基本原則8.4.2典型燃燒室分析(1)浴盆形（Bathtubtype）

特點形狀像橢圓形浴盆，在雙側(cè)（上圖6-8）或單側(cè)（右圖）設(shè)置擠氣面；性能：

F/V較大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，ε<7.5be較高，pme不高，NOx排放低工作柔和，制造工藝好。

應(yīng)用機(jī)型：曾在我國廣泛應(yīng)用，北內(nèi)492Q(ε=7.2)、6100Q(ε=6.75)、桑塔納轎車JV型汽油機(jī)，奧迪100轎車發(fā)動機(jī)等(2)楔型燃燒室（wedgetype）

特點楔型空間與擠氣面配合，可形成較強(qiáng)氣流運動和掃氣，氣門傾斜布置，流動截面大，氣道阻力小

性能：

F/V較小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較短，ε可達(dá)9.5，動力經(jīng)濟(jì)性較高，低速低負(fù)荷性能穩(wěn)定，dp/dφ較高，工作較粗暴，HC排放高。應(yīng)用機(jī)型：491(4Y)、489(GM2.0)、486(3Y)、CA-72轎車發(fā)動機(jī)8.4.2典型燃燒室分析（3）多球形（蓬型）燃燒室特點：多球形—頂部呈半球形，進(jìn)排氣門和火花塞周圍均分別呈球形；蓬型—頂部由若干平面構(gòu)成帳篷形；4氣門，火花塞中央布置，擠流較弱，可利用雙進(jìn)氣道形成渦流。性能：F/V最小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短，充氣系數(shù)高，動力經(jīng)濟(jì)性好，高速適應(yīng)性強(qiáng)；但dp/dφ高，工作較粗暴。應(yīng)用：

目前已成為國際主流形式，其中蓬型又具多（日產(chǎn)公司，壓縮比10，雙頂置凸輪）8.4.2典型燃燒室分析典型汽油機(jī)燃燒室性能對比特征浴盆型楔形多球形火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長較長短面容比大中小進(jìn)排氣門截面積小中大擠流強(qiáng)度較強(qiáng)強(qiáng)弱（但可利用渦流）充氣系數(shù)低中高壓縮比低(6.5~7.5)較高（8～10）最高（9～11）典型汽油機(jī)燃燒室性能對比特征浴盆型楔形多球形熱效率低較好好dp/dφ及pmax低較高高NOx低高高HC高高低制造工藝性好較差差（難）現(xiàn)代汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)特征緊湊（蓬形）燃燒室高壓縮比（9－11）火花塞中心布置、高能點火4氣門與雙頂