第六章 汽油機混合氣的形成及燃燒(講課)

第六章

汽油機混合氣的形成與燃燒主要內容第一節(jié)汽油機的燃燒過程第二節(jié)汽油機電控汽油噴射系統(tǒng)概述第三節(jié)空氣供給系統(tǒng)第四節(jié)燃油供給系統(tǒng)第五節(jié)電子控制系統(tǒng)第六節(jié)燃油噴射控制第七節(jié)汽油機的燃燒室電控汽油噴射系統(tǒng)主要組成部分第一節(jié)汽油機的燃燒過程一、正常燃燒過程二、不規(guī)則燃燒三、不正常燃燒四、使用因素對燃燒的影響一、正常燃燒過程汽油機正常燃燒過程是由定時的火花點火開始，且火焰前鋒以一定的正常速度傳遍整個燃燒室的過程。1．正常燃燒過程進行情況通常測取燃燒過程的展開示功圖研究燃燒過程。3點——最高壓力點燃燒過程著火落后期明顯燃燒期補燃期1點——火花塞點火點2點——形成火焰中心點（1）著火落后期Def：從火花塞點火的1點至氣缸壓力線明顯脫離壓縮線而急劇上升的2點為止。特點：1)火花塞放電時兩極電壓可達10~35kV。借助于電火花能量，首先點燃電極附近的混合氣，形成火焰中心。2)氣缸壓力線較壓縮線無明顯變化。影響著火落后期長短的因素：混合氣成分、開始點火時缸內氣體溫度和壓力、缸內氣體流動情況、火花能量及殘余廢氣量。注意：在實際中，對于汽油機來說，著火落后期的長短對工作的影響不是很大；這一點與柴油機著火落后期對燃燒過程的影響是完全不同的。結論：為了提高效率，希望盡量縮短著火落后期；為了發(fā)動機運轉穩(wěn)定，希望著火落后期保持穩(wěn)定。（2）明顯燃燒期過程：在均質混合氣中，當火焰中心形成著火之后，火焰向四周傳播，形成一個近似球面的火焰層，即火焰前鋒，從火焰中心開始層層向四周未燃混合氣傳播，直到連續(xù)不斷的火焰前鋒掃過整個燃燒室。Def：從氣缸壓力線明顯脫離壓縮線而急劇上升的2點至最高壓力點3為止。

火焰?zhèn)鞑ニ俣龋簤毫ι呗省睲Pa/(o)〕一般明顯燃燒期約占20~40oCA，燃燒最高壓力出現(xiàn)在ATDC12~15oCA，最大壓力升高率為0.175~0.25MPa/(o)為宜。

點3到達的過早，會引起壓縮負功的增加，壓力升高率增加，最高燃燒壓力過高。點3到達的過遲，會使膨脹比減小，燃燒高溫時期的傳熱表面增加，放熱損失增加?；鹧媲颁h相對于未燃混合氣向前推進的速度。（3）補燃期

Def：從最高燃燒壓力點3至燃料基本上完全燃燒為止。此階段參加燃燒的燃料：

①火焰前鋒過后未來得及燃燒的燃料的再燃燒，②貼附在缸壁上未燃混合氣層的部分燃燒，③高溫分解的燃燒產物（CO、H2）的重新氧化。為提高熱效率，減少污染物的排放量，應盡可能縮短補燃期的時間。2.燃燒速率Def：單位時間燃燒的混合氣量。未燃混合氣密度火焰前鋒面積火焰?zhèn)鞑ニ俣妊a充：在流體力學中，根據流體質點運動形式的不同。流體運動層流：流體質點運動的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線。湍流：流體質點的運動是毫無規(guī)則的是紊亂的。火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ネ牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ヌ岣呋旌蠚獾耐牧鞒潭仁歉纳破蜋C燃燒的有效手段。層流火焰與湍流火焰①層流火焰特點：火焰前鋒面薄且圓滑

②湍流火焰特點：火焰前鋒面變厚并出現(xiàn)皺折

③強湍流火焰特點：火焰前鋒面的皺折發(fā)展成明顯的凹凸不平和扭曲，其內部分裂出許多小的未燃混合氣區(qū)域理解！二、不規(guī)則燃燒汽油機不規(guī)則燃燒主要有兩種：燃燒循環(huán)變動和各缸工作不均勻。這兩種不規(guī)則燃燒都是汽油機在穩(wěn)定正常運轉時發(fā)生的。1．燃燒循環(huán)變動Def：發(fā)動機在某一工況穩(wěn)定運轉時，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過程的壓力曲線、火焰?zhèn)鞑デ闆r、功率輸出等均不相同，是不斷變化的。

（1）定義及現(xiàn)象（2）危害

燃燒循環(huán)變動發(fā)生時，由于燃燒過程各參數不斷發(fā)生變化，所以對于每一循環(huán)，點火提前角和空燃比等參數都不可能調控到最佳值，因此油耗上升、功率下降，隨著循環(huán)變動的加劇，燃燒不正常甚至失火的循環(huán)數逐漸增多，HC、CO等不完全燃燒產物增多，發(fā)動機動力性、經濟性下降，振動噪聲增大，零部件壽命下降。（3）原因及措施措施：1）控制過量空氣系數大?。?）適當提高氣流運動速度和湍流程度改善混合氣均勻性；3）盡量降低殘余廢氣系數；4）采用多點點火，提高點火能量，優(yōu)化放電方式，采用大的火花塞間隙等都可以降低循環(huán)變動。原因：混合氣成分的波動、氣體運動狀態(tài)波動2.各缸工作不均勻Def：在發(fā)動機穩(wěn)定正常運轉的情況下，各缸間的燃燒差異。危害：各缸工作不均勻性的存在，使得難以找到對各缸都是最佳的點火提前角和空燃比，發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性等均會下降，振動及噪聲也會增加。三、不正常燃燒汽油機的不正常燃燒是指由于設計或控制不當，汽油機偏離正常點火時間及地點，由此而引起燃燒速率急劇上升，壓力急劇增大等異?，F(xiàn)象。汽油機的不正常燃燒主要是爆燃和表面點火兩類。1.爆燃缸內壓力出現(xiàn)高頻大幅度波動，同時發(fā)動機會產生一種高頻金屬敲擊聲，因此爆燃即敲缸。（1）現(xiàn)象當發(fā)生輕微敲缸時，發(fā)動機功率上升。當發(fā)生嚴重敲缸時，發(fā)動機功率下降、轉速下降、經濟性下降，工作不穩(wěn)定、振動增大、排放增高，冷卻液過熱、潤滑油溫度上升、零部件磨損加劇。（2）原因

正常燃燒：有明顯的火焰前鋒，且逐層向外傳播，直至燃燒完畢。

爆燃：火焰前鋒未到，未燃混合氣的溫度就達到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產生新的火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

末端混合氣自燃

——（3）影響因素

1）燃料性質2）末端混合氣的壓力和溫度3）火焰前鋒傳播到末端混合氣的時間（4）危害

1）當發(fā)生爆燃時，最大爆發(fā)壓力和壓力升高率都急劇增大，因而零部件機械負荷增大；2）爆燃時壓力波會沖擊缸壁從而破壞油膜層，因而導致活塞、氣缸和活塞環(huán)磨損加?。?）爆燃時劇烈無序的放熱還使氣缸內溫度劇增，熱負荷及散熱損失增加；4）爆燃使得動力性和經濟性下降。2.表面點火在汽油機中，凡是不靠電火花點火而由燃燒室內熾熱表面點燃混合氣的現(xiàn)象，統(tǒng)稱表面點火。熾熱表面排氣門頭部火花塞絕緣體零件表面熾熱的沉積物（1）早燃（早火）

Def：當熾熱表面點燃混合氣發(fā)生在火花塞點火之前。

危害：由于早燃是提前點火而且熱點表面比火花大，這就使燃燒速率快，氣缸壓力、溫度增高，發(fā)動機工作粗暴，并且由于壓縮負功增大，向缸壁傳熱增加，從而致使功率下降，火花塞、活塞等零件過熱。（2）后燃（后火）Def：表面點火出現(xiàn)在火花塞點火之后。

危害：后燃若不引發(fā)爆燃，一般危害不大；但長時間后燃，會使燃燒室熱負荷提高，演變?yōu)樵缛肌！；鸹c火前發(fā)生的表面點火……正?；鸹c火后發(fā)生的表面點火3.表面點火與爆燃的不同2）爆燃時有強烈的壓力沖擊波，有尖銳的金屬敲擊聲；

表面點火時沒有壓力沖擊波，敲缸聲比較沉悶，主要是由活塞、連桿、曲軸等運動件受到沖擊負荷產生振動而造成。1）爆燃是火花塞點火后末端混合氣的自燃現(xiàn)象；

表面點火一般是在正常火焰燒到之前由熾熱物點燃混合氣所致。四、使用因素對燃燒的影響1．點火提前角點火提前角:從火花塞點火到上止點間的曲軸轉角。（1）概念點火提前角調整特性：當汽油機保持節(jié)氣門開度、轉速以及混合氣濃度一定時，汽油機的功率和耗油率隨點火提前角改變而變化的關系。每一工況都存在一個最佳點火提前角。最佳點火提前角≈使最高壓力在ATDC12~15℃A時到達。（2）影響點火提前角過小，則燃燒會延長到膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排氣溫度升高，功率下降，耗油量增多。（2）影響

點火提前角過大，則大部分混合氣在壓縮過程中燃燒，壓縮負功增加，發(fā)動機容易過熱，有效功率下降，工作粗暴程度增加；同時由于混合氣的壓力過高，末端混合氣燃燒前的溫度較高，爆燃傾向加大。2.混合氣濃度汽油機在某一轉速和節(jié)氣門開度下的調整特性:

當汽油機的轉速、節(jié)氣門開度保持一定，點火提前角為最佳時，調節(jié)供油量，功率和耗油率隨過量空氣系數Φa的變化關系?；旌蠚鉂舛葘恿π浴⒔洕跃杏绊?。

Φa=0.8~0.9時，燃燒溫度最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅琍e達最高值，且爆燃傾向最大。

Φa=1.03~1.1時，由于燃燒完全，be最低。Φa＜1時，燃燒不完全，CO排放量上升。

Φa＜0.8及Φa＞1.2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，部分燃料來不及完全燃燒，因而經濟性差，HC排放量增多，工作不穩(wěn)定。3．負荷在汽油機上，轉速保持不變，通過改變節(jié)氣門開度的大小來調節(jié)進入氣缸的混合氣量，以達到不同的負荷要求。當節(jié)氣門開度減小時，進入氣缸的新鮮混合氣量減小，而殘余廢氣量基本不變，故殘余廢氣系數r增加。由于殘余廢氣對燃燒反應起阻礙作用，所以燃燒速度減慢，滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆?。為保證燃燒過程在上止點附近完成，需增大點火提前角。隨著負荷的減小，最佳點火提前角應增大。4．轉速隨轉速的增加，點火提前角應增大。

由于隨著轉速的增加，燃燒過程所對應的曲軸轉角增大，所以應增大點火提前角。

隨轉速的增加，點火提前角應增大隨負荷的減小，點火提前角應增大

隨轉速的增加，供油提前角增大隨負荷的增加，供油提前角增大汽油機柴油機回顧對比第二節(jié)汽油機電控汽油噴射系統(tǒng)概述Def：通過直接或間接測量進入發(fā)動機的空氣量，并按規(guī)定的空燃比計量燃油的供給量的過程。汽油機燃油配制類型

化油器式燃油噴射式燃油配制

一般汽油機是在氣缸的進氣管內，利用噴嘴或化油器使空氣和燃油混合，進入氣缸后，到壓縮行程終了時已大致形成均質混合氣，并以電火花點火燃燒。一、汽油發(fā)動機對可燃混合氣的要求空燃比的大小對汽油機燃燒過程中的火焰溫度、輸出功率、燃油消耗率有重要影響。1.空燃比對發(fā)動機性能的影響空燃比的大小還影響著發(fā)動機的排放性能。圖6-15=13.5~14.0時，燃燒火焰出現(xiàn)最高值，稱功率空燃比；=16左右時，燃燒完全，耗油率最低，稱經濟空燃比；在功率空燃比與經濟空燃比范圍內的混合氣成分是汽油機常用的混合氣。2.發(fā)動機各種工況對混合氣的要求（1）穩(wěn)定工況對混合氣的要求怠速：很濃混合氣小負荷：較濃混合氣中負荷：稀混合氣

大負荷：加濃混合氣全負荷：功率混合氣（2）過渡工況對混合氣的要求冷起動：極濃混合氣暖機：濃混合氣(隨溫度升高混合氣變稀)加速：及時加濃急減速：避免混合氣過濃二、電控汽油噴射供給系統(tǒng)的類型1．按噴射位置分單點噴射多點噴射缸內噴射進氣管噴射將噴油器安裝在節(jié)氣門的前方，燃油噴入空氣流中，形成的混合氣先進入進氣歧管內，再分配到各缸中。在每一個氣缸進氣口處均裝有一個噴油器，由ECU控制，汽油直接噴入各缸進氣門的前方，再與空氣一起進入氣缸形成混合氣。2.按噴射控制裝置分機械式電控式機電式3.按噴射方式分連續(xù)噴射間歇噴射分組噴射同時噴射順序噴射4.按空氣流量測量方法分質量流量控制的汽油噴射系統(tǒng)速度密度控制的汽油噴射系統(tǒng)節(jié)流速度控制的汽油噴射系統(tǒng)電控汽油噴射系統(tǒng)的基本組成：

空氣供給系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)第三節(jié)空氣供給系統(tǒng)作用：根據發(fā)動機的工作狀態(tài)提供適量的空氣量，同時向ECU傳遞此信息，并根據ECU的指令完成空氣量的調節(jié)。組成：空氣流量計或進氣支管絕對壓力傳感器、進氣溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣支管、空氣閥及空氣濾清器等。第四節(jié)燃油供給系統(tǒng)作用：供給發(fā)動機燃燒過程所需的燃油。組成：燃油泵、燃油濾清器、油壓調節(jié)器和噴油器。第五節(jié)電子控制系統(tǒng)作用：檢測發(fā)動機的工作狀況，精確控制燃油噴射量、噴油正式以及點火時刻。組成：傳感器、電子控制單元ECU和執(zhí)行元件。第七節(jié)汽油機的燃燒室為發(fā)揮汽油機性能，對燃燒室提出以下要求：（1）燃燒室結構緊湊(燃燒室的面容比）F/V較大時，燃燒室不夠緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長、易發(fā)生爆燃，HC排放高，相對散熱面積大、熱損失大。F/V較小時，燃燒室緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x小、不易發(fā)生爆燃，因此壓縮比可以提高，相對散熱面積小、熱損失小、熱效率高，熄火面積小、HC排量少。（2）具有良好的充氣性能采用較大的進、排氣門流通截面，以提高充量系數、降低泵氣損失。（3）火花塞位置安排得當1)能充分利用新鮮充量，掃除火花塞間隙處的殘余廢氣，從而使混合氣易于著火。2)火花塞應靠近排氣門處。3)火花塞的布置應使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x盡可能短。4)不同的火花塞位置對燃料辛烷值要求不同?；鸹ㄈ侠淼姆植紤梗?/p>

初期：壓力升高率小，工作柔和；

中期：放熱量最多，獲得較大的功；

后期：補燃較少，有較高的熱效率。（4）要產生適當