第六章 汽油機(jī)混合氣的形成及燃燒(講課)

第六章

汽油機(jī)混合氣的形成與燃燒主要內(nèi)容第一節(jié)汽油機(jī)的燃燒過(guò)程第二節(jié)汽油機(jī)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(jī)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(jī)的燃燒過(guò)程一、正常燃燒過(guò)程二、不規(guī)則燃燒三、不正常燃燒四、使用因素對(duì)燃燒的影響一、正常燃燒過(guò)程汽油機(jī)正常燃燒過(guò)程是由定時(shí)的火花點(diǎn)火開(kāi)始，且火焰前鋒以一定的正常速度傳遍整個(gè)燃燒室的過(guò)程。1．正常燃燒過(guò)程進(jìn)行情況通常測(cè)取燃燒過(guò)程的展開(kāi)示功圖研究燃燒過(guò)程。3點(diǎn)——最高壓力點(diǎn)燃燒過(guò)程著火落后期明顯燃燒期補(bǔ)燃期1點(diǎn)——火花塞點(diǎn)火點(diǎn)2點(diǎn)——形成火焰中心點(diǎn)（1）著火落后期Def：從火花塞點(diǎn)火的1點(diǎn)至氣缸壓力線(xiàn)明顯脫離壓縮線(xiàn)而急劇上升的2點(diǎn)為止。特點(diǎn)：1)火花塞放電時(shí)兩極電壓可達(dá)10~35kV。借助于電火花能量，首先點(diǎn)燃電極附近的混合氣，形成火焰中心。2)氣缸壓力線(xiàn)較壓縮線(xiàn)無(wú)明顯變化。影響著火落后期長(zhǎng)短的因素：混合氣成分、開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)氣體溫度和壓力、缸內(nèi)氣體流動(dòng)情況、火花能量及殘余廢氣量。注意：在實(shí)際中，對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，著火落后期的長(zhǎng)短對(duì)工作的影響不是很大；這一點(diǎn)與柴油機(jī)著火落后期對(duì)燃燒過(guò)程的影響是完全不同的。結(jié)論：為了提高效率，希望盡量縮短著火落后期；為了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，希望著火落后期保持穩(wěn)定。（2）明顯燃燒期過(guò)程：在均質(zhì)混合氣中，當(dāng)火焰中心形成著火之后，火焰向四周傳播，形成一個(gè)近似球面的火焰層，即火焰前鋒，從火焰中心開(kāi)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(guò)整個(gè)燃燒室。Def：從氣缸壓力線(xiàn)明顯脫離壓縮線(xiàn)而急劇上升的2點(diǎn)至最高壓力點(diǎn)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A(yíng)TDC12~15oCA，最大壓力升高率為0.175~0.25MPa/(o)為宜。

點(diǎn)3到達(dá)的過(guò)早，會(huì)引起壓縮負(fù)功的增加，壓力升高率增加，最高燃燒壓力過(guò)高。點(diǎn)3到達(dá)的過(guò)遲，會(huì)使膨脹比減小，燃燒高溫時(shí)期的傳熱表面增加，放熱損失增加?；鹧媲颁h相對(duì)于未燃混合氣向前推進(jìn)的速度。（3）補(bǔ)燃期

Def：從最高燃燒壓力點(diǎn)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(guò)后未來(lái)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(chǎn)物（CO、H2）的重新氧化。為提高熱效率，減少污染物的排放量，應(yīng)盡可能縮短補(bǔ)燃期的時(shí)間。2.燃燒速率Def：?jiǎn)挝粫r(shí)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(bǔ)充：在流體力學(xué)中，根據(jù)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式的不同。流體運(yùn)動(dòng)層流：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線(xiàn)。湍流：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是毫無(wú)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(jī)燃燒的有效手段。層流火焰與湍流火焰①層流火焰特點(diǎn)：火焰前鋒面薄且圓滑

②湍流火焰特點(diǎn)：火焰前鋒面變厚并出現(xiàn)皺折

③強(qiáng)湍流火焰特點(diǎn)：火焰前鋒面的皺折發(fā)展成明顯的凹凸不平和扭曲，其內(nèi)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(jī)不規(guī)則燃燒主要有兩種：燃燒循環(huán)變動(dòng)和各缸工作不均勻。這兩種不規(guī)則燃燒都是汽油機(jī)在穩(wěn)定正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生的。1．燃燒循環(huán)變動(dòng)Def：發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)燃燒過(guò)程的壓力曲線(xiàn)、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(dòng)發(fā)生時(shí)，由于燃燒過(guò)程各參數(shù)不斷發(fā)生變化，所以對(duì)于每一循環(huán)，點(diǎn)火提前角和空燃比等參數(shù)都不可能調(diào)控到最佳值，因此油耗上升、功率下降，隨著循環(huán)變動(dòng)的加劇，燃燒不正常甚至失火的循環(huán)數(shù)逐漸增多，HC、CO等不完全燃燒產(chǎn)物增多，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，振動(dòng)噪聲增大，零部件壽命下降。（3）原因及措施措施：1）控制過(guò)量空氣系數(shù)大??；2）適當(dāng)提高氣流運(yùn)動(dòng)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(shù)；4）采用多點(diǎn)點(diǎn)火，提高點(diǎn)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(dòng)。原因：混合氣成分的波動(dòng)、氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)波動(dòng)2.各缸工作不均勻Def：在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(duì)各缸都是最佳的點(diǎn)火提前角和空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等均會(huì)下降，振動(dòng)及噪聲也會(huì)增加。三、不正常燃燒汽油機(jī)的不正常燃燒是指由于設(shè)計(jì)或控制不當(dāng)，汽油機(jī)偏離正常點(diǎn)火時(shí)間及地點(diǎn)，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(jī)的不正常燃燒主要是爆燃和表面點(diǎn)火兩類(lèi)。1.爆燃缸內(nèi)壓力出現(xiàn)高頻大幅度波動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一種高頻金屬敲擊聲，因此爆燃即敲缸。（1）現(xiàn)象當(dāng)發(fā)生輕微敲缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重敲缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、轉(zhuǎn)速下降、經(jīng)濟(jì)性下降，工作不穩(wěn)定、振動(dòng)增大、排放增高，冷卻液過(guò)熱、潤(rùn)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(dá)到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產(chǎn)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(zhì)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(shí)間（4）危害

1）當(dāng)發(fā)生爆燃時(shí)，最大爆發(fā)壓力和壓力升高率都急劇增大，因而零部件機(jī)械負(fù)荷增大；2）爆燃時(shí)壓力波會(huì)沖擊缸壁從而破壞油膜層，因而導(dǎo)致活塞、氣缸和活塞環(huán)磨損加?。?）爆燃時(shí)劇烈無(wú)序的放熱還使氣缸內(nèi)溫度劇增，熱負(fù)荷及散熱損失增加；4）爆燃使得動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。2.表面點(diǎn)火在汽油機(jī)中，凡是不靠電火花點(diǎn)火而由燃燒室內(nèi)熾熱表面點(diǎn)燃混合氣的現(xiàn)象，統(tǒng)稱(chēng)表面點(diǎn)火。熾熱表面排氣門(mén)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(dāng)熾熱表面點(diǎn)燃混合氣發(fā)生在火花塞點(diǎn)火之前。

危害：由于早燃是提前點(diǎn)火而且熱點(diǎn)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(dòng)機(jī)工作粗暴，并且由于壓縮負(fù)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(guò)熱。（2）后燃（后火）Def：表面點(diǎn)火出現(xiàn)在火花塞點(diǎn)火之后。

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

表面點(diǎn)火時(shí)沒(méi)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(yùn)動(dòng)件受到?jīng)_擊負(fù)荷產(chǎn)生振動(dòng)而造成。1）爆燃是火花塞點(diǎn)火后末端混合氣的自燃現(xiàn)象；

表面點(diǎn)火一般是在正?；鹧鏌街坝蔁霟嵛稂c(diǎn)燃混合氣所致。四、使用因素對(duì)燃燒的影響1．點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角:從火花塞點(diǎn)火到上止點(diǎn)間的曲軸轉(zhuǎn)角。（1）概念點(diǎn)火提前角調(diào)整特性：當(dāng)汽油機(jī)保持節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、轉(zhuǎn)速以及混合氣濃度一定時(shí)，汽油機(jī)的功率和耗油率隨點(diǎn)火提前角改變而變化的關(guān)系。每一工況都存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角。最佳點(diǎn)火提前角≈使最高壓力在A(yíng)TDC12~15℃A時(shí)到達(dá)。（2）影響點(diǎn)火提前角過(guò)小，則燃燒會(huì)延長(zhǎng)到膨脹過(guò)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(diǎn)火提前角過(guò)大，則大部分混合氣在壓縮過(guò)程中燃燒，壓縮負(fù)功增加，發(fā)動(dòng)機(jī)容易過(guò)熱，有效功率下降，工作粗暴程度增加；同時(shí)由于混合氣的壓力過(guò)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(jī)在某一轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下的調(diào)整特性:

當(dāng)汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持一定，點(diǎn)火提前角為最佳時(shí)，調(diào)節(jié)供油量，功率和耗油率隨過(guò)量空氣系數(shù)Φa的變化關(guān)系?；旌蠚鉂舛葘?duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均有影響。

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

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

Φa＜0.8及Φa＞1.2時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，部分燃料?lái)不及完全燃燒，因而經(jīng)濟(jì)性差，HC排放量增多，工作不穩(wěn)定。3．負(fù)荷在汽油機(jī)上，轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣量，以達(dá)到不同的負(fù)荷要求。當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小時(shí)，進(jìn)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(shù)r增加。由于殘余廢氣對(duì)燃燒反應(yīng)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(guò)程在上止點(diǎn)附近完成，需增大點(diǎn)火提前角。隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角應(yīng)增大。4．轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速的增加，點(diǎn)火提前角應(yīng)增大。

由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，燃燒過(guò)程所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角增大，所以應(yīng)增大點(diǎn)火提前角。

隨轉(zhuǎn)速的增加，點(diǎn)火提前角應(yīng)增大隨負(fù)荷的減小，點(diǎn)火提前角應(yīng)增大

隨轉(zhuǎn)速的增加，供油提前角增大隨負(fù)荷的增加，供油提前角增大汽油機(jī)柴油機(jī)回顧對(duì)比第二節(jié)汽油機(jī)電控汽油噴射系統(tǒng)概述Def：通過(guò)直接或間接測(cè)量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，并按規(guī)定的空燃比計(jì)量燃油的供給量的過(guò)程。汽油機(jī)燃油配制類(lèi)型

化油器式燃油噴射式燃油配制

一般汽油機(jī)是在氣缸的進(jìn)氣管內(nèi)，利用噴嘴或化油器使空氣和燃油混合，進(jìn)入氣缸后，到壓縮行程終了時(shí)已大致形成均質(zhì)混合氣，并以電火花點(diǎn)火燃燒。一、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)可燃混合氣的要求空燃比的大小對(duì)汽油機(jī)燃燒過(guò)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響空燃比的大小還影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。圖6-15=13.5~14.0時(shí)，燃燒火焰出現(xiàn)最高值，稱(chēng)功率空燃比；=16左右時(shí)，燃燒完全，耗油率最低，稱(chēng)經(jīng)濟(jì)空燃比；在功率空燃比與經(jīng)濟(jì)空燃比范圍內(nèi)的混合氣成分是汽油機(jī)常用的混合氣。2.發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況對(duì)混合氣的要求（1）穩(wěn)定工況對(duì)混合氣的要求怠速：很濃混合氣小負(fù)荷：較濃混合氣中負(fù)荷：稀混合氣

大負(fù)荷：加濃混合氣全負(fù)荷：功率混合氣（2）過(guò)渡工況對(duì)混合氣的要求冷起動(dòng)：極濃混合氣暖機(jī)：濃混合氣(隨溫度升高混合氣變稀)加速：及時(shí)加濃急減速：避免混合氣過(guò)濃二、電控汽油噴射供給系統(tǒng)的類(lèi)型1．按噴射位置分單點(diǎn)噴射多點(diǎn)噴射缸內(nèi)噴射進(jìn)氣管?chē)娚鋵娪推靼惭b在節(jié)氣門(mén)的前方，燃油噴入空氣流中，形成的混合氣先進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)，再分配到各缸中。在每一個(gè)氣缸進(jìn)氣口處均裝有一個(gè)噴油器，由ECU控制，汽油直接噴入各缸進(jìn)氣門(mén)的前方，再與空氣一起進(jìn)入氣缸形成混合氣。2.按噴射控制裝置分機(jī)械式電控式機(jī)電式3.按噴射方式分連續(xù)噴射間歇噴射分組噴射同時(shí)噴射順序噴射4.按空氣流量測(cè)量方法分質(zhì)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(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)提供適量的空氣量，同時(shí)向ECU傳遞此信息，并根據(jù)ECU的指令完成空氣量的調(diào)節(jié)。組成：空氣流量計(jì)或進(jìn)氣支管絕對(duì)壓力傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、進(jìn)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(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程所需的燃油。組成：燃油泵、燃油濾清器、油壓調(diào)節(jié)器和噴油器。第五節(jié)電子控制系統(tǒng)作用：檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，精確控制燃油噴射量、噴油正式以及點(diǎn)火時(shí)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(jī)的燃燒室為發(fā)揮汽油機(jī)性能，對(duì)燃燒室提出以下要求：（1）燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊(燃燒室的面容比）F/V較大時(shí)，燃燒室不夠緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)、易發(fā)生爆燃，HC排放高，相對(duì)散熱面積大、熱損失大。F/V較小時(shí)，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(duì)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(jìn)、排氣門(mén)流通截面，以提高充量系數(shù)、降低泵氣損失。（3）火花塞位置安排得當(dāng)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(yīng)靠近排氣門(mén)處。3)火花塞的布置應(yīng)使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x盡可能短。4)不同的火花塞位置對(duì)燃料辛烷值要求不同?；鸹ㄈ侠淼姆植紤?yīng)使：

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(bǔ)燃較少，有較高的熱效率。（4）要產(chǎn)生適當(dāng)