《發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚摗穼W(xué)習(xí)單元四-汽油發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的形成及燃燒過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚搶W(xué)習(xí)單元四汽油發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的形成及燃燒過(guò)程學(xué)習(xí)任務(wù)一汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程試驗(yàn)任務(wù)描述：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是汽油與空氣的混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒產(chǎn)生的熱能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，混合燃燒的情況直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生能量的大小，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的分析十分必要。學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過(guò)本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者課說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和測(cè)試方法，可對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程及燃燒特性進(jìn)行分析。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：測(cè)功機(jī)、油耗儀、氣體質(zhì)量流量計(jì)一、可燃混合氣的成分1kg汽油在理論上完全燃燒約需15kg空氣，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)α為１，但在發(fā)動(dòng)機(jī)中，因混合氣不能達(dá)到理想的均勻，要使1kg汽油完全燃燒必須要有17～18kg空氣，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)α為1.13-1.2，多余的空氣增加了燃料完全燃燒的程度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高，但使混合氣的含熱量降低并減慢了燃燒速度，也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。為使發(fā)動(dòng)機(jī)得到最大功率，必須增加混合氣中汽油的含量，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)α為0.867時(shí)，燃燒速度最大，可此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性差。所以，混合氣的成分影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)按照發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況來(lái)確定所用的成分。相關(guān)知識(shí)一

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的形成圖4.1化油器式內(nèi)燃機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

１—主量孔２—浮子室３—燃油噴管４—喉管５—節(jié)氣門二．汽油噴射系統(tǒng)1.汽油噴射系統(tǒng)的類型

汽油噴射系統(tǒng)的功能就是監(jiān)測(cè)汽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并將其監(jiān)測(cè)到的信息傳遞給控制計(jì)量單元，然后將適量的汽油霧化，噴入進(jìn)氣充量中。按噴射的位置汽油噴射系統(tǒng)可分為缸內(nèi)噴射（直接噴射）系統(tǒng)和進(jìn)氣管噴射（非直接噴射）系統(tǒng)兩種。進(jìn)氣管噴射又分為單點(diǎn)噴射（SPI）和多點(diǎn)噴射(MPI)兩種。圖4-2所示的為噴射系統(tǒng)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將缸噴射內(nèi)、進(jìn)氣管噴射中的單點(diǎn)噴射和多單噴射都表示在一幅圖上，在實(shí)際汽油機(jī)中它們是各自分開(kāi)的。圖4-2汽油機(jī)缸內(nèi)噴射、進(jìn)氣管噴射系統(tǒng)示意圖2.汽油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)

與化油器式燃油供給系統(tǒng)相比，汽油噴射系統(tǒng)有如下一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，得到迅速推廣和應(yīng)用。

①取消喉管，減小進(jìn)氣空氣流動(dòng)助力，無(wú)需進(jìn)氣加熱，提高了進(jìn)氣密度，可獲得較高的充氣效率，有利于增加汽油機(jī)的功率和扭矩。

②減小或消除燃油在進(jìn)氣管壁面的凝結(jié),增加了進(jìn)氣管設(shè)計(jì)的自由度,可充分利用進(jìn)氣充量的慣性作用增加氣缸進(jìn)氣量。③噴油器的布置和噴油霧化的改善，顯著提高了汽油機(jī)的加速響應(yīng)力。④可組織掃氣，減少掃氣過(guò)程中燃油損耗，降低HC排放。⑤空氣計(jì)量和燃油計(jì)量功能分離，提高了計(jì)量和控制精度。不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下燃油霧化和混合良好，可實(shí)現(xiàn)全工況優(yōu)化。⑥多點(diǎn)噴射時(shí)，在各工況下的各個(gè)氣缸充量的燃油空氣比可得到精確控制。⑦各缸充量分配在質(zhì)和量?jī)煞矫娴木鶆蛐陨隙嫉玫礁纳?，可減少爆震傾向，采用較高的壓縮比，提高經(jīng)濟(jì)性。⑧有利于汽油機(jī)增壓。3.電控汽油噴射系統(tǒng)

汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)框架如圖4-3所示，噴射系統(tǒng)功能是根據(jù)流入氣缸的空氣質(zhì)量流量，提供量和質(zhì)都與之相應(yīng)的燃油，控制混合氣的燃空比，使之適應(yīng)汽油機(jī)的工況要求。點(diǎn)火系統(tǒng)的功能是調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)，保證火花塞的點(diǎn)火能量，使燃燒過(guò)程正常進(jìn)行，排氣再循環(huán)系統(tǒng)的功能是將適量的排氣送回進(jìn)氣系統(tǒng)，影響混合和燃燒，目的在于減少

排放。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中也可將某些信號(hào)，如排氣中氧含量反饋會(huì)電子控制器中，以提高控制精確?？刂迫伎毡仁请娍仄蛧娚湎到y(tǒng)最基本的功能。圖4-3汽油機(jī)控制圖電控汽油噴射系統(tǒng)的主要控制參數(shù)如下：

曲軸轉(zhuǎn)速：決定噴油頻率和噴油量；

進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量：測(cè)定汽油機(jī)負(fù)荷，確定噴油量；

節(jié)氣門位置和變化速度：反應(yīng)負(fù)荷，確定進(jìn)氣量，修正瞬時(shí)工況時(shí)供油量和油氣混合；

空氣溫度：修正進(jìn)氣密度；

冷卻劑溫度：修正霧化不良和濕壁效應(yīng)；

海拔高度：修正隨海拔高度變化而改變的進(jìn)氣密度；

排氣氧含量：控制有害排放；

蓄電池電壓：修正控制單元和噴油器的供電線路電壓影響。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。相關(guān)知識(shí)二

汽油機(jī)的燃燒過(guò)程(一)正常燃燒過(guò)程進(jìn)行情況將燃燒過(guò)程分為三個(gè)階段：著火落后期、明顯燃燒期和補(bǔ)燃期。1、著火落后期

從火花塞點(diǎn)火到火焰核心形成的階段。

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、明顯燃燒期指火焰由火焰中心燒遍整個(gè)燃燒室的階段，因此也可稱為火焰?zhèn)鞑ルA段。在示功圖上指氣缸壓力線脫離壓縮線開(kāi)始急劇上升（圖中2點(diǎn)）到壓力達(dá)到最高點(diǎn)(圖中3點(diǎn))止。

燃燒的主要時(shí)期。明顯燃燒期的火焰?zhèn)鞑?/p>

在均值混合氣中，當(dāng)火焰中心形成之后，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。

補(bǔ)燃期中，混合氣燃燒速度開(kāi)始降低，加上活塞向下止點(diǎn)加速移動(dòng)，使氣缸中壓力從點(diǎn)3開(kāi)始下降，在后燃期中主要是湍流火焰前鋒后面沒(méi)有完全燃燒掉的燃料，以及附在氣缸壁面上的混合氣層繼續(xù)燃燒。

為了保證高的循環(huán)熱效率和循環(huán)功，應(yīng)使補(bǔ)燃期盡可能短。

3、補(bǔ)燃期

從最高壓力點(diǎn)開(kāi)始到燃料基本燃燒為止稱為補(bǔ)燃期。

二、不正常燃燒汽油機(jī)的不正常燃燒是指設(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)，由此引起的燃燒速率急劇上升，壓力急劇增大等異常現(xiàn)象。汽油機(jī)的不正常燃燒主要是爆燃和表面點(diǎn)火。1、爆燃的外部特征

爆燃時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)高頻大幅度波動(dòng)(鋸齒波)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一種高頻金屬敲擊聲，因此也稱爆燃為敲缸。輕微敲缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升，嚴(yán)重敲缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，轉(zhuǎn)速下降，工作不穩(wěn)定，機(jī)身有較大振動(dòng)，同時(shí)冷卻水過(guò)熱，潤(rùn)滑油溫度明顯上升。（一）爆燃（爆震燃燒）a)正常燃燒b)爆燃

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?。在較大面積上多點(diǎn)著火，局部區(qū)域的溫度壓力急劇增加。這種類似階躍的壓力變化，形成燃燒室內(nèi)往復(fù)傳播的激波，猛烈撞擊燃燒室壁面，使壁面產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出高頻振音(即敲缸聲)，產(chǎn)生爆燃。2、爆燃產(chǎn)生的原因（1）機(jī)件過(guò)載（2）活塞、氣缸和活塞環(huán)磨損加劇；（3）動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性惡化；（4）排氣冒黑煙，補(bǔ)燃增加，排氣溫度增加。3、爆燃的危害

4、影響爆燃的因素

（1）燃料性質(zhì)

辛烷值高的燃料，抗爆燃能力強(qiáng)。（2）末端混合氣的壓力和溫度

末端混合氣的壓力和溫度增高，則爆燃傾向增大。（3）火焰前鋒傳播到末端混合氣的時(shí)間

提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，都會(huì)減少火焰前鋒傳播到末端混合氣的時(shí)間，有利于避免爆燃。（二）表面點(diǎn)火與早燃

1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（如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉積物等）點(diǎn)燃混合氣的現(xiàn)象，統(tǒng)稱表面點(diǎn)火。表面點(diǎn)火時(shí)刻是不可控制。熾熱表面

2．早燃指在火花塞點(diǎn)火之前，熾熱表面就點(diǎn)燃混合氣的現(xiàn)象。

早燃使功率下降，火花塞、活塞等零件過(guò)熱。圖4–7汽油機(jī)早燃示功圖早燃會(huì)誘發(fā)爆燃，爆燃又會(huì)讓更多的熾熱表面溫度升高，促使更劇烈的表面點(diǎn)火，兩者互相促進(jìn)，危害可能更大。各種燃燒示功圖的比較

圖4–8幾種非正常燃燒過(guò)程的–圖三、使用因素對(duì)燃燒過(guò)程的影響1、

點(diǎn)火提前角對(duì)應(yīng)于每一工況都存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角，這時(shí)汽油機(jī)功率最大，耗油率最低。圖4–9點(diǎn)火提前特性點(diǎn)火提前角過(guò)大，則大部分混合氣在壓縮過(guò)程中燃燒，活塞上行所消耗的壓縮功增加，發(fā)動(dòng)機(jī)容易過(guò)熱，有效功率下降。點(diǎn)火提前角過(guò)小，則燃燒延長(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。圖4–10點(diǎn)火提前角不同時(shí)p-φ的圖

影響最佳點(diǎn)火提前角的因素較多(如大氣壓力、溫度、濕度、缸體溫度、燃料辛烷值、空燃比、殘余廢氣系數(shù)、排氣再循環(huán)等).

傳統(tǒng)的真空和離心調(diào)節(jié)裝置只能隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化對(duì)點(diǎn)火提前角作近似控制。

傳統(tǒng)的點(diǎn)火控制裝置只考慮了影響最佳點(diǎn)火提前角的兩個(gè)因素.

在Φa=0.8~0.9時(shí)，Pe達(dá)最高值，且爆燃傾向最大。在Φa=1.03~1.1時(shí)，be最低。當(dāng)Φa＜0.8及Φa＞1.2時(shí)，經(jīng)濟(jì)性差，HO排放量增多且工作不穩(wěn)定。2、混合氣濃度3、負(fù)荷

隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角要提早。4、

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速增加時(shí)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)加大點(diǎn)火提前角1、總體目標(biāo)

(1)經(jīng)濟(jì)性好；

(2)排放性能好；

(3)動(dòng)力性滿足需要；

(4)不出現(xiàn)不正常燃燒。2、技術(shù)要求

(1)結(jié)構(gòu)緊湊，面容比小；

(2)充氣效率高；

(3)組織適當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)；

(4)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短。一、對(duì)燃燒室的要求相關(guān)知識(shí)三汽油機(jī)的燃燒室1.

浴盆型燃燒室浴盆形燃燒室的特點(diǎn)是：有一定的擠氣面積，但擠流效果差；火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較長(zhǎng)，燃燒速度較低，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性不高，HC排量多。但NOx的排量較少，工藝性好。圖4-7汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的浴盆形燃燒室半球形燃燒窒結(jié)構(gòu)緊湊，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也是最短的。氣門直徑較大，氣道轉(zhuǎn)彎較小，充氣效率高，且對(duì)轉(zhuǎn)速變化不敏感。有較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，HC排放量低。缺點(diǎn)是由于火花塞附近有較大容積，使燃燒速率大，壓力升高率大，工作粗暴