第六章 汽油機混合氣形成與燃燒

1、1,第六章 汽油機混合氣的形成和燃燒,本章要求：了解：汽油機有害排放物的生成機理與控制，汽油機燃燒室。理解：汽油機混合氣的形成與燃燒，影響燃燒的因素和措施。掌握：爆燃和表面點火形成原因與控制措施。,2,第1節(jié) 汽油機的燃燒過程,包括：著火落后期、明顯燃燒期和后燃期三個階段。,一、正常燃燒過程,1、著火落后期（1-2）,從火花塞點火到火核中心形成—開始燃燒（壓力線明顯脫離純壓縮線而急劇升高）。,汽油機正常燃燒過程,影響因素：,混合氣

2、濃度、氣體溫度與壓力、點火能量、殘余廢氣系數(shù)、氣流運動等。,*思考：一般希望著火落后期越短越好，為什么？,3,汽油機正常燃燒過程,2、明顯燃燒期（ 2-3）,從開始燃燒到壓力達到最高點（通常也是溫度最高點）。,特點：,1、火焰以球面火焰層的形式向周圍傳播，迅速燒遍整個燃燒室，此球面稱為火焰前鋒。,2、約80%的燃料在上止點附近燃燒放熱，故壓力、溫度迅速升高。,（最高壓力3-8MPa，最高溫度2200-2800K）,故也稱為火焰?zhèn)鞑ルA段（

3、30-70m/s）。,*思考：汽油機最高溫度與壓力比柴油機高，為什么NOx排放反而低？,4,汽油機正常燃燒過程,壓力升高率對發(fā)動機性能的影響：,越大，動力性與經(jīng)濟性越好；,但振動與噪音大，NOx排放增加。,最高壓力點3的位置對發(fā)動機性能的影響：,推遲,,動力性、經(jīng)濟性差,提前,壓縮負功增加， 、 與 增大。,,最高壓力點的位置通常由點火提前角來調(diào)整。,（一般要求不超過0.175-0.25MPa),（通常出現(xiàn)在上止點后

4、12-15°CA）,5,汽油機正常燃燒過程,3、后燒期（2-3）,從壓力最高點到燃料基本燃燒完全。,特點：,1、燃燒速度低；,2、活塞已下行，作功效率低且散熱損失大；,3、除未燃燃料參與燃燒外，一些中間產(chǎn)物（CH、CO等）將進一步氧化燃燒；,要盡量縮短后燃期,6,二、不規(guī)則燃燒,定義：,發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)情況下，各氣缸間的燃燒差異和各循環(huán)間的燃燒變動，某種程度上屬正常情況。,1、循環(huán)變動（汽油機特有的燃燒現(xiàn)象）,危害：,1、由于存

5、在循環(huán)變動，故無法精確控制每循環(huán)的最佳點火提前角，從而影響發(fā)動機各項性能的提升。,消除循環(huán)變動后，可降低燃油消耗10%-15%。,7,2、嚴重時會導致低速（怠速）失火率的增加，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定（稀薄燃燒時尤為嚴重）。,循環(huán)變動產(chǎn)生的原因：,1、火花塞附近氣體成分的變化,2、氣流強弱（紊流，尤其火花塞附近）,（影響落后期的長短）,（影響火核中心的形成與火焰?zhèn)鞑ボ壽E）,8,改善循環(huán)變動的措施：,1、采用0.8-1.0的過量空氣系數(shù)；,2、

6、適當組織進氣運動，改善混合氣均勻性，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并可掃除火花塞附近的殘余廢氣；,（但不可過強，否則會吹散火核）,汽油機進氣氣流的組織,3、采用多點點火；,雙火花塞點火,4、采用大的火花塞間隙和點火能量；,使火核遠離壁面和電極,,,9,2、各缸工作不均勻,產(chǎn)生的原因：,1、各缸充量不均勻,2、各缸混合氣成分不均勻,改善措施：,1、進氣支管均勻配置（長度、大小、進氣阻力）,2、采用多點噴射或缸內(nèi)直噴,10,三、不正常燃燒,火花塞點火后

7、，火焰前鋒未達區(qū)域由于先期發(fā)應速度加快，而引發(fā)自燃的一種現(xiàn)象（多點同時自然著火）。,1、爆燃（爆震）（敲缸）,定義：,*思考：同樣是多點自燃，為什么柴油機不會出現(xiàn)爆燃？,11,現(xiàn)象與危害：,1）局部壓力、溫度迅速升高，形成激波，撞擊燃燒室壁面，發(fā)出敲缸聲（高頻振蕩，頻率>5000次/s）。,2）零件的沖擊載荷增大；,3）激波會破壞缸壁上的油膜和激冷層，導致磨損加劇、熱負荷嚴重；,4）動力性與經(jīng)濟性明顯降低。,爆燃時氣缸壓力變化,5

8、）排放變差，積碳增多。,,,冷卻水和壁面氣體附著層的作用，維持壁面200-300℃的溫度。,12,影響暴燃的因素：,1）燃料性質(zhì)（辛烷值的大?。?2）使用因素:,（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速↑，進氣速度↑，紊流強度↑，燃燒速度↑，爆燃傾向↓。,（2）廢氣殘余系數(shù),廢氣殘余系↑，混合氣自燃溫度↑，爆燃傾向↓,（3）混合氣濃度（過量空氣系數(shù)0.8-0.9時，爆燃傾向大）,（4）點火提前角,點火提前角↑，最高爆發(fā)壓力和溫度↑，爆燃傾向↑,13,（4

9、）燃燒室積碳,形成熾熱物并使散熱不良，使終端混合氣加熱，爆燃傾向增大。,3）結(jié)構(gòu)因素:,（1）壓縮比,壓縮比↑，壓縮終了溫度和壓力速度↑，爆燃傾向↑ 。,（2）火花塞位置、燃燒室結(jié)構(gòu)與氣缸直徑大?。ㄓ绊懟鹧?zhèn)鞑ゾ嚯x）,（5）發(fā)動機負荷,負荷↑，缸內(nèi)溫度和壓力↑，爆燃傾向↑。,14,凡不依靠火花塞點火而由燃燒室內(nèi)熾熱表面（火花塞電極、排氣門、積碳等）點燃混合氣的現(xiàn)象。,2、表面點火,定義：,分類,非爆燃性表面點火,爆燃性表面點火,,,早火

10、或早燃,后火或后燃,1）后火：,火花塞點火之后，熾熱表面點燃混合氣（通常熾熱表面溫度較低，與爆燃不同的是，其火焰以正常速度向外傳播）。,后火通常對發(fā)動機影響不大。,15,2）早火：,火花塞點火之前，熾熱表面點燃混合氣（熾熱點溫度較高，通常由于發(fā)動機長時間高速、大負荷運行所至）。,早火的危害：,（1）壓縮負功增大（單缸機甚至引起停車）；,（2）壓力升高率大，工作粗暴，機械負荷與熱負荷嚴重，且易促進更多熾熱點的形成；,（3）會促進爆燃的產(chǎn)生

11、（與爆燃為相互促進的關系）；,3）表面點火與爆燃的區(qū)別,一個是自燃，有激波和清脆的敲缸聲，一個是熾熱表面點燃，無激波，敲缸聲沉悶。,16,影響暴燃的因素與防止措施：,凡是能使缸內(nèi)的T、P降低、減少氣缸積碳的因素，都可預防熱面點火（1）選用低沸點汽油和成膠性小的機油； （2）在燃料中加抑制熱面點火的添加劑（如磷化物）；（3）適當降低壓縮比（8.5以下）；（4）避免長時間低負荷運行和頻繁減速運行。,17,第2節(jié) 電控汽油噴射系統(tǒng)

12、簡介,1、功率混合氣（13.5<α<14）,一、空燃比α對發(fā)動機性能的影響,屬于濃混合氣，輸出功率大，但燃燒溫度高，CO和HC排放大。,2、經(jīng)濟混合氣（16<α<17）,屬于稀混合氣，油耗低，但富氧使NOx排放大。,基于節(jié)能和減排，應使空燃比精確控制在14.7附近。,空燃比與發(fā)動機性能關系,18,二、典型的汽油機電子燃油控制系統(tǒng),油箱,ECU,冷起動噴油器,節(jié)氣門位置傳感器,,空氣流量傳感器,,水溫傳感器,,進氣

13、溫度傳感器,,,,氧傳感器,,凸輪軸位置傳感器,,曲軸位置傳感器,1、L型電控燃油噴射系統(tǒng)（帶空氣流量傳感器）,,爆震傳感器,噴油器,,,怠速控制閥,,,19,2、D型電控燃油噴射系統(tǒng)（帶進氣壓力傳感器）,20,水溫傳感器、進、排氣溫度傳感器、油溫傳感器等。,一、溫度傳感器,第3節(jié) 電控系統(tǒng)傳感器簡介,構(gòu)造與原理：,熱敏電阻（NTC型）,21,作用：,1、水溫與進氣溫度傳感器用于噴油量的修正；,2、排氣溫度傳感器用于三元催化異常高報警；

14、,3、油溫過高報警。,檢測：,22,二、空氣流量傳感器（流量計）,種類與構(gòu)造：,,,,,,補償擋板,緩沖室,翼片,溫度傳感器,旁通氣道,調(diào)節(jié)螺釘,,,電位計,,葉片式,卡門式,作用：,檢測進氣量，確定基本噴油量。,23,,,,,控制電路,熱膜,溫度補償電阻,防護網(wǎng),熱線式,熱膜式,熱式空氣流量計反應靈敏，測量精度高且不受氣流脈動影響，適合各種工況下的精確測量，是目前應用的趨勢。,熱線式具有自潔功能； 熱式空氣流量計采用12V工作

15、電源。,24,三、進氣壓力傳感器,構(gòu)造與原理：,半導體壓敏電阻式、變阻器式、電容式等。,1、壓敏電阻式壓力傳感器（橋式電路）,檢測時（就車）：怠速信號電壓1-1.5V，加大油門信號電壓應逐漸增大，全開時應為4.5-5V。,25,2、變阻器式：,3、電容式：,輸出數(shù)字信號,26,四、曲軸位置與凸輪軸位置傳感器,構(gòu)造與原理：,電磁式、霍爾式、光電式等。,1、電磁式,特點：,1、輸出正弦波，為模擬信號；2、信號大小與間隙和轉(zhuǎn)速有關，信號容易畸

16、變和丟失，不適合低轉(zhuǎn)速測量。,作用：,測量曲軸轉(zhuǎn)角位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。,27,2、霍爾式,特點：,數(shù)字信號、適合各種轉(zhuǎn)速測量。,3、光電式,特點：,數(shù)字信號、精度高，但使用要求高。,*思考：如果曲軸、凸輪軸位置傳感器信號丟失會怎么樣？,28,五、節(jié)氣門位置傳感器,種類：,開關型和線性輸出性。,作用：,測量節(jié)氣門開度，提供ECU噴油脈寬的基本信號。,1、開關型節(jié)氣門位置傳感器,29,2、線性輸出型節(jié)氣門位置傳感器,30,六、氧傳感器,種類：

17、,作用：,測量排氣中氧的濃度，進行空燃比控制。,31,32,七、爆震傳感器,種類：,共振型與非共振型。,作用：,檢測發(fā)動機是否發(fā)生爆震，從而控制點火提前角。,檢測：,1、檢測各端子電阻（均>1MΩ）；2、檢測發(fā)動機工作時是否有脈沖信號輸出。,33,燃油噴射控制的內(nèi)容：,一、噴油時刻的控制,第4節(jié) 燃油噴射的控制,噴油時刻與噴油量,1、多點同時噴射：,曲軸每轉(zhuǎn)一圈，各噴油器同時噴油一次。,優(yōu)點：,無需判缸信號、控制系統(tǒng)簡單易實現(xiàn)。,

18、缺點：,各缸噴油時刻不同，造成各缸混合氣形成不一致。,34,2、多點順序噴射：,一個工作循環(huán)內(nèi)（曲軸每轉(zhuǎn)兩圈），各噴油器依據(jù)各缸工作順序依次噴油一次。,優(yōu)點：,各缸均可按最佳時刻噴油，有利于混合氣形成，降低排放和油耗。,缺點：,必須向ECU提供上止點信號和判缸信號，控制系統(tǒng)較為復雜。,35,3、分組噴射：,發(fā)動機工作過程中，各組噴油器交替進行噴射（曲軸每轉(zhuǎn)一圈，只有一組噴油器噴射）。,汽油機噴射時刻是ECU根據(jù)曲軸位置傳感器和凸輪軸位置

19、傳感器提供的基準信號進行控制的。,36,二、噴油量的控制,噴油量由ECU根據(jù)發(fā)動機工況對噴油持續(xù)時間（噴油脈寬）進行控制。,1、起動時噴油控制（起動開關ON，且轉(zhuǎn)速低于限值）,（2）由于溫度低，需要供給濃混合氣,（1）轉(zhuǎn)速低且波動大，進氣量測量不準,所以起動時，ECU不依據(jù)空氣流量傳感器信號，而按預先設定的程序，根據(jù)起動轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度和進氣溫度計算固定的噴油量。,特點：,延長噴油時間或增加噴油次數(shù)，采用冷起動噴油器,37,2、起動后噴

20、油控制（起動開關OFF，且轉(zhuǎn)速高于限值）,發(fā)動機起動后，ECU依據(jù)進氣量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、進氣溫度、冷卻水溫度、排氣中氧的含量等信號，控制噴油持續(xù)時間（噴油脈寬）。,噴油持續(xù)時間=基本噴油時間×修正系數(shù)+電壓修正值,（1）蓄電池電壓修正,（電壓越低，噴油時間越長）,38,（2）進氣溫度修正,進氣溫度不同，空氣密度也不同，因而需要根據(jù)進氣溫度修正噴油量（通常在-20℃-60℃期間進行）。,（溫度低，噴油時間加長）,39,

21、（3）起動后加濃與暖機加濃,冷卻水溫度越低，相應修正系數(shù)也越大，噴油量（噴油持續(xù)時間）增大。,起動—暖機過程中，冷卻水溫度較低，燃油蒸發(fā)差，仍需供給較濃混合氣。,40,（4）加速加濃,加速時，節(jié)氣門突然增大，雖然進氣量會增大，但由于氣管真空度減小，油膜蒸發(fā)減慢，故而會造成短時間的混合氣變稀。,冷卻水溫度越低，修正量越大，持續(xù)時間越長。,41,（5）大負荷加濃,ECU依據(jù)PSW觸點信號（約80%的開度）判斷發(fā)動機處于大負荷工況，增加噴油量

22、（正常值的10%-30%），提供功率混合氣（空燃比13.5-14）。,（加濃量取決于冷卻水溫度）,（6）斷油控制（包括超速斷油、減速斷油和起動溢油）,a、超速斷油,防止超速運行（6000-7000r/min)。,b、減速斷油,高速突轉(zhuǎn)低速（節(jié)氣門從全開→全關），由于真空度突然增大，油膜蒸發(fā)迅速，為了避免混合氣過濃，需要停止燃油供應。,判定依據(jù)：,IDL觸點信號、轉(zhuǎn)速信號和冷卻水溫度信號。,42,c、起動溢油控制,起動時，若油門踩到底，E

23、CU會自動切斷燃油噴射。,（7）理論空燃比反饋控制,氧傳感器的閉環(huán)控制（α=14.7），以滿足經(jīng)濟性和排放需求。,起動、暖機、大負荷以及氧傳感器故障、排氣溫度較低時，ECU進行開環(huán)控制。,43,一、汽油機對燃燒室的要求,第5節(jié) 汽油機燃燒室,（1）F/V越小，散熱面積小，熱損失??；,1、結(jié)構(gòu)緊湊（F/V要?。?（2）F/V越小，激冷層面積（熄火面積）小，HC排放低；,（3）F/V越小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x越小，爆燃傾向低。,2、具有良好的充氣性

24、能,進、排氣門流通截面積要大，避免壁面的遮蔽作用。,3、適當?shù)臍饬鬟\動,加速燃燒、擴大混合氣著火界限、降低循環(huán)變動和CH排放。,44,（1）縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，提高抗暴能力；,4、火花塞位置安排要適當,（2）靠近排氣門，使熾熱表面加熱后的高溫混合氣盡早燃燒，降低爆燃傾向；,（3）靠近進氣門、并遠離壁面，便于新鮮充量掃除火花塞附近的廢氣，保證可靠著火。,（采用雙火花塞點火）,5、適當冷卻末端混合氣,但過度會造成HC排放增加。,45,二、常見

25、的幾種汽油機燃燒室,1、楔形燃燒室,楔形燃燒室,結(jié)構(gòu)特點：,結(jié)構(gòu)緊湊（F/V?。瑪D氣效果好，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短； 氣門傾斜布置，直徑大、氣道彎道小。,缺點：,初期燃燒速率大、NOx排放高；末端混合氣易熄火，HC排放高；不利于采用多氣門結(jié)構(gòu)。,優(yōu)點：,充氣效果好，熱損失小，效率高，動力性與經(jīng)濟性好。,46,2、浴盆形燃燒室,浴盆形燃燒室,缺點：,抗爆能力差；同時由于燃燒時間長，動力性與經(jīng)濟性差，HC排放多。,優(yōu)點：,燃燒柔和，NO

26、x排放低，加工簡便。,結(jié)構(gòu)特點：,燃燒室高度相同，擠氣效果差，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長； 氣門垂直布置，氣道彎道大。,47,3、半球形燃燒室,球形燃燒室,缺點：,初期燃燒速度快，工作粗暴，NOx排放高； 末端混合氣冷卻效果差，且氣門驅(qū)動機構(gòu)復雜。,優(yōu)點：,熱損失小，動力性與經(jīng)濟性好，HC排放低； 充氣效果好，對轉(zhuǎn)速不敏感，適于高轉(zhuǎn)速（>6000r/min)。,結(jié)構(gòu)特點：,結(jié)構(gòu)緊湊（F/V?。?，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短；

27、 氣門傾斜布置，氣道彎道小。,48,三、稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴,傳統(tǒng)汽油機的充量特點：,（2）節(jié)氣門 “量調(diào)節(jié)”法控制充量，泵氣損失大；,缸外混合，均質(zhì)充量，空燃比范圍?。?2.6-17)。,（1）爆燃傾向大，故壓縮比小，熱效率低；,傳統(tǒng)汽油機的缺點：,（3）φa=1的閉環(huán)控制，NOx排放高。,稀薄燃燒：,是指在空燃比α>17的情況下的正常燃燒。,稀燃種類,,非直噴稀燃,缸內(nèi)直噴稀燃(25<α<50）,,均質(zhì)稀燃（α&l

28、t;20),分層稀燃(20<α<25),49,可見，與常規(guī)汽油機相比，稀燃具有更好的燃油經(jīng)濟性和低排放性。,,,50,縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，可推遲點火和增大壓縮比，提高點火時混合氣溫度與壓強，改善著火性。,（1）雙火花塞燃燒室：,原理：,雙火花塞燃燒室,火花塞,,,1、均質(zhì)稀燃（α<20),利用壓縮渦流（預燃室與通道）對火花塞間隙掃氣，促進點火和燃燒。,（2）TGP燃燒室：,TGP燃燒室,原理：,51,52,利用進氣渦流對

29、混合氣進行分層，確?；鸹ㄈ浇鼮檩^易著火的濃混合氣。,（1）軸向分層燃燒系統(tǒng)：,工作原理：,2、分層稀燃(20<α<25),軸向分層原理,53,利用隔板使進氣滾流進行分層，保證火花塞附近形成濃混合氣。,（2）滾流（縱渦）分層燃燒系統(tǒng)：,工作原理：,54,（3）AVL四氣門分層燃燒系統(tǒng)：,控制閥部分開啟，利用切向進氣道產(chǎn)生的進氣渦流和中性進氣道產(chǎn)生的滾流進行分層。,工作原理：,控制閥全開，兩進氣道混合氣濃度相同，實現(xiàn)均質(zhì)燃燒。

30、,a、中等負荷,b、滿負荷,55,特點：,3、缸內(nèi)直噴稀燃(25≤α<50),1、缸內(nèi)噴射，燃油蒸發(fā)吸熱，有助于提高充量并采用大的壓縮比（>10），降低油耗和HC排放，改善低速扭矩（提高10%）；,2、多采用立式吸氣口、彎曲頂面活塞，來組織縱向渦流（滾流），結(jié)合高壓噴射（>5Mp),實現(xiàn)分層稀燒；,3、部分負荷采用分層稀燃，滿負荷采用均質(zhì)燃燒，滿足低油耗、低排放和高動力的需求；,4、HC排放較高，而三元催化劑開發(fā)難度大

31、，噴油器設計制造復雜，成本高。,56,（1）三菱GDI直噴系統(tǒng)：,工作原理：,a、小負荷,只在壓縮終了時噴油，實現(xiàn)分層超稀薄燃燒。,小負荷時工作過程,57,采用兩段混合分層燃燒（在進氣和壓縮過程中進行兩次噴油）。,b、中等負荷,中等負荷時工作過程,只在進氣過程中進行噴油，實現(xiàn)均質(zhì)燃燒。,c、滿負荷,滿負荷時工作過程,58,（2）大眾FSI直噴系統(tǒng)：,,工作原理：,a、部分負荷,采用兩段混合，實現(xiàn)分層稀燃。,部分負荷時工作原理,b、滿負荷

32、,只在進氣過程中噴油，實現(xiàn)均質(zhì)燃燒。,滿負荷時工作原理,59,（3）本田CIVIC直噴系統(tǒng)：,噴油器,火花塞,活塞,,,,,工作原理：,中、小負荷時，在壓縮終了時噴射，確?；鸹ㄈ浇旌蠚廨^濃；滿負荷時，在進氣過程中噴射。,60,本田CIVIC直噴發(fā)動機 部分負荷工作視頻,本田CIVIC直噴發(fā)動機 滿負荷工作視頻,61,1、說明汽油機燃燒過程的各階段特點，以及對它們的要求。,復習思考題：,2、什么上爆燃？什么是表面點火？簡述它們的區(qū)