第五章 汽油机混合气的形成和燃烧

1、第五章第五章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 5-1 汽油机混合气形成及热功转换特点汽油机混合气形成及热功转换特点 5-2 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程 5-3 汽油机燃料喷射量的控制汽油机燃料喷射量的控制 5-4 汽油机燃烧组织方式及燃烧室汽油机燃烧组织方式及燃烧室 5-4 汽油机的有害排放物及其控制汽油机的有害排放物及其控制 河河 南南 理理 工工 大大 学学 内燃机实现热功转换的关键问题内燃机实现热功转换的关键问题 ：混合气形成方式：混合气形成方式 着火方式着火方式 石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源 汽油的特点，确定其混合

2、气形成方式和着火方式汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式 挥发性好挥发性好外部混合气形成法外部混合气形成法均匀可燃混合气均匀可燃混合气 点燃温度低点燃温度低强制点强制点燃燃火焰传播燃烧火焰传播燃烧方式方式 问题：限制压缩比问题：限制压缩比过高均匀混合气易爆燃；过高均匀混合气易爆燃； 所以，热效率低所以，热效率低 5-1 汽油机混合气形成及热功转换特点汽油机混合气形成及热功转换特点 河河 南南 理理 工工 大大 学学 一、外部混合气形成特点一、外部混合气形成特点 燃料喷射方式分为：化油器和电控喷射两种方式燃料喷射方式分为：化油器和电控喷射两种方式 1）化油器式混合气形成原理及特点）化油器式

3、混合气形成原理及特点 混合气形成基本原理：混合气形成基本原理： 利用空气动力学利用空气动力学 设置喉管设置喉管加快气流速度加快气流速度 产生喉管真空度产生喉管真空度喷油；喷油； 高速空气高速空气冲散、雾化、蒸发冲散、雾化、蒸发 喉管喉管 浮子室浮子室 高速气流高速气流 河河 南南 理理 工工 大大 学学 这种混合气形成方式存在的问题：这种混合气形成方式存在的问题： 喉管节流：进气阻力喉管节流：进气阻力 ，泵气损失，泵气损失 ， c ，结冰；，结冰； 多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各 缸不均匀性较大；缸不均匀性较大； 空燃比控制精度空燃比控

4、制精度 不能满足现代节能与排放法规的要求不能满足现代节能与排放法规的要求淘汰淘汰 被电控汽油喷射技术替代被电控汽油喷射技术替代 河河 南南 理理 工工 大大 学学 （1）汽车电子技术发展背景）汽车电子技术发展背景 社会要求：社会要求： 2）电控汽油喷射（）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成）式混合气形成 航空技术的发展航空技术的发展化油器结冰成为致命缺陷化油器结冰成为致命缺陷 1930年德国因战争需要着手开发机械式喷射系统年德国因战争需要着手开发机械式喷射系统 但燃料系统改成机械喷射式成本高，安装不方便但燃料系统改成机械喷射式成本高，安装不方便 为降低成本着手开发电控式汽油喷射系统为降低成本着

5、手开发电控式汽油喷射系统 1945年洛杉矶烟雾事件；年洛杉矶烟雾事件；1960年制定年制定/1965年实施排放年实施排放 法规法规重视排放控制技术重视排放控制技术空燃比的控制精度空燃比的控制精度 1883年戴姆勒发明年戴姆勒发明 轻便快速汽油机轻便快速汽油机广泛应用广泛应用 河河 南南 理理 工工 大大 学学 技术支撑：技术支撑：半导体技术的发展及应用半导体技术的发展及应用 1948年晶体管发明，年晶体管发明，1957年实用化；年实用化；1958年发明集年发明集 成（成（IC）电路）电路促进汽车电子技术的发展促进汽车电子技术的发展 1970年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规；年后基于美国

6、发布安全、排放、油耗三大法规； 1971年微机问世年微机问世使汽车电子控制技术迅速发展使汽车电子控制技术迅速发展 1972年博世公司开发年博世公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统型质量流量式电控汽油喷射系统 1976年年GM公司率先将微机技术应用于点火时期的控制上公司率先将微机技术应用于点火时期的控制上 控制技术由模拟控制向数字控制化发展控制技术由模拟控制向数字控制化发展 1977年日产年日产/丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制 1980年三菱电机公司推出卡门涡式空气流量计；年三菱电机公司推出卡门涡式空气流量计；1981 年博世年博世/日立制作所推出

7、热线式空气流量计日立制作所推出热线式空气流量计 电控汽油喷射技术逐渐成熟电控汽油喷射技术逐渐成熟 河河 南南 理理 工工 大大 学学 电控汽油喷射的主要优点：电控汽油喷射的主要优点： 1提高了控制自由度。提高了控制自由度。减小进气阻力，改善各减小进气阻力，改善各 缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计最最 大限度地提高充气效率。大限度地提高充气效率。 2提高空燃比的控制精度。提高空燃比的控制精度。改善经济性，且配改善经济性，且配 合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。 3因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件。故改

8、因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件。故改 善发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。善发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。 在现代汽车中占主导地位在现代汽车中占主导地位 河河 南南 理理 工工 大大 学学 （2）电控汽油喷射（）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点）式混合气形成特点 进入气缸的空气量和燃料量分别控制：进入气缸的空气量和燃料量分别控制： 空气量空气量空气流量计空气流量计驾驶员控制；驾驶员控制； 燃料喷射量燃料喷射量目标空燃比目标空燃比ECU控制。控制。 电控汽油喷射需要解决的主要问题：电控汽油喷射需要解决的主要问题： 根据不同工况下进入气缸的空气量，如何根据不同工况下进入气

9、缸的空气量，如何 精确控制燃料喷射量精确控制燃料喷射量控制最佳混合气浓度。控制最佳混合气浓度。 关键问题：关键问题： 确定不同工况下的目标空燃比；确定不同工况下的目标空燃比； 精确控制燃料喷射量。精确控制燃料喷射量。 需要精确测量进入气缸的空气量需要精确测量进入气缸的空气量 河河 南南 理理 工工 大大 学学 电控汽油喷射系统对混合气的控制主要体现在：电控汽油喷射系统对混合气的控制主要体现在： 由台架试验由台架试验,事先确定不同工况对应的最佳空然比及其事先确定不同工况对应的最佳空然比及其 影响因素影响因素制成控制脉谱图，存储于制成控制脉谱图，存储于ECU的的ROM中。中。 由专门进气流量测量装

10、置，测量每一工况进入气缸的由专门进气流量测量装置，测量每一工况进入气缸的 空气量，作为控制喷油量的主要依据。空气量，作为控制喷油量的主要依据。 ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、 燃油喷射量；燃油喷射量；控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压 力喷射雾化，完成混合气的形成过程。力喷射雾化，完成混合气的形成过程。 质量流量计、进气压力传感器质量流量计、进气压力传感器/ / 温度传感器以及转速传感器温度传感器以及转速传感器 河河 南南 理理 工工 大大 学学 由控制目的不同，由控制目的不同，GDI系统混合气形成特点不

11、同：系统混合气形成特点不同： 用三效催化转化器降低排放角度用三效催化转化器降低排放角度均质的理论混均质的理论混 合气为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用合气为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用 缸内适当气流形成均匀混合气。缸内适当气流形成均匀混合气。 控制法与控制法与PFI同同 以节能为目的组织稀薄燃烧过程时，需要在气缸以节能为目的组织稀薄燃烧过程时，需要在气缸 内形成内形成A/F的梯度分布的梯度分布 缸内滚流缸内滚流+喷射时刻（压喷射时刻（压 缩）；喷射压力为缩）；喷射压力为25MPa的旋流式喷油器的旋流式喷油器 GDI混合气形成特点：混合气形成特点：无进气道黏附油膜现象，无进气道黏

12、附油膜现象， 节省额外耗油，节省额外耗油， 起动性、响应性及起动性、响应性及A/F的的精确精确控制控制 缸内雾化、气化吸热缸内雾化、气化吸热有利于有利于 充气效率。充气效率。 二、缸内直喷（二、缸内直喷（GDI）式混合气形成）式混合气形成 河河 南南 理理 工工 大大 学学 三、空燃比与发动机性能的关系三、空燃比与发动机性能的关系 1）空燃比对发动机性能的影响）空燃比对发动机性能的影响 理论上：理论上： a=1时完全燃烧，时完全燃烧， 实际上：实际上： a=1.031.1时接近完全燃烧时接近完全燃烧 因缸内混因缸内混 合气非均匀；残余废气稀释作用直接影响燃烧。合气非均匀；残余废气稀释作用直接影

13、响燃烧。 称此混合气为经济混合气称此混合气为经济混合气 ab。 a1.031.1时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小， 放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、动力性、 经济性下降，经济性下降，NOx排放也降低。排放也降低。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 a =1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；时：混合气过稀，燃料分子间距增大； 氧化速率氧化速率 ，放热，放热散热散热 热量不能积累；热量不能积累； 火焰难传播而熄火。火焰难传播而熄火。 称该空燃比为着火下限。称该空燃比为着火下限。 a =0.80.9时：燃料

14、密度相对较高，氧气浓度足够时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够 燃烧速率最快，热损失最小燃烧速率最快，热损失最小 动力性最好。动力性最好。 称此混合气为功率混合气称此混合气为功率混合气 aP。 但但因不完全燃烧因不完全燃烧 、CO、HC t 河河 南南 理理 工工 大大 学学 a40mJ; 作用：形成火焰中心作用：形成火焰中心使火焰传播。使火焰传播。 要求：尽可能短、稳定。要求：尽可能短、稳定。 影响因素：燃料特性和影响因素：燃料特性和 a， 缸内缸内T、p，气流强度，气流强度， 点火能量，残余废气量点火能量，残余废气量 河河 南南 理理 工工 大大 学学 (1) 燃料特性和燃料特性和 a：碳链

15、长的烷烃类成分越多，自碳链长的烷烃类成分越多，自 然性越好，然性越好， i越短。当越短。当 a=0.80.9时时，反应速率，反应速率 最快，最快， i最短。最短。 (2)点火时刻气缸内的点火时刻气缸内的p和和T： 越高，越高，p( )和和T越高越高 反应速度越快反应速度越快 i 。但。但 受爆震限制。受爆震限制。 (3) r：残余废气是惰性气体，其热容高。残余废气是惰性气体，其热容高。 r ，化，化 学反应速度学反应速度 ， i 。 (4)缸内气流强度：缸内气流缸内气流强度：缸内气流使使火焰中心偏离电火焰中心偏离电 极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰

16、中心散热损 失就增加，失就增加， i 。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 (5)点火能量：点火能量： 点火能量，电极间隙处的混合气更点火能量，电极间隙处的混合气更 容易击穿而导通容易击穿而导通i 。 p 蓄电池蓄电池-点火线圈式点火系统的点火能量：与初级点火线圈式点火系统的点火能量：与初级 电流切断之前初级线圈所储蓄的能量电流切断之前初级线圈所储蓄的能量E成正比。即成正比。即 2 2 11i L E )1 ( 1 1 1 1 t L R e R V i 其中，其中，L1：初级线圈自感系数；：初级线圈自感系数；i1：初级电流：初级电流 ； V：线圈两端电压，：线圈两端电压，R1：初级线圈的阻

17、抗；：初级线圈的阻抗； t：通电时间：通电时间 河河 南南 理理 工工 大大 学学 第第II阶段：明显燃烧期，从阶段：明显燃烧期，从2点点p最高最高(3)点点 特点：特点： 火焰传遍整个燃烧室火焰传遍整个燃烧室 火焰传播速度取决于：层流火焰速度；火焰传播速度取决于：层流火焰速度； 混合气紊流状态；混合气紊流状态； 燃烧室形状。燃烧室形状。 压力急剧升高，用压力升高率评价：压力急剧升高，用压力升高率评价： 明显燃烧期越短，燃烧越快明显燃烧期越短，燃烧越快(等容等容)，经济性、动力性，经济性、动力性 愈好；但愈好；但dp/d 高高噪声振动大，粗暴。噪声振动大，粗暴。 /25. 017. 0MPa

18、d dp 河河 南南 理理 工工 大大 学学 第三阶段：后燃期，第三阶段：后燃期，3点点4点，前阶段未燃分解物点，前阶段未燃分解物 在膨胀过程中再次氧化的过程。在膨胀过程中再次氧化的过程。 来源：缸壁附近，缝隙处，高温分解物等来源：缸壁附近，缝隙处，高温分解物等 后燃越多，排温越高；热效率后燃越多，排温越高；热效率 要求：尽量减少。要求：尽量减少。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 p燃烧过程的主要参数：燃烧过程的主要参数： 1pz及其对应曲轴转角及其对应曲轴转角 功率最大功率最大功率混合气功率混合气 a =1.051.15时，时，UT降低不多降低不多 且有足够氧，促进完全燃烧且有足够氧，促

19、进完全燃烧 经济性最好经济性最好经济混合气经济混合气 a过大，过大， SL太慢，热效率低太慢，热效率低 a 1.31.4时，不能传播，火焰传播下限；时，不能传播，火焰传播下限； a t2 t1：点火开始到火焰传播到末端气体所需时间；：点火开始到火焰传播到末端气体所需时间； t2：点火开始到末端气体自燃所经历时间。：点火开始到末端气体自燃所经历时间。 一切使一切使t1延长、延长、t2缩短的因素，均使爆燃倾向缩短的因素，均使爆燃倾向 外部现象：金属敲击声外部现象：金属敲击声冲击波撞击缸壁；冲击波撞击缸壁； 冷却系过热冷却系过热破坏缸壁表面覆面层破坏缸壁表面覆面层 正常燃烧正常燃烧 轻微爆燃轻微爆燃

20、 严重爆燃严重爆燃 河河 南南 理理 工工 大大 学学 影响爆燃因素：影响爆燃因素： 燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强 末端气体状态：末端气体状态：p、T高，易自燃高，易自燃爆燃倾向爆燃倾向 ； 如压缩比如压缩比 或增压或增压 负荷转速：负荷转速：n ，传播速度，传播速度 ，爆燃倾向爆燃倾向 ； 低速大负荷低速大负荷相反，相反，爆燃倾向爆燃倾向 缸径缸径D：D ，传播距离长，传播距离长，爆燃倾向爆燃倾向 。 故汽油机限制大缸径发动机故汽油机限制大缸径发动机 功率覆盖范围受限制。功率覆盖范围受限制。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2）表面点火）表面点火 炽热表面

21、：排气门炽热表面：排气门/火花塞裙火花塞裙 部部/积炭等沉积物。积炭等沉积物。 特点：点火时刻不可控制。特点：点火时刻不可控制。 早燃：表面点火发生在正常早燃：表面点火发生在正常 点火之前；点火之前； 工作粗暴，诱发爆燃；工作粗暴，诱发爆燃； 无压力冲击波，低频沉闷声。无压力冲击波，低频沉闷声。 后燃：表面点火发生在正常后燃：表面点火发生在正常 点火之后。点火之后。 指不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内部炽热表面指不依靠火花塞点火，而是由燃烧室内部炽热表面 点燃混合气的现象。点燃混合气的现象。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 1）空燃比）空燃比 a a=0.80.9时，燃烧速度最大时，燃烧速

22、度最大 Pe、Tz、dp/d Max; a=1.051.15时，完全燃烧，时，完全燃烧， beMin，NOxMax； a1时时，O2不足，不足，CO ； a1.15时，燃烧速度慢，时，燃烧速度慢， 部分燃料来不及完全燃烧部分燃料来不及完全燃烧; be ，HC 四、使用因素对燃烧过程的影响四、使用因素对燃烧过程的影响 结论：均质混合气结论：均质混合气 a对对燃烧过燃烧过 程影响很大，必须严格控制。程影响很大，必须严格控制。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2）点火提前角：）点火提前角： 指火花塞点火时刻到上止点的曲轴转角。指火花塞点火时刻到上止点的曲轴转角。 不同点火提前角对燃烧过程影响：不

23、同点火提前角对燃烧过程影响： 即每一工况存在最佳点火提前角即每一工况存在最佳点火提前角随工况变化随工况变化 最佳点火提前角：最佳点火提前角： Pe Max； be Min； 示功图面积最大。示功图面积最大。 ee PBb/1000 河河 南南 理理 工工 大大 学学 最佳点火时刻的确定方法最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。点火调整特性。 点火过早点火过早：压缩负功：压缩负功 ，pz ,T ,易爆燃；易爆燃； 点火过迟点火过迟：燃烧过程在膨胀线上延迟：燃烧过程在膨胀线上延迟传热传热 ， 排温排温 热效率热效率 3）负荷增加，节气门开度）负荷增加，节气门开度 ，m1 ， r减小；减小； 燃烧条件

24、得到改善，燃烧所需时间燃烧条件得到改善，燃烧所需时间t缩短缩短 对应曲轴转角减小对应曲轴转角减小最佳点火提前角最佳点火提前角 。 但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。 =6nt 河河 南南 理理 工工 大大 学学 4）转速）转速n：n ，缸内湍流强度，缸内湍流强度 ，火焰传播速度，火焰传播速度 ； 燃烧过程所占时间燃烧过程所占时间t缩短；缩短； 爆燃倾向爆燃倾向 。 但由但由 =6nt；随；随n ，t变化量很小，而变化量很小，而 ； 最佳点火提前角最佳点火提前角 。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 5.3 汽油机燃料喷射量的控制汽油机燃料

25、喷射量的控制 混合气形成方式：化油器，电控汽油喷系统：混合气形成方式：化油器，电控汽油喷系统： 一、电控汽油喷射系统一、电控汽油喷射系统(EFI) 1） EFI (Electronic Fuel Injection)的分类：的分类： 根据进气量的测试方式：分为三种：根据进气量的测试方式：分为三种： 质量流量式质量流量式 速度密度式：速度密度式： 节气门节气门-速度式速度式 ： 热线热线/热膜式热膜式 卡门涡式卡门涡式 板式板式 直接测量进直接测量进 气质量流量气质量流量 由由n和进气压力推和进气压力推 测进气流量测进气流量 节气门开度和节气门开度和n 推测进气流量推测进气流量 河河 南南 理理

26、 工工 大大 学学 根据喷射位置：分为两种根据喷射位置：分为两种 缸内直喷式（缸内直喷式（GDI） 进气管喷射式（进气管喷射式（PFI）：）： 根据喷油器的安装位置，根据喷油器的安装位置，PFI又分为又分为 单点喷射（单点喷射（SPI）淘汰淘汰 多点喷射（多点喷射（MPI） 主流主流 喷油器受燃气的高温、喷油器受燃气的高温、 高压的影响，而且在结高压的影响，而且在结 构设计以及布置上要求构设计以及布置上要求 保证喷油器的安装空间保证喷油器的安装空间 各缸喷油器独立各缸喷油器独立进气管设计自进气管设计自 由度大由度大改善各缸均匀性改善各缸均匀性 河河 南南 理理 工工 大大 学学 间歇式电控汽油

27、喷射系统分类：间歇式电控汽油喷射系统分类： 根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射 p同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定因此因此 与发动机转速同步；与发动机转速同步； 包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。 p非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一 种随机性喷射方式种随机性喷射方式用于起动、怠速或急加速等用于起动、怠速或急加速等 工况，工况， 过渡响应特性过渡响应特性 。 根据喷射压力根据喷射压力分为分为：高压喷射：高压喷射: 200kPa

28、 低压喷射：低压喷射：设定值时修正。设定值时修正。 修正条件修正条件 河河 南南 理理 工工 大大 学学 FTW：当负荷变化率相：当负荷变化率相 同时，若同时，若TW不同，因油不同，因油 膜蒸发量不同，膜蒸发量不同， a不同，不同， 故，需故，需修正。修正。 减速修正系数减速修正系数 FDC： 原因：减速时，随节气门开度原因：减速时，随节气门开度 ，进气量，进气量 ，进气压力，进气压力 ，管，管 内壁表面油膜蒸发内壁表面油膜蒸发 ， a变浓变浓 22 THWDLDC FFF 修正方法：与修正方法：与FAC相反相反 修正区及方向修正区及方向 河河 南南 理理 工工 大大 学学 氧传感器反馈修正系

29、数氧传感器反馈修正系数FO： 原因：汽油机用三效催化装置只在原因：汽油机用三效催化装置只在 a=1附近，才能附近，才能 同时净化同时净化CO、HC和和NOx三项有害排放物。三项有害排放物。 故，用故，用O2传感器反馈控制传感器反馈控制 a=1，提高，提高 a的控制精度的控制精度。 ZnO2氧传感氧传感 器输出特性器输出特性 修正方法：修正方法： a=1的正确判定的正确判定ECU反馈控制。反馈控制。 反馈控制反馈控制 目标目标A/F 河河 南南 理理 工工 大大 学学 学习控制修正系数学习控制修正系数FL： 原因：因发动机长原因：因发动机长 期使用一些零部件磨期使用一些零部件磨 损等使反馈控制的

30、空损等使反馈控制的空 燃比偏离目标值的部燃比偏离目标值的部 分，分， 控制精度控制精度 修正方法：三过程修正方法：三过程 a)学习过程：确定学习过程：确定量量 b)记忆过程：记忆记忆过程：记忆 c)实施过程：修正实施过程：修正 河河 南南 理理 工工 大大 学学 学习控制效果：学习控制效果： 过渡工况：反馈控过渡工况：反馈控 制无学习控制时制无学习控制时 加学习控制加学习控制 反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级；反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级； 发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能 实现理论空燃比的反馈控制。实现理论空燃比

31、的反馈控制。 学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制 河河 南南 理理 工工 大大 学学 大负荷高转速增量修正系数大负荷高转速增量修正系数FH： 原因：大负荷时，要求输出最大转矩原因：大负荷时，要求输出最大转矩需要功率需要功率 混合气混合气 a=0.850.95 。 修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态； 开度开度80%（设定值）时，停止反馈控制；（设定值）时，停止反馈控制； 取取FH=1.18，并开环控制。，并开环控制。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 三、速度密度式三、速度密度式 1进气量的推测

32、原理进气量的推测原理 由充气效率定义：进入气缸的空气质量：由充气效率定义：进入气缸的空气质量： vha VGRTp/进气管空气密度：进气管空气密度： va T p KG RVK h /: 即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，实实 时检测时检测进气压力和温度，进气压力和温度，求得求得Ga。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2喷油脉宽喷油脉宽Ti的确定：的确定： TFTT cpi ),( isfpkwac KKKKKKKfF 其其中中， Ka：进气温度修正系数；：进气温度修正系数； Kw：怠速暖车修正系数：怠速暖车修正系数; Kk：加减速修正系数；：

33、加减速修正系数； Kp：节气门开度修正系数；：节气门开度修正系数； Kf：反馈修正系数；：反馈修正系数； Ks：起动后增量修正及油耗控制修正系数；：起动后增量修正及油耗控制修正系数； Ki：怠速稳定修正系数。：怠速稳定修正系数。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 1）Tp的确定：三维脉谱法的确定：三维脉谱法 试验确定各工况下的充气效试验确定各工况下的充气效 率；并根据率；并根据n和进气压力和进气压力p， 标定各工况下的标定各工况下的Tp脉谱。脉谱。 任任E点点Tp：用：用4点插值法：点插值法： ; AB TAFTFB T pBpA pF CD TCGTGD T pDpC pG FG TEFT

34、EG T pGpF pE 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2）FC修正系数的确定修正系数的确定 进气温度修正系数进气温度修正系数Ka： 原因：因原因：因Tp是在进气温度是在进气温度Ta=20时标定。时标定。 当当Ta变化时，取变化时，取 1; )273( 293 20 a T a a a K T K 怠速暖车修正系数怠速暖车修正系数Kw: 与与FI相同相同 修正范围：修正范围：TW=-3090 ，一维脉谱形式。，一维脉谱形式。 一般：一般：TW70 时，时，Kw=1； TW30 时，时，Kw=1.2； TW-10 时，时，Kw=1.5 河河 南南 理理 工工 大大 学学 加减速修正系数加减

35、速修正系数Kk：修正原理基本与：修正原理基本与FAD相同。相同。 方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。 当其中某一项变化量当其中某一项变化量设定值时，根据超过设定值的设定值时，根据超过设定值的 该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同 时超过设定值时，修正系数取两者较大值。时超过设定值时，修正系数取两者较大值。 比较比较 河河 南南 理理 工工 大大 学学 节气门开度修正系数节气门开度修正系数Kp： 原因：修正原因：修正 v随节气门开度变化随节气门开度变化造成造成 a的偏差量的偏差量 修

36、正方法：修正方法：Kp=f(节气门开度节气门开度,n)的三维脉谱形式的三维脉谱形式; 设定节点之外，采用设定节点之外，采用4点插值法。点插值法。 又，当节气门开度又，当节气门开度某一设定值时，表示需要输出某一设定值时，表示需要输出 大功率大功率此时直接取此时直接取Kp=1.18。 反馈修正系数反馈修正系数Kf：与：与FO相同相同 Kf=1.20.8 起动、怠速、大负荷修正时起动、怠速、大负荷修正时,停止；并取停止；并取Kf=1 河河 南南 理理 工工 大大 学学 起动后增量修正系数和油耗修正系数起动后增量修正系数和油耗修正系数Ks： 起动后的增量修正：与起动后的增量修正：与 相同相同以以 HC

37、 g F 当当nn1(=400r/min)时，由当时的时，由当时的TWFg0=Ks0 后，随后，随n ， Ks。 油耗修正：指发动机轻负油耗修正：指发动机轻负 荷状态下运转时，将荷状态下运转时，将 a控制控制 在比在比 a=1稍微稀薄的范围，稍微稀薄的范围， 以达到改善油耗的目的。以达到改善油耗的目的。 Ks=1.030.97范围内时，范围内时， 从从Ks=1逐渐减小逐渐减小 河河 南南 理理 工工 大大 学学 怠速修正系数怠速修正系数Ki：速度：速度-密度式特有方式。密度式特有方式。 原因：这种方式原因：这种方式Tp是通过进气压力确定；而在过是通过进气压力确定；而在过 渡工况下进气压力的变化

38、相对渡工况下进气压力的变化相对n的变化有迟后现象的变化有迟后现象 当节气门下游进气容当节气门下游进气容 积积 ，或怠速，或怠速n 时，时， 这种响应迟后现象更这种响应迟后现象更 为严重。为严重。 措施：由措施：由Ks与转与转 矩变动相反方向矩变动相反方向 进行进行 a的修正的修正 消除转矩变动消除转矩变动 河河 南南 理理 工工 大大 学学 一、对燃烧室的基本要求一、对燃烧室的基本要求 燃烧室结构形状燃烧室结构形状 影响混合气形成、火焰传播、放影响混合气形成、火焰传播、放 热规律、传热损失以及爆燃倾向。热规律、传热损失以及爆燃倾向。 5.4 汽油机燃烧组织方式及燃烧室汽油机燃烧组织方式及燃烧室

39、 所以，要求：所以，要求： 1) 结构要紧凑结构要紧凑面容比面容比A/V：表征火焰传播距离、：表征火焰传播距离、 散热面积以及熄火面积散热面积以及熄火面积 ； 2) 良好的充气性能良好的充气性能燃烧室的形状和进气门燃烧室的形状和进气门/进气进气 道布置道布置流通面积，流通面积， 进气阻力进气阻力 河河 南南 理理 工工 大大 学学 3) 火花塞位置火花塞位置缩短火焰传播距离缩短火焰传播距离 排气道排气道 双火花塞，双火花塞， 抗爆性抗爆性 4) 燃烧室形状与气流的燃烧室形状与气流的 流动流动 通过火焰前锋面积，通过火焰前锋面积， 控制燃烧速率和放控制燃烧速率和放 热速率热速率 进气道进气道 河

40、河 南南 理理 工工 大大 学学 二、燃烧室内的气流特性二、燃烧室内的气流特性 p燃烧室内宏观气流运动特性的定义：燃烧室内宏观气流运动特性的定义： 涡流：绕气缸中心线涡流：绕气缸中心线 （z轴）旋转的气流轴）旋转的气流 滚流：绕滚流：绕于气缸于气缸 中心线与缸心距构成中心线与缸心距构成 的面的面(y轴轴)旋转的气流旋转的气流 侧滚流：绕侧滚流：绕气气 缸中心线与缸心距缸中心线与缸心距 构成面（构成面（x轴）旋轴）旋 转的气流转的气流 河河 南南 理理 工工 大大 学学 p组织燃烧室内气流的方式组织燃烧室内气流的方式: 进气系统和燃烧室形状配合进气系统和燃烧室形状配合进气涡流方式进气涡流方式;

41、通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式 涡流强度涡流强度螺旋进气道，螺旋进气道， 进气阻力，进气阻力， c为代价，为代价， 且在压缩过程中衰减。且在压缩过程中衰减。 故需随负荷可变控制故需随负荷可变控制 多气门涡流多气门涡流 可变方式可变方式 大负荷时大负荷时 小负荷时小负荷时 河河 南南 理理 工工 大大 学学 三、典型燃烧室三、典型燃烧室 楔形：结构较紧楔形：结构较紧 凑、火焰传播距离凑、火焰传播距离 短，挤气面较大短，挤气面较大 半球形：结构紧凑，半球形：结构紧凑， A/V值小火焰传播距离值小火焰传播距离 最短初期燃烧速率快最短初期燃烧速率快 浴盆形

42、：椭圆形挤浴盆形：椭圆形挤 气效果差，气效果差，A/V值大，值大， 火焰传播距离长火焰传播距离长 碗形：结构紧凑，火焰传碗形：结构紧凑，火焰传 播距离短，挤气效果好燃播距离短，挤气效果好燃 烧室的烧室的A/V较大，散热损失较大，散热损失 活塞顶上的回转体活塞顶上的回转体 河河 南南 理理 工工 大大 学学 四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统 1）分层燃烧）分层燃烧 均匀混合气燃烧特点：均匀混合气燃烧特点：A/F变化范围窄变化范围窄(12.617)， 且在较高温度下易爆燃且在较高温度下易爆燃限制限制 t ; 分层给气燃烧的特点：缸内形成分层给气燃烧的特点：缸内形

43、成A/F梯度分布梯度分布; 火花塞附近较浓火花塞附近较浓可靠点燃可靠点燃 ； A/F梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配 合实现。合实现。 分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为 进气道喷射式和缸内直喷式两种进气道喷射式和缸内直喷式两种 。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 （1）进气道喷射式分层给气燃烧方式）进气道喷射式分层给气燃烧方式 根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式 横向分层燃烧方式横向分层燃烧方式 1轴向分层稀薄燃烧轴向分层稀薄燃烧 关键技术：喷射时期与缸

44、内气流的匹配关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配A/F可达可达22 晚喷，配合缸内强列涡流，实现晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布的轴向梯度分布 进气初期只有进气初期只有 空气进入气缸空气进入气缸 强烈涡流强烈涡流 气门达气门达hmax时喷油，靠时喷油，靠 涡流涡流上浓下稀分层上浓下稀分层 径向分量径向分量轴向分轴向分 量量轴向分层轴向分层 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2横向分层稀薄燃烧横向分层稀薄燃烧 利用利用4气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶 结构形状，形成滚流。结构形状，形成滚流。 喷油器安装在进气支喷油器安装在进气支 管上

45、，向两个进气门之管上，向两个进气门之 间喷油，火花塞布置在间喷油，火花塞布置在 气缸中央气缸中央 在滚流的引导下浓混合气经在滚流的引导下浓混合气经 过火花塞；而火花塞两侧为纯过火花塞；而火花塞两侧为纯 空气空气形成以火花塞为中心的形成以火花塞为中心的 横向混合气浓度梯度分布横向混合气浓度梯度分布 A/F=23，经济性，经济性 68%，NOx 80% 河河 南南 理理 工工 大大 学学 (2) 缸内直喷（缸内直喷（GDI）式稀薄燃烧）式稀薄燃烧 GDI燃烧系统与燃烧系统与PFI的比较的比较 pPFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃 范围有限。范围有限。

46、 pGDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内 喷油。喷油。更容易控制缸内混合气形成。更容易控制缸内混合气形成。 通过喷射时期的通过喷射时期的 控制可实现均质控制可实现均质 混合气燃烧、分混合气燃烧、分 层稀薄燃烧以及层稀薄燃烧以及 HCCI 河河 南南 理理 工工 大大 学学 1GDI混合气形成机理混合气形成机理 关键技术：进气系统和燃烧室形状关键技术：进气系统和燃烧室形状缸内滚流；缸内滚流； 高压喷射高压喷射控制喷雾与缸内气流配合；控制喷雾与缸内气流配合； 火花塞及喷射位置匹配火花塞及喷射位置匹配 分层混合气的形成方式分层混合气的形成方式 3 5MP

47、a 喷油器中央布置喷油器中央布置+涡流涡流 火花塞中央布置火花塞中央布置+涡流涡流 滚流为主滚流为主 挤流为主挤流为主 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2GDI燃烧方式的特点燃烧方式的特点 气缸压力气缸压力推迟点火提前角，放热速率推迟点火提前角，放热速率 ，放热，放热 持续时间持续时间 质调节，取消节气门质调节，取消节气门泵气损失泵气损失 。 油雾缸内蒸发油雾缸内蒸发燃烧室壁面燃烧室壁面T ，传热损失，传热损失 。 c， ， t。 分层混合燃烧，外围稀混合气或空气对火焰起隔分层混合燃烧，外围稀混合气或空气对火焰起隔 热作用，热作用， 传热损失。传热损失。 混合气易分层混合气易分层稳定分层稀

48、燃稳定分层稀燃接近空气循环。接近空气循环。 A/F控制及过渡工况控制更精确。控制及过渡工况控制更精确。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 p因车用发动机不同工况对因车用发动机不同工况对A/F要求不同要求不同稀燃工稀燃工 况范围只限于中小负荷区。况范围只限于中小负荷区。 大负荷或全负荷大负荷或全负荷 区：进气行程中喷区：进气行程中喷 油油目标空燃比目标空燃比 实现实现均匀混合气均匀混合气 在中小负荷区：压在中小负荷区：压 缩行程后期喷油缩行程后期喷油 上浓下稀的分层混上浓下稀的分层混 合气。合气。 河河 南南 理理 工工 大大 学学 螺旋进气道螺旋进气道 或导气屏或导气屏 进气涡流进气涡流 顺

49、着气流喷油，顺着气流喷油， 喷射压力喷射压力 2MPa 气流外缘形成较浓混合气流外缘形成较浓混合 气气火花塞安装火花塞安装 位置位置 3典型的典型的GDI分层稀燃系统分层稀燃系统 TCCS燃烧系统（燃烧系统（Texaco controlled combustion process） 燃气体和未燃气体和未 燃气体靠密燃气体靠密 度差分离度差分离 河河 南南 理理 工工 大大 学学 GDI滚流分层稀燃系统滚流分层稀燃系统 三菱三菱4G型汽油机：型汽油机： 早喷射早喷射 晚喷射晚喷射 纵向直进气道纵向直进气道+半球形半球形 燃烧室燃烧室强烈的反滚强烈的反滚 流流与喷雾配合，分与喷雾配合，分 层层A/

50、F=40， =12 丰田丰田D4型汽油机：型汽油机： 通过喷射方式的有效控制通过喷射方式的有效控制 和燃烧室内涡流的优化匹和燃烧室内涡流的优化匹 配配实现实现A/F=50稳定燃烧稳定燃烧 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2）稀薄燃烧控制）稀薄燃烧控制 主要控制目的：主要控制目的： 精确控制精确控制A/F，使，使 汽车百公里油耗最汽车百公里油耗最 低；同时降低排放低；同时降低排放 关键技术：关键技术：A/F 精确控制在精确控制在 Ttq允允 许的范围内许的范围内 河河 南南 理理 工工 大大 学学 控制方法控制方法 p空燃比反馈控制法：由空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈控制。传感器反馈控

51、制。 空燃比传感器空燃比传感器在在ZrO2固体上施加电压时，固体上施加电压时， 产生与排气中的产生与排气中的O2浓度成比例的浓度成比例的O2离子的移离子的移 动，从而形成电流，即动，从而形成电流，即 p p lT ApDC I O O 2 2 1 1 ln 0 河河 南南 理理 工工 大大 学学 p气缸压力反馈控制法：气缸压力反馈控制法： 通过气缸压力传感器通过气缸压力传感器检测每循环缸压检测每循环缸压求求 TtqA/F反馈控制反馈控制使使 Ttq限制在允许范围内限制在允许范围内 步骤：步骤： 规定曲轴位置上测缸压规定曲轴位置上测缸压p；N循环循环 求求Ttq 、 Ttq 4 1 443322

52、11 i iitqj papapapapaT tq N j tqjtqjtq TTT N T 2 1 1 1 河河 南南 理理 工工 大大 学学 一、汽油机有害排放物及其产生机理一、汽油机有害排放物及其产生机理 汽油机的有害排放物：排气中的汽油机的有害排放物：排气中的CO、HC、NOx、 CO2；曲轴箱通风向大气排出的；曲轴箱通风向大气排出的HC；燃料供给系；燃料供给系 中因燃料蒸发而散发出去的中因燃料蒸发而散发出去的HC等。等。 污染物来源不同，措施不同：污染物来源不同，措施不同： 尾气排放尾气排放燃烧系统改进燃烧系统改进+后处理技术；后处理技术； 曲轴箱通风曲轴箱通风PCV阀阀回流到进气管

53、；回流到进气管； 燃料供给系蒸发物燃料供给系蒸发物活性碳罐吸收装置来控制活性碳罐吸收装置来控制 5.5 汽油机的有害排放物及其控制汽油机的有害排放物及其控制 河河 南南 理理 工工 大大 学学 活性碳罐吸收装置活性碳罐吸收装置 用活性碳罐吸附燃用活性碳罐吸附燃 油系统的蒸发物；油系统的蒸发物； 在进气过程中随情在进气过程中随情 系空气进入气缸。系空气进入气缸。 活性炭活性炭 活性活性 炭罐炭罐 单向阀单向阀 河河 南南 理理 工工 大大 学学 产生机理：产生机理：N2和和O2在高温下化合的结果在高温下化合的结果 Zeldovich机理机理: 因素及措施：因素及措施：O2浓度，燃烧温度浓度，燃烧

54、温度Tz，燃烧反应时间，燃烧反应时间 控制控制NO的基本原则：的基本原则： 减小混合气中减小混合气中O2（或（或N2 ）的含量；）的含量； 尽可能降低燃烧温度；尽可能降低燃烧温度； 缩短在高温燃烧带内滞留的时间。缩短在高温燃烧带内滞留的时间。 扩大HNOOHN ONOON NNOON 2 2 N2分解需较大活分解需较大活 化能化能决定决定NO形形 成的高温条件成的高温条件 O在在NO形成中起活形成中起活 化链作用，所需活化链作用，所需活 化能小，反应快化能小，反应快 1）NO 河河 南南 理理 工工 大大 学学 危害：危害： NO2 是刺激性毒气是刺激性毒气; NOx破坏破坏O3层平衡层平衡;

55、 NOx与与HC一起在太阳光照射下形成由臭氧、一起在太阳光照射下形成由臭氧、NO、 甲醛、乙醛等组成的光化学烟雾。甲醛、乙醛等组成的光化学烟雾。 测量方法测量方法: 化学发光法化学发光法(CLD) 1）NO 河河 南南 理理 工工 大大 学学 2）CO 1产生机理及影响因素产生机理及影响因素 C/H不完全燃烧产物不完全燃烧产物受反应速度、温度及受反应速度、温度及 a的的影响影响 在在 a 1下燃烧时局部不均匀下燃烧时局部不均匀局部燃烧不完全局部燃烧不完全CO 排气中，未燃碳氢化合物排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化不完全氧化少量少量CO 2危害：与血红素的结合能力强，是氧的危害：与血红素的结

56、合能力强，是氧的300倍；倍； 破坏造血功能破坏造血功能中毒中毒死亡死亡(0.3%) 3. 测量方法：不分光红外线分析仪（测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR） 河河 南南 理理 工工 大大 学学 3）HC 1HC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素 来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风 汽油机燃烧过程中汽油机燃烧过程中HC的生成：的生成： 缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用 缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效 应应 生成大量生成大量HC 缝隙：活塞与缸壁间，缸盖、缸垫和缸体间；缝隙：活塞与缸壁间，缸盖、缸垫和缸体间； 进、排气门和气门座间；进、排气门和气门座间； 火花塞螺纹处和火花塞中心电极周围等处火花塞螺纹处和火花塞中心电极周围等处 河河 南南 理理 工工 大大 学学