汽车发动机原理8章2(王建昕)

1、Department of Automotive EngineeringTsinghua University主要内容：主要内容：p汽油机的燃烧过程及其特点汽油机的燃烧过程及其特点p汽油机的不正常燃烧汽油机的不正常燃烧p汽油机的混合气形成汽油机的混合气形成p汽油机燃烧室及其特性汽油机燃烧室及其特性p汽油机电子控制系统与控制技术汽油机电子控制系统与控制技术p稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.3 汽油机混合气形成汽油机混合气形成8.

2、3.1 8.3.1 对汽油机混合气形成的基本要求对汽油机混合气形成的基本要求 ：（1）形成均质混合气）形成均质混合气 （2）具有良好的响应特性）具有良好的响应特性 （3）适应不同工况的混合气浓度要求）适应不同工况的混合气浓度要求主要的主要的“三种混合气浓度三种混合气浓度” 功率混合气：功率混合气： a=0.850.95 经济混合气：经济混合气： a=1.11.2 排放混合气排放混合气 ：a=1.0 Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.3.2 8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类汽油机燃油雾化方式分类化油器式化油器式 （

3、1 1）化油器（）化油器（CarburetorCarburetor）（2 2）进气道喷射（）进气道喷射（PFIPFI，Port Fuel InjectionPort Fuel Injection）（3 3）缸内直接喷射（）缸内直接喷射（GDIGDI，Gasoline Direct InjectionGasoline Direct Injection） 多点喷射多点喷射 缸内直喷缸内直喷 Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.3.2 8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类汽油机燃油雾化方式分类缸内直喷（缸内直喷（GDI） 进

4、气道多点喷射（进气道多点喷射（PFI） 以下主要介绍以下主要介绍PFIPFI汽油机雾化，汽油机雾化，GDIGDI汽油机将在下节课介绍。汽油机将在下节课介绍。Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成汽油机混合气形成轴针型喷嘴：轴针型喷嘴：锥形喷雾，雾化效果好锥形喷雾，雾化效果好单孔型喷嘴：单孔型喷嘴：单束喷雾，油束锥角小单束喷雾，油束锥角小多孔喷嘴：多孔喷嘴：多束喷雾，雾化效果好多束喷雾，雾化效果好双喷雾型喷嘴：双喷雾型喷嘴：喷雾分成两束，在四气门发动机喷雾分成两束，在四气门

5、发动机中将燃油分别喷入两个进气道中。中将燃油分别喷入两个进气道中。 采用电磁阀喷油器，采用电磁阀喷油器，喷油压力一般为中低喷油压力一般为中低压力压力（0.30.31.5MPa1.5MPa），），喷射方向一般指向进喷射方向一般指向进气阀背中央。气阀背中央。1 1、喷油器与喷油雾化、喷油器与喷油雾化Department of Automotive EngineeringTsinghua University 混合气形成过程包含喷雾、液混合气形成过程包含喷雾、液滴的破碎滴的破碎- -蒸发、油束碰壁、油膜的蒸发、油束碰壁、油膜的蒸发蒸发- -剥离剥离- -流动，以及混合气的湍流动，以及混合气的湍流运动

6、。流运动。 以最具代表性的进气门关闭喷射（闭以最具代表性的进气门关闭喷射（闭阀喷射）为例，其混合气形成过程可分为阀喷射）为例，其混合气形成过程可分为两个阶段：两个阶段：p进气道中的喷油雾化蒸发进气道中的喷油雾化蒸发p缸内蒸发混合缸内蒸发混合 8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程Department of Automotive EngineeringTsinghua Universityp进气道中的喷油雾化蒸发进气道中的喷油雾化蒸发为延长蒸发混合时间，在进气门尚为延长蒸发混合时间，在进气门尚未开启时就进行汽油喷射，喷油未开启时就进行汽油喷射，喷油SMD一般

7、在一般在100400m范围；范围；喷射的汽油，一部分在空间直接汽喷射的汽油，一部分在空间直接汽化，一部分冲击到进气道壁面和进气化，一部分冲击到进气道壁面和进气阀背面（温度阀背面（温度100）形成油膜，）形成油膜，油膜蒸发形成汽油蒸汽；油膜蒸发形成汽油蒸汽；喷油结束至进气门开启时期中，进喷油结束至进气门开启时期中，进气阀附近存在大量高浓度汽油蒸汽和气阀附近存在大量高浓度汽油蒸汽和油滴。油滴。 mK-燃油喷射质量；燃油喷射质量；mD-直接进入气缸的燃油质量；直接进入气缸的燃油质量；mF-为壁面油膜质量；为壁面油膜质量；mV由油膜蒸发的燃油质量由油膜蒸发的燃油质量8.3.4 PFI8.3.4 PFI

8、汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程汽油进气道油膜蒸发示意图汽油进气道油膜蒸发示意图 Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程汽油机冷启动前汽油机冷启动前3 3个循环中的燃油分布个循环中的燃油分布（Takeda等，1995年） 正常工作时的进气道壁正常工作时的进气道壁面油膜质量尚未见具体数面油膜质量尚未见具体数据；据；以右图所示的冷启动时以右图所示的冷启动时测试结果可知，大部分燃测试结果可知，大部分燃油并未在本循环内进入气油并未在本循环内进入气缸

9、（一些资料认为，冷启缸（一些资料认为，冷启动时只有动时只有20%左右的燃油左右的燃油直接进入气缸）。直接进入气缸）。 Department of Automotive EngineeringTsinghua University进气过程进气过程 压缩过程压缩过程 进气门开启后，气门附近的浓混合气（油进气门开启后，气门附近的浓混合气（油蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀；入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀；随活塞下行和气门开启面积增大，进气流随活塞下行和气门开启面积增大，进气流速加快，使进气道内油膜蒸发速度加快；同速加快

10、，使进气道内油膜蒸发速度加快；同时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进燃料进一步汽化，并与空气混合；燃料进一步汽化，并与空气混合；8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程p缸内蒸发混合缸内蒸发混合进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促进燃油的蒸发与混合；进燃油的蒸发与混合；压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；压缩至上止点前，缸内混合气分布基本均匀；在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在

11、在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起。Department of Automotive EngineeringTsinghua University不同工况下喷油时刻不同工况下喷油时刻 发动机发动机MAP中的喷射策略中的喷射策略 怠速和中小负荷工况时，怠速和中小负荷工况时，采用闭阀喷射（图中采用闭阀喷射（图中和和），这是混合最均匀的），这是混合最均匀的理想方式；理想方式； 在较高转速和较高负荷在较高转速和较高负荷时，采用部分闭阀（开阀）时，采用部分闭阀（开阀）喷射，致使缸内混合气不喷射，致使缸

12、内混合气不均匀度增加，但有一定的均匀度增加，但有一定的冷却进气充量效果，如图冷却进气充量效果，如图中中； 高速大负荷时，喷油器高速大负荷时，喷油器几乎一直打开，以满足大几乎一直打开，以满足大喷油量的需求。喷油量的需求。8.3.4 PFI8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程汽油机混合气形成过程p缸内蒸发混合缸内蒸发混合Department of Automotive EngineeringTsinghua University 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。

13、失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。 8.4 PFI汽油机的燃烧室示例Department of Automotive EngineeringTsinghua University8.4 PFI8.4 PFI汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室（a a）浴盆形（）浴盆形（Bathtub typeBathtub type）燃烧室）燃烧室 形状像椭圆形浴盆，在双侧或单侧（右图）设置挤气面；形状像椭圆形浴盆，在双侧或单侧（右图）设置挤气面；Department of Automotive EngineeringTsinghua Universityn常见汽油机燃烧室常见汽油机燃烧室 ad

14、为最常用的燃烧室；为最常用的燃烧室； e的的“L型型”燃烧室是有代燃烧室是有代表性的旧型燃烧室；表性的旧型燃烧室； fh为有特色的燃烧室为有特色的燃烧室n汽油机为降低排放曾出现汽油机为降低排放曾出现过数十种燃烧室，但过数十种燃烧室，但TWCTWC普普及后，绝大多数采用及后，绝大多数采用d d的的4 4气气门蓬型燃室。门蓬型燃室。 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。 8.4 PFI汽油机的燃烧室Departm

15、ent of Automotive EngineeringTsinghua University8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则1 1、 结构紧凑结构紧凑紧凑性评价指标：紧凑性评价指标：F/V（表面积（表面积/容积）容积） F/V越小越好越小越好: 火焰传播距离短，避免爆燃，火焰传播距离短，避免爆燃， 可提高；可提高； 燃烧放热速率高，等容度提高，燃烧放热速率高，等容度提高， i高；高； 淬熄效应小，淬熄效应小，HC排放低；排放低； 散热损失小散热损失小对比：对比： L型燃室型燃室 67 4气门蓬型燃室气门蓬型燃室 810最不紧凑最不紧凑最紧凑最紧凑Depart

16、ment of Automotive EngineeringTsinghua University2 2、合理的几何形状、合理的几何形状 适宜的放热速率（如下图）适宜的放热速率（如下图） 廓线圆滑、避免尖凸部，以防止表面点火廓线圆滑、避免尖凸部，以防止表面点火 足够的进排气流通截面足够的进排气流通截面（如浴盆型与楔型的对比，气门直径，气道形状）（如浴盆型与楔型的对比，气门直径，气道形状）8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Department of Automotive EngineeringTsinghua University3 3、火花塞布置合理、火花塞布置合

17、理 火花塞至末端混合气的距离火花塞至末端混合气的距离最短，爆燃可能性小（蓬型）；最短，爆燃可能性小（蓬型）； 靠近高温炽热区布置，爆燃靠近高温炽热区布置，爆燃可能性小（火球型）；可能性小（火球型）； 便于扫气，以清扫废气，有便于扫气，以清扫废气，有利于起动及低速低负荷的工作稳利于起动及低速低负荷的工作稳定定日本车用汽油中，普通汽日本车用汽油中，普通汽油（油（RON=90）占）占70%以以上，但汽油机压缩比平均上，但汽油机压缩比平均比我国高比我国高12单位。单位。机械辛烷值提高机械辛烷值提高燃料辛烷值降低燃料辛烷值降低8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则D

18、epartment of Automotive EngineeringTsinghua University(4)(4)组织适当的气流运动组织适当的气流运动n气流运动方式：气流运动方式： 主要是主要是挤流挤流（如图剖面处，与淬熄层是一对矛盾）；（如图剖面处，与淬熄层是一对矛盾）； 其次是其次是进气涡流进气涡流（与柴油机不同，主要用于中低工况时）（与柴油机不同，主要用于中低工况时）挤流面挤流面8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Department of Automotive EngineeringTsinghua Universityn目的：目的：微观油

19、气混合更均匀微观油气混合更均匀形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度减小壁面淬熄层厚度以降低减小壁面淬熄层厚度以降低HC排放排放扫除火花塞处的废气扫除火花塞处的废气注意注意：气流运动过强无必要，反而增加流动和散热损失，使着火困难。：气流运动过强无必要，反而增加流动和散热损失，使着火困难。(5) 足够的进排气门流通截面足够的进排气门流通截面 以使提高以使提高v （提高功率），降低进气阻力（降低油耗）（提高功率），降低进气阻力（降低油耗）8.4.1 8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则汽油机燃烧室设计的基本原则Department of Automotive E

20、ngineeringTsinghua University8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析(1)浴盆形浴盆形（Bathtub type）n 特点特点 形状像椭圆形浴盆，在双侧形状像椭圆形浴盆，在双侧 （上图（上图6-8）或单侧（右图）设置挤气面；）或单侧（右图）设置挤气面；n 性能性能： F/V较大，火焰传播距离长，较大，火焰传播距离长， 7.5be较高，较高，pme不高，不高，NOx排放低排放低工作柔和，制造工艺好。工作柔和，制造工艺好。n 应用机型应用机型： 曾在我国广泛应用，北内曾在我国广泛应用，北内492Q( =7.2)、6100Q( =6.75)、桑塔纳轿车、桑塔

21、纳轿车JV型汽油机，奥迪型汽油机，奥迪100轿车发动机等轿车发动机等Department of Automotive EngineeringTsinghua University(2)楔型燃烧室楔型燃烧室（wedge type） n 特点特点 楔型空间与挤气面配合，可形楔型空间与挤气面配合，可形成较强气流运动和扫气，气门倾斜成较强气流运动和扫气，气门倾斜布置，流动截面大，气道阻力小布置，流动截面大，气道阻力小n 性能：性能： F/V较小，火焰传播距离较短，较小，火焰传播距离较短， 可达可达9.5，动力经济性较高，低速低负荷性动力经济性较高，低速低负荷性能稳定，能稳定，dp/d较高，工作较粗暴较

22、高，工作较粗暴，HC排放高。排放高。n 应用机型：应用机型：491(4Y)、489(GM2.0)、486(3Y)、CA-72轿车发动机轿车发动机8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析Department of Automotive EngineeringTsinghua University（3）多球形（蓬型）燃烧室）多球形（蓬型）燃烧室n特点：特点：多球形多球形顶部呈半球形，进排气门和顶部呈半球形，进排气门和火花塞周围均分别呈球形；火花塞周围均分别呈球形；蓬型蓬型顶部由若干平面构成帐篷形顶部由若干平面构成帐篷形；4气门，火花塞中央布置，挤流较弱气门，火花塞中央布置，挤流较弱，可

23、利用双进气道形成涡流。，可利用双进气道形成涡流。n性能性能： F/V最小，火焰传播距离最最小，火焰传播距离最短，充气系数高，动力经济性好，高短，充气系数高，动力经济性好，高速适应性强；但速适应性强；但dp/d高，工作较粗暴高，工作较粗暴。n应用：应用： 目前已成为国际主流形式，目前已成为国际主流形式，其中蓬其中蓬型又具多型又具多（日产公司，压缩比（日产公司，压缩比1010，双顶置凸轮），双顶置凸轮）8.4.2 8.4.2 典型燃烧室分析典型燃烧室分析Department of Automotive EngineeringTsinghua University典型汽油机燃烧室性能对比典型汽油机燃烧室性能对比特征特征浴盆型浴盆型楔形楔形多球形多球形火焰传播距离火焰传播距离长较长短面容比面容比大中小进排气门截面积进排气门截面积小中大挤流强度挤流强度较强强弱（但可利用涡流）