第六章_汽油机混合气的形成与燃烧1114

1、高速（混合着火燃烧102ms）高温（2000 左右）高压（柴油机高达100bar 以上）复杂复杂过程：流动、喷雾、过程：流动、喷雾、多多相流、燃烧化学相流、燃烧化学燃烧研究所追求的目标：燃烧研究所追求的目标： 高高e e(i i) ) 、高高P Pmeme（P Pmimi）、）、低污染、低噪声振动低污染、低噪声振动l第一节第一节 汽油机的燃烧过程汽油机的燃烧过程l第二节第二节 汽油机的电控汽油喷射系统概述汽油机的电控汽油喷射系统概述l第三节第三节 燃油喷射的控制燃油喷射的控制l第四节第四节 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室一、正常燃烧过程：一、正常燃烧过程： 汽油机正常燃烧过程汽油机正常燃烧过程是

2、由定时的火是由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。度传遍整个燃烧室的过程。汽油机着火和燃烧的高速摄影汽油机着火和燃烧的高速摄影可用：示功图、放热规律、高速摄影的方法可用：示功图、放热规律、高速摄影的方法( (一一) )正常燃烧过程进行情况正常燃烧过程进行情况将燃烧过程分为三个阶段：将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、着火落后期、明显燃烧期明显燃烧期和和补燃期补燃期。1、着火落后期、着火落后期 从火花塞点火到火焰从火花塞点火到火焰核心核心形成形成的阶段。的阶段。 为了提高效率，希望为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为尽量缩短

3、着火落后期。为了发动机运转稳定，希望了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。着火落后期保持稳定。( (一一) )正常燃烧过程进行情况正常燃烧过程进行情况将燃烧过程分为三个阶段：将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、着火落后期、明显燃烧期明显燃烧期和和补燃期补燃期。1、着火落后期、着火落后期 影响因素：混合气影响因素：混合气成分、点火时缸内气体温成分、点火时缸内气体温度和压力、缸内气体流动、度和压力、缸内气体流动、火花能量和残余废气量，火花能量和残余废气量，每一循环都有变动每一循环都有变动2、明显燃烧期、明显燃烧期 指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，因此也

4、可称为火焰，因此也可称为火焰传播阶段。传播阶段。 在示功图上指气在示功图上指气缸压力线脱离压缩线缸压力线脱离压缩线开始急剧上升（图中开始急剧上升（图中2点）到压力达到最点）到压力达到最高点高点(图中图中3点点)止。止。 燃燃烧的主要时期。烧的主要时期。明显燃烧期的火焰传播明显燃烧期的火焰传播 在均值混合气中，当火在均值混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋直到连续不断的火焰前锋扫

5、过整个燃烧室。扫过整个燃烧室。现象： 由明显火核产生火焰充满燃烧室由明显火核产生火焰充满燃烧室 这一期间这一期间90的燃料被烧掉的燃料被烧掉主要控制参数： pmax、dp/d pmax ， i ，W i ，但但NOx ，机械负荷及热负机械负荷及热负荷荷 pmax位置，位置， c1015 CA ATDC压力升高率压力升高率dp/d（压升率）压升率） 最高压升率最高压升率（dp/d）max (MPa/ CA)平均压升率平均压升率 dp/d (pcpb ) / (c-b) (MPa/ CA)dp/d , i，但但NO ，机械损失及热负荷机械损失及热负荷,噪声振动噪声振动一般汽油机，一般汽油机， dp

6、/d 0.20.4（0.170.25）MPa / CA 控制控制dp/d的的对策：对策： pmax位置（点火时间）位置（点火时间） 火焰传播速度（湍流度、空燃比等）火焰传播速度（湍流度、空燃比等） 放热速率（燃烧室形状）放热速率（燃烧室形状） 补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，开始下降，在后燃期中主要是湍在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继气缸壁面上的混合气层继续燃烧。续燃烧

7、。 为了保证高的循环热为了保证高的循环热效率和循环功，应使补燃效率和循环功，应使补燃期尽可能短。期尽可能短。3、补燃期、补燃期 从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。称为补燃期。 燃烧剩余燃烧剩余10燃料燃料火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧的区域火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧的区域壁面附近的未燃混合气壁面附近的未燃混合气要求：要求：燃期短燃期短后燃期后燃期， i ，排温排温，甚至甚至“放炮放炮”燃烧净燃烧净否则，否则，HC ，CO 对策：强化湍流，合适壁（水）温对策：强化湍流，合适壁（水）温l改变改变igig可调整可调整c cigig过早，过早， pmax前

8、移，前移，负功负功， NO NO ，爆燃爆燃；igig过晚过晚， pmax后移，后移，等容度等容度， 散热散热，i i ；MBTMBT：Minimum advance for Minimum advance for Best TorqueBest Torque，即对于最大转矩即对于最大转矩的最佳点火提前的最佳点火提前bmep:bmep: brake mean effective brake mean effective pressurepressure， 即即PmePme机型机型TouranTouran 2.0 2.0型式型式四冲程，水冷直列四缸，二气门四冲程，水冷直列四缸，二气门缸数缸数缸径

9、缸径行程（行程（mmmm）4 482.582.592.892.8总排量（总排量（L L）1.9841.984压缩比压缩比10.310.3怠速（怠速（r/minr/min）780780测试系统测试系统n=2000rpm BMEP=0.19MPan=2000rpm BMEP=0.19MPa0.00.20.40.6051015P (bar)Va (L)270360450-1001020300.00.20.40.60.81.0累积放热率( x 100%)累积放热率( x 100%) (oCA)HRR(J/oCA)95%5%点火提前点火提前角角27.527.5o oCACATDC净指示功净指示功: 12

10、3.2J循环动力过功循环动力过功: 148.9J泵气功泵气功: -25.7J01803605407200481216P(bar)(oCA)TDC汽油机燃烧特性汽油机燃烧特性0.00.20.40.6010203040P(bar)Va (L)27036045002040600.00.20.40.60.81.0累积放热率(x 100%)累积放热率(x 100%)(oCA)HRR(J/oCA)95%5%点火提前角点火提前角9.59.5o oCACATDC净指示功：净指示功： 435. 2J循环动力过程功循环动力过程功: 437.0J泵气功泵气功: -1.8Jn=2000rpm BMEP=0.88MPa

11、n=2000rpm BMEP=0.88MPa0180360540720010203040P(bar) (oCA)TDC汽油机燃烧特性汽油机燃烧特性小负荷小负荷 Pme=0.18MPa大负荷大负荷Pme=0.89MPa燃烧持续期燃烧持续期(oCA)3630最大爆发压力（最大爆发压力（bar）12.230.8最高压升率最高压升率(bar/oCA)0.30.87最高瞬时放热率（最高瞬时放热率（J/oCA）13.653.6着火落后期着火落后期(oCA)25.515.5净指示功净指示功(J)123.2435. 2循环动力过程功循环动力过程功(J)148.9437.0泵气功泵气功(J)-25.7-1.8汽

12、油机燃烧特汽油机燃烧特性性汽油机和柴油机燃烧过程主要特点对比汽油机和柴油机燃烧过程主要特点对比对比对比项目项目汽油机汽油机柴油机柴油机着火着火点燃，点燃，高温单阶段着火，单点着火高温单阶段着火，单点着火压燃，压燃，低温多阶段着火，多点同时着火低温多阶段着火，多点同时着火燃烧燃烧火焰在均质预混合气中有序火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃后燃混合均匀，因而后燃期较短混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长混合不均匀，因而后燃期较长放热放热规律规律燃烧放

13、热先缓后急，燃烧持燃烧放热先缓后急，燃烧持续期较短续期较短DIDI机大多燃烧放热先急后缓，机大多燃烧放热先急后缓，“双峰双峰”放热曲线，持续期较长放热曲线，持续期较长（二）燃烧速度（二）燃烧速度(率率)l火焰传播方式可分为火焰传播方式可分为层流火焰传播层流火焰传播和和湍流火湍流火焰传播焰传播。l1. 层流火焰燃烧速率层流火焰燃烧速率 l层流火焰层流火焰图图6-2 层流火焰与火层流火层流火焰与火层流火焰前锋面形状的关系焰前锋面形状的关系 层流火焰传播速度远层流火焰传播速度远远不能满足实际发动机燃远不能满足实际发动机燃烧的要求。烧的要求。 实际发动机中的火焰传实际发动机中的火焰传播是以湍流火焰方式

14、进行播是以湍流火焰方式进行的。的。 l层流火焰燃烧速率层流火焰燃烧速率 l燃烧速度燃烧速度(率率)是指单位时间燃烧的混合气量，是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为可以表达为mLLFvdtdm未燃混未燃混合气密合气密度度火焰前锋面积火焰前锋面积火焰传播速度火焰传播速度 2.湍流火焰燃烧速率湍流火焰燃烧速率 湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的规则的脉动运动脉动运动。这些由气体质点所组成的小气团大。这些由气体质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。这种湍流运

15、动使火焰向则是一致的。这种湍流运动使火焰前锋表面出现皱前锋表面出现皱折折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加。湍许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加。湍流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加快。快。 湍流强烈湍流强烈湍流较弱湍流较弱湍湍流流火火焰焰湍流火焰燃烧速率湍流火焰燃烧速率mTTFvdtdm未燃混未燃混合气密合气密度度火焰前锋面积火焰前锋面积火焰传播速度火焰传播速度 提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧

16、的有效手段。烧的有效手段。 二、不规则燃烧二、不规则燃烧 汽油机的不规则燃烧是指在稳汽油机的不规则燃烧是指在稳定正常运转情况下，循环变动和各定正常运转情况下，循环变动和各缸工作不均匀。缸工作不均匀。 分类： 循环波动循环波动不同循环之间的燃烧变动不同循环之间的燃烧变动 各缸不均匀各缸不均匀各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异（一）循环变动（一）循环变动指发动机以某一工况指发动机以某一工况稳定运行时，这一循环稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功焰传播情况及发动机功率输出均不

17、相同率输出均不相同 。实际中，汽油机转速和转矩波动大于柴油实际中，汽油机转速和转矩波动大于柴油机机如转速波动，汽如转速波动，汽 10 r/min柴柴 2 r/min 转速和转矩波动来源于燃烧波动转速和转矩波动来源于燃烧波动（如右图（如右图)pmax波动波动 ：2.53.5MPa（dQB/d）max波动：波动： 2倍倍循环波动的评价指标循环波动的评价指标 循环波动率循环波动率p = (p / pmax)100式中，式中， p为为pmax的标准偏差；的标准偏差； pmax为为 pmax的算术平均值的算术平均值正常情况：正常情况： p 10%较好汽油机：较好汽油机： p 7% 同理：可用同理：可用

18、pmax、 dp/d、pmi 、(dQB/d)max等多种等多种燃烧特性参数表示循环波动程度。燃烧特性参数表示循环波动程度。危害危害 点火时间、空燃比等控制参数无法调节到最佳点火时间、空燃比等控制参数无法调节到最佳 燃烧不好的循环会使燃烧不好的循环会使i 、Wi等下降等下降 振动振动、噪声、噪声 例：例：6105汽油机燃烧室改进设计后，汽油机燃烧室改进设计后， （dp/d）max由由1.8上升到上升到2.4（bar/ CA），），p由由11降为降为7.1，结果噪声下降，结果噪声下降8dB 这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处

19、于最佳点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。倾向增加，使汽油机性能下降。 产生这种现象的主要原因是：产生这种现象的主要原因是： 1）混合气成分波动；）混合气成分波动； 2）气体运动状态波动。）气体运动状态波动。（1） 混合气成分波动：混合气成分波动： 局部空燃比、残余废气局部空燃比、残余废气如图，火花塞处连续如图，火花塞处连续50个循环的快速采样结果个循环的快速采样结果（2） 气体运动状态波动气体运动状态波动 流速高低不同；流速高低不同； 湍流强度高低不同。湍流强度高低不同。下列因素或

20、措施影响或改善循环波动下列因素或措施影响或改善循环波动: ：（1）过量空气系数）过量空气系数 =0.8-0.9时循环波动最小，时循环波动最小，过浓或过稀都会使循环波动加剧。过浓或过稀都会使循环波动加剧。（2）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，进而改善循环波动。混合气的均匀性，进而改善循环波动。（3）残余废气系数过大，则循环波动加剧。）残余废气系数过大，则循环波动加剧。（4）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加剧。剧。（5） 多点点火有利于减少循环波动。多点点火有利于减少循环波动。（6）提高点火能量、优

21、化放电方式、采用大的）提高点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙，有助于减小循环波动。火花塞间隙，有助于减小循环波动。 1) a影响最大，影响最大， a=0.81.0时，时， p最小最小；2) 油气混合的均匀程度（绝对均匀，油气混合的均匀程度（绝对均匀， p00）；）；3) r，p ，关键是防止火花塞周围过浓的，关键是防止火花塞周围过浓的r ；4) 负荷负荷 （ r ），则），则p ；5) 转速转速 （ 湍流湍流），则），则p ；6) 提高点火能量或采用多点点火。提高点火能量或采用多点点火。 a： a=0.850.95时，燃烧速度最大时，燃烧速度最大 Pe、p/ Max; a=1.051.

22、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，部时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧分燃料来不及完全燃烧; be ，HC 结论：均质混合气结论：均质混合气 a对燃烧过程影对燃烧过程影响很大，必须严格控制。响很大，必须严格控制。901802703604505406307200.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5汽 缸 压 力汽 缸 压 力 p / MPan=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)27036045054

23、001234n=3000r/minTtq=53.2N.mMAP=56kPa=14.5气 缸 压 力气 缸 压 力 p / MPa曲 柄 转 角曲 柄 转 角 / (o)(CA)东风公司491i汽油机实测结果70758085909510005101520CoVpmi /%Rpmi /%n=2000r/minTPS=7.8%通常商品发动机的允许范围东风公司491i汽油机实测结果左图左图：循环波动率每增大1个%点，Pmi损失1.5%？汽油机汽油机i i劣于柴油机劣于柴油机的原因之一的原因之一010000 20000 30000 40000 500000510152025P(bar) (oCA)010

24、000 20000 30000 40000 5000001020304050P(bar) (oCA)Pmax = 8.9%Pmax = 9.6%BMEP=0.19MPaBMEP=0.88MPa（大众（大众TouranTouran，2.0L 2.0L 汽油机，汽油机，n=2000rpmn=2000rpm）（二）（二） 各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。 各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不各缸之间的燃烧差异主要是由于燃料分配不均使空燃比不一致造成的。均使空燃比不一致造成的。 影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，影响混合

25、气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响坏均匀分配，其中影响最大的是最大的是进气管的设计进气管的设计。1、何谓各缸不均匀性、何谓各缸不均匀性 各气缸之间由于进气充量和成分等各气缸之间由于进气充量和成分等不均匀引起的工作特性差异。不均匀引起的工作特性差异。 汽油机明显大于柴油机汽油机明显大于柴油机2、评价方法、评价方法 用不均匀度用不均匀度Di表示第表示第i缸的工作不均匀性。缸的工作不均匀性。 c 、a 、Pe、 be、 p

26、max等等 Di(c ) = (ci cm )/ cm 100 式中：式中： ci为第为第i缸的充气系数，缸的充气系数， cm为各缸充气系数平均值。为各缸充气系数平均值。对整机，往往用最大不均匀度对整机，往往用最大不均匀度Dmax 类似循环波动，很难找到对各缸都是最佳的点火时类似循环波动，很难找到对各缸都是最佳的点火时间和间和a ，导致整机性能难以优化；，导致整机性能难以优化； 噪声、振动增加噪声、振动增加例：某汽油机，例：某汽油机， Dmax(c)由由24降至降至4，Pe 1.5，be 9（外特性）外特性）c各缸不均匀各缸不均匀距离不等、阻力不等、动态效应、各缸干涉距离不等、阻力不等、动态效

27、应、各缸干涉 （因此一般用（因此一般用c作为不均匀度作为不均匀度Di的评价指标，也是进气管设计要点）的评价指标，也是进气管设计要点）实际喷油量实际喷油量各缸不均匀各缸不均匀 化油器化油器 进气道喷射缸内直喷进气道喷射缸内直喷a 不均匀不均匀各进气歧管中的油膜、油蒸气、油气混合过程不均匀各进气歧管中的油膜、油蒸气、油气混合过程不均匀燃料成分不均匀燃料成分不均匀重馏分等密度较大成分不易到达边缘气缸重馏分等密度较大成分不易到达边缘气缸r 不均匀不均匀（与进、排气系统都有关）（与进、排气系统都有关）各缸点火特性不同各缸点火特性不同l到目前为止，我们介绍了哪些导致汽油机热效率不到目前为止，我们介绍了哪些

28、导致汽油机热效率不如柴油机的因素？如柴油机的因素？压缩比低压缩比低不能稀燃不能稀燃压力升高率低压力升高率低循环波动率高循环波动率高各缸工作不均匀度高各缸工作不均匀度高泵气损失高泵气损失高三、不正常燃烧三、不正常燃烧l汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油机偏离正常点火时间及地点，由此引汽油机偏离正常点火时间及地点，由此引起的燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等起的燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。异常现象。l汽油机的不正常燃烧主要是汽油机的不正常燃烧主要是爆燃爆燃和和表面点表面点火火。汽油机汽油机正常燃烧正常燃烧的特征（点燃式发动机）：的特征（点燃

29、式发动机）： 由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式）由火花点火引燃（也可有其它强制点火方式） 以火核为中心的火焰有序传播以火核为中心的火焰有序传播汽油机汽油机不正常燃烧不正常燃烧： 爆燃（爆震、敲缸）爆燃（爆震、敲缸） 表面点火表面点火 激爆激爆1 、爆燃的外部特征、爆燃的外部特征 爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯锯齿波齿波)，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，此也称爆燃为敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，严重敲缸时，发动机严重敲缸时，发动机功率下降，转速

30、下功率下降，转速下降，工作不稳定，降，工作不稳定，机身有较大振动，机身有较大振动，同时冷却水过热，同时冷却水过热，润滑油温度明显上润滑油温度明显上升。升。（一一）爆燃（爆燃（爆震燃烧爆震燃烧 ）a)正常燃烧正常燃烧 b)爆燃爆燃1、爆燃现象（、爆燃现象（Knocking）尖锐的金属敲击声，声频为尖锐的金属敲击声，声频为37KHz机身有明显振动机身有明显振动功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟示功图出现不同程度的示功图出现不同程度的“锯齿波锯齿波”冷却水、机油和气缸盖等温度升高冷却水、机油和气缸盖等温度升高2 2、爆燃产生的原因、爆燃产生的原因 末端混合气自燃末端混合气自

31、燃 正常燃烧：正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。直至燃烧完毕。 爆燃：爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其火焰前锋未到，未燃混合气的温度达到其自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的自燃温度而着火燃烧，形成新的火焰中心，产生新的火焰传播。在较大面积上多点着火，局部区域的温度火焰传播。在较大面积上多点着火，局部区域的温度压力急剧增加。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧压力急剧增加。这种类似阶跃的压力变化，形成燃烧室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面室内往复传播的激波，猛烈撞击燃烧室壁面，使壁面产生振动，发出高频振音产生

32、振动，发出高频振音(即敲缸声即敲缸声)，产生爆燃。，产生爆燃。 末端混合气（末端混合气（End gas）受受压缩和热辐射，以低温多阶段压缩和热辐射，以低温多阶段方式产生自燃（方式产生自燃（Selfignition）多点大面积自燃，形成局部多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力可达温度压力陡升（瞬时压力可达18MPa），），压力波在传播过压力波在传播过程种形成程种形成“激波激波”。激波冲击燃烧室壁面产生高激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在频振音（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波示功图上可观察到这种压力波动，高速摄影可观察到末端混动，高速摄影可观察到末端混合气自

33、燃以及正常的火焰前锋合气自燃以及正常的火焰前锋面被压迫后退的现象。面被压迫后退的现象。注意：火焰前锋面速度注意：火焰前锋面速度100m/s，压力波和热辐射分别为音速和光速压力波和热辐射分别为音速和光速Shock激波激波p,Ttimetimep,Tend-gas末端混合气末端混合气Flame火焰火焰 （1）机件过载）机件过载（2 2）活塞、气缸和活塞环磨损加剧；活塞、气缸和活塞环磨损加剧； （3）动力性和经济性恶化）动力性和经济性恶化 ；（4）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度 增加。增加。3、 爆燃的危害爆燃的危害爆燃的危害爆燃的危害 燃烧室壁面的层流边界层和油膜燃

34、烧室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热被破坏，散热， 热负荷热负荷，严重，严重时活塞顶烧熔时活塞顶烧熔; 燃烧粗暴燃烧粗暴、热裂解发生，甚至冒黑烟、热裂解发生，甚至冒黑烟 由于油膜层被破坏，引起活塞组由于油膜层被破坏，引起活塞组异常磨损异常磨损，拉缸，拉缸 甚至活塞环断裂甚至活塞环断裂 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时轻微爆燃有可能略改善油耗和功率，但严重爆燃时 t ，热损失，导致，导致be，Pe 燃气压力剧烈波动使燃气压力剧烈波动使pmax和和dp/d ，使使机械负荷机械负荷。爆燃的危害爆燃的危害正常燃烧火花塞正常燃烧火花塞爆燃火花塞爆燃火花塞 4、影响爆燃的因素、影响爆燃的因素

35、 （1）燃料性质）燃料性质 辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。（2）末端混合气的压力和温度）末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。向增大。（3）火焰前锋传播到末端混合气的时间）火焰前锋传播到末端混合气的时间 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。有利于避免爆燃。防止爆燃的对策防止爆燃的对策 记记: t1由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间由火核形成至火焰前锋面传播到

36、末端混合气所需时间 t2由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间则：则： 不爆燃的条件不爆燃的条件 t1 1.031.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、经济性动力性、经济性下降，下降，NOx排放也降低。排放也降低。 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。 称该混合气浓度为着火下限。称该混合

37、气浓度为着火下限。 a =0.80.9时：燃料密度相对较高，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be、CO、HC a0.80.9时：混合气过浓，氧气不够；时：混合气过浓，氧气不够； 燃料不完全燃烧燃料不完全燃烧放热放热 ，燃烧速率，燃烧速率 ； 动力性动力性/经济性经济性 ； 缸内易积碳，缸内易积碳，CO ，冒烟，冒烟 。 a=0.40.5时：严重缺氧，大部分燃料不能燃烧；时：严重缺氧，大部分燃料不能燃烧； 火焰不能传播而熄火

38、。火焰不能传播而熄火。 称此混合气为着火上限。称此混合气为着火上限。对应最佳动力性和最佳经济性的对应最佳动力性和最佳经济性的A/F不一致；不一致；存在混合气浓度的着火界限范围。汽油存在混合气浓度的着火界限范围。汽油 a=0.41.4 2）汽油机各工况对的要求）汽油机各工况对的要求 工况工况 起动、怠速、中小负荷、全负荷和加减速。起动、怠速、中小负荷、全负荷和加减速。 起动工况：起动工况：n、温度最低，开度小，气流速低；、温度最低，开度小，气流速低； 喷雾及油膜蒸发混合条件最差。喷雾及油膜蒸发混合条件最差。 供给供给 a=0.40.6;保证保证缸内可燃混合气的浓度；缸内可燃混合气的浓度； 问题：

39、问题：CO和和HC排放较严重。排放较严重。首次喷射完爆率。首次喷射完爆率。怠速：怠速：Pe=0，开度最小，开度最小，n和温度较低，和温度较低， r较大；较大； 且随且随TW ，油膜蒸发不同，影响混合气浓度。，油膜蒸发不同，影响混合气浓度。 a=0.60.8 怠速稳定。怠速稳定。 快怠速系统快怠速系统缩短暖车时间，缩短暖车时间， 怠速经济性，怠速经济性， 中小负荷：工作温度中小负荷：工作温度 ，雾化条件改善。，雾化条件改善。 此时随节气门开度增加，进气量此时随节气门开度增加，进气量 ， r 。 随开度随开度 a ；常用工况：三效催化常用工况：三效催化+电控电控 排放：排放： a=1.0 全负荷工

40、况：开度最大，全负荷工况：开度最大，输出最大功率。输出最大功率。 要求供给功率混合气；要求供给功率混合气； a=0.80.9 对经济性和排放问题暂不予考虑对经济性和排放问题暂不予考虑 加减速工况：节气门突变，进气量加减速工况：节气门突变，进气量/进气压力变化进气压力变化 影响进气道表面影响进气道表面/进气门背面油膜蒸发；进气门背面油膜蒸发； 影响缸内混合气浓度。影响缸内混合气浓度。l加速时：进气量加速时：进气量 ，进气压力，进气压力 ，油膜表面压力，油膜表面压力 ; 阻碍油膜蒸发，阻碍油膜蒸发， 缸内混合气变稀；缸内混合气变稀；l减速时：进气量减速时：进气量 ，进气压力，进气压力 ，油膜表面压

41、力，油膜表面压力 使其蒸发量增加，使其蒸发量增加， 缸内混合气变浓。缸内混合气变浓。 造成汽车加减速时游车现象造成汽车加减速时游车现象 必须需要相应地进行喷必须需要相应地进行喷油量的加减修正。油量的加减修正。一、汽油发动机对可燃混合气的要求一、汽油发动机对可燃混合气的要求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 =13.514.0时，燃烧火焰出现时，燃烧火焰出现最高值，称最高值，称功率功率空燃比；空燃比； =16左右左右时，燃烧完全，时，燃烧完全，耗油耗油率最低，率最低，称称经济经济空燃比；空燃比；在在功率功率空燃比空燃比与与经济经济空燃比空燃比范范围内的混合气成分是汽油机常围内的

42、混合气成分是汽油机常用的混合气，是发动机具有较用的混合气，是发动机具有较好的使用性能。好的使用性能。怠怠 速：很浓混合气速：很浓混合气小负荷：较浓混合气小负荷：较浓混合气中等负荷：稀混合气中等负荷：稀混合气 大负荷：加浓混合气大负荷：加浓混合气全负荷：功率混合气全负荷：功率混合气图图616 汽油机负荷变化时所需的空燃比汽油机负荷变化时所需的空燃比2.发动机各种工况对可燃混合气的要求：发动机各种工况对可燃混合气的要求：(1)稳定工况(2)过渡工况过渡工况冷起动：极浓混合气冷起动：极浓混合气暖暖 机：浓混合气机：浓混合气(随温度升高随温度升高混合气混合气变稀变稀)加加 速：速：及时加浓及时加浓急减

43、速：急减速：避免混合气过浓避免混合气过浓二、电控燃油喷射供给系统的类型二、电控燃油喷射供给系统的类型1按喷射位置分类按喷射位置分类1）缸内喷射）缸内喷射2）进气管喷射）进气管喷射进气管喷射又分为单点喷射和多点喷射。进气管喷射又分为单点喷射和多点喷射。a) 单点汽油喷射系统结构示意图单点汽油喷射系统结构示意图 b)多点汽油喷射系统结构示意图多点汽油喷射系统结构示意图 2按喷射控制装置分类按喷射控制装置分类 汽油喷射系统分为机械式汽油喷射系统分为机械式(机电式机电式)和电控式两和电控式两种。种。3按喷射方式分类按喷射方式分类 汽油喷射系统可分为连续喷射和间歇喷射汽油喷射系统可分为连续喷射和间歇喷射

44、两种。两种。 4.按空气流量测量方法分类按空气流量测量方法分类 汽油喷射系统可分为质量流量控制的汽油汽油喷射系统可分为质量流量控制的汽油喷射系统、速度密度控制的汽油喷射系统、节喷射系统、速度密度控制的汽油喷射系统、节流速度控制的汽油喷射系统。流速度控制的汽油喷射系统。三、化油器供油系统与汽油喷射供油系统的比较三、化油器供油系统与汽油喷射供油系统的比较l汽油喷射供油系统的优点汽油喷射供油系统的优点： （1 1）可以对混合气空燃比进行精确控制；可以对混合气空燃比进行精确控制； （2 2）减少了进气阻力，充气效率高；减少了进气阻力，充气效率高； （3 3）可能采取较高的压缩比；可能采取较高的压缩比；

45、 （4 4）发动机冷起动性能和加速性能良好，过发动机冷起动性能和加速性能良好，过渡圆滑。渡圆滑。 四、几种电子控制燃油喷射系统的结构四、几种电子控制燃油喷射系统的结构1.D型电控汽型电控汽油喷射系统油喷射系统原理原理：以进气管压力和发动机转速控制喷油量，速度密速度密度方式度方式。2喷油器喷油器 3进气歧管绝对压力传感器进气歧管绝对压力传感器6冷启动喷油器冷启动喷油器2.L型电控汽油喷射系统型电控汽油喷射系统原理：原理：以吸入的空气量以吸入的空气量作为控制喷油量作为控制喷油量的主要因素。的主要因素。L型测量准确程型测量准确程度高于度高于D型型 5喷油器喷油器8冷启动喷油器冷启动喷油器 10阻流板

46、式空气流量传感器阻流板式空气流量传感器3.Mono系统系统低压中央喷射低压中央喷射系统，即单点系统，即单点喷射系统，在喷射系统，在原来化油器的原来化油器的基础上仅用一基础上仅用一只电磁喷油器只电磁喷油器进行集中喷射。进行集中喷射。1一中央喷射组件一中央喷射组件 第三节第三节 燃油喷射的控制燃油喷射的控制一、一、喷油时刻的控制喷油时刻的控制 l喷油时刻是指喷油器开始进行喷油的时刻相喷油时刻是指喷油器开始进行喷油的时刻相对曲轴位置的转角。对曲轴位置的转角。l喷油时刻随发动机喷油方式的不同而有所不喷油时刻随发动机喷油方式的不同而有所不同，但都是在相对曲轴转角的固定转角处。同，但都是在相对曲轴转角的固

47、定转角处。ECU以曲轴转角传感器的信号为依据以曲轴转角传感器的信号为依据,根据不根据不同的喷油方式控制喷油器的开启时刻。同的喷油方式控制喷油器的开启时刻。 二、二、喷油量的控制喷油量的控制 lECU根据各种传感器测得的发动机进气量、根据各种传感器测得的发动机进气量、转速、节气门开度、冷却水温度与进气温度转速、节气门开度、冷却水温度与进气温度等多项运行参数，按设定的程序进行计算，等多项运行参数，按设定的程序进行计算，并按计算结果向喷油器发出电脉冲，通过改并按计算结果向喷油器发出电脉冲，通过改变每个电脉冲的宽度来控制各喷油器每次喷变每个电脉冲的宽度来控制各喷油器每次喷油的持续时间，从而达到控制喷油

48、量的目的。油的持续时间，从而达到控制喷油量的目的。电脉冲的宽度越大，喷油持续时间越长，喷电脉冲的宽度越大，喷油持续时间越长，喷油量也越大。油量也越大。1）起动工况的喷油控制）起动工况的喷油控制 l发动机刚起动时，发动机刚起动时，ECU按预先给定的起动程序来进行喷油控按预先给定的起动程序来进行喷油控制。制。lECU根据起动开关及转速传感器的信号，判定发动机是否处根据起动开关及转速传感器的信号，判定发动机是否处于起动状态。当起动开关接通，且发动转速低于某一转速时。于起动状态。当起动开关接通，且发动转速低于某一转速时。ECU按发动机水温、进气温度和起动转速计算出一个固定的按发动机水温、进气温度和起动

49、转速计算出一个固定的喷油量，使发动机获得顺利起动所需的浓混合气。喷油量，使发动机获得顺利起动所需的浓混合气。l 冷车起动时，一般采用以下两种方法。冷车起动时，一般采用以下两种方法。l1.通过通过ECU控制冷起动加浓控制冷起动加浓l通过延长各缸喷油器的喷油持续时间或增加喷油次数来增加通过延长各缸喷油器的喷油持续时间或增加喷油次数来增加喷油量。喷油量。l2.通过冷起动喷油器和冷起动温度开关控制冷起动加浓通过冷起动喷油器和冷起动温度开关控制冷起动加浓l除了通过除了通过ECU延长各缸喷油器的喷油持续时间来增大喷油量延长各缸喷油器的喷油持续时间来增大喷油量之外，还通过冷起动喷油器喷入一部分冷车起动所需要

50、的附之外，还通过冷起动喷油器喷入一部分冷车起动所需要的附加燃油，以加浓混合气。加燃油，以加浓混合气。2）起动后的喷油控制起动后的喷油控制 l发动机起动后，各传感器适时检测发动机的发动机起动后，各传感器适时检测发动机的转速、进气量、进气温度、冷却液温度、节转速、进气量、进气温度、冷却液温度、节气门位置气门位置(即工况即工况)以及排气中氧的含量等信以及排气中氧的含量等信号，通过接口电路输入微机。号，通过接口电路输入微机。ECU按下式确按下式确定喷油持续时间：定喷油持续时间：l喷油持续时间喷油持续时间=基本喷油时间基本喷油时间喷油修正系数喷油修正系数十电压修正值十电压修正值l基本喷油时间是根据空气质

51、量和发动机转速计算出基本喷油时间是根据空气质量和发动机转速计算出的为实现设定空燃比而需要的喷油时间。各喷油修的为实现设定空燃比而需要的喷油时间。各喷油修正系数：正系数：l1. 蓄电池电压修正蓄电池电压修正l喷油器电磁线圈的电感阻抗延缓了喷油器针阀的开喷油器电磁线圈的电感阻抗延缓了喷油器针阀的开启时刻。启时刻。l当蓄电池电压不同时，会引起实际喷油量的变化，当蓄电池电压不同时，会引起实际喷油量的变化，蓄电池电压降低，喷油量也会下降。蓄电池电压降低，喷油量也会下降。l蓄电池电压修正通常以蓄电池电压修正通常以14V电压为基准，低于电压为基准，低于14V时，增时，增加喷油时加喷油时间。间。 l2. 进气

52、温度修正进气温度修正 l进气温度不同，空气质量会有变化。进气温度不同，空气质量会有变化。l在空气流量计内常装有进气温度传感器，通在空气流量计内常装有进气温度传感器，通常是以常是以20时的进气温度为基准。当进气温时的进气温度为基准。当进气温度低于度低于20时，修正系数大于时，修正系数大于1，适当增加喷，适当增加喷油量；当进气温度高于油量；当进气温度高于20时，修正系数小时，修正系数小于于1，适当减少喷油量。，适当减少喷油量。图图653 进气温进气温度修正系数度修正系数l3. 起动后喷油修正起动后喷油修正 l发动机冷车起动后数十秒内，由于发动机机发动机冷车起动后数十秒内，由于发动机机体温度较低使得

53、汽油气化不良，为使发动机体温度较低使得汽油气化不良，为使发动机保持稳定运转，应随时间变化进行不同程度保持稳定运转，应随时间变化进行不同程度的加浓。喷油修正系数的初始值由冷却水的的加浓。喷油修正系数的初始值由冷却水的温度决定，然后随着起动运行，修正系数逐温度决定，然后随着起动运行，修正系数逐渐衰减。渐衰减。图图654 冷车起动冷车起动燃油修正系数燃油修正系数l4. 暖机加浓修正暖机加浓修正 l在冷车起动结束后的暖机过程中，发动机的在冷车起动结束后的暖机过程中，发动机的温度一般不高，喷入燃油与空气的混合依然温度一般不高，喷入燃油与空气的混合依然较差，结果造成气缸内的混合气变稀。因此，较差，结果造成

54、气缸内的混合气变稀。因此，在暖机过程中必须增加喷油量。暖机增量比在暖机过程中必须增加喷油量。暖机增量比的大小取决于水温传感器所测得的发动机温的大小取决于水温传感器所测得的发动机温度。度。图图655 暖机加浓暖机加浓修正系数修正系数l5. 加速修正加速修正 l汽车发动机加速时，节气门突然开大，发动汽车发动机加速时，节气门突然开大，发动机吸气量会随着节气门开度的变化而立即发机吸气量会随着节气门开度的变化而立即发生变化，为了获取良好的加速过渡性能，要生变化，为了获取良好的加速过渡性能，要求供给系统能在短时间内使混合气加浓。在求供给系统能在短时间内使混合气加浓。在加速工况时，发动机根据节气门位置传感器

55、加速工况时，发动机根据节气门位置传感器的变化速率判断发动机是否处于加速工况。的变化速率判断发动机是否处于加速工况。 图图656 加速修正系加速修正系数数l6. 加速修正加速修正 l大负荷工况时，应按功率混合气要求供给喷大负荷工况时，应按功率混合气要求供给喷油量，目的是使发动机发出最大功率。大负油量，目的是使发动机发出最大功率。大负荷信号由节气门位置传感器测得的节气门开荷信号由节气门位置传感器测得的节气门开度来决定。当判断出为大负荷时，度来决定。当判断出为大负荷时，ECU调节调节喷油器的持续喷油时间，使喷油量增加。喷油器的持续喷油时间，使喷油量增加。l7. 断油控制断油控制l暂时中断燃油喷射，以

56、满足发动机运转中的暂时中断燃油喷射，以满足发动机运转中的特殊要求，它包括超速断油控制和减速断油特殊要求，它包括超速断油控制和减速断油控制两种断油控制方式。控制两种断油控制方式。l（1）超速断油控制）超速断油控制l（2）减速断油控制）减速断油控制l减速断油控制条件：减速断油控制条件：l1)节气门位置传感器中的怠速开关接通。节气门位置传感器中的怠速开关接通。l2)发动机水温已达正常温度。发动机水温已达正常温度。l3)发动机转速高于某一数值。发动机转速高于某一数值。3）理论空燃比的反馈控制）理论空燃比的反馈控制 l反馈控制是指借助安装在排气管中的氧传感器送来反馈控制是指借助安装在排气管中的氧传感器送

57、来的反馈信号，对理论空燃比进行反馈控制的方式。的反馈信号，对理论空燃比进行反馈控制的方式。根据氧传感器的输出特性，氧传感器输出电压信号根据氧传感器的输出特性，氧传感器输出电压信号在过量空气系数处发生跃变。微机有效地利用这一在过量空气系数处发生跃变。微机有效地利用这一空燃比反馈信号，当混合气过稀时，排气中含氧量空燃比反馈信号，当混合气过稀时，排气中含氧量增加；当增加到一定值时，氧传感器的输出电压突增加；当增加到一定值时，氧传感器的输出电压突然降低。然降低。ECU根据这一根据这一信号命令喷油器增加供油量，信号命令喷油器增加供油量，使混合气逐渐变浓，直至加使混合气逐渐变浓，直至加浓到实际空燃比略低于

58、化学浓到实际空燃比略低于化学计量空燃比、氧传感器的输计量空燃比、氧传感器的输出电压再次迅速上升、出电压再次迅速上升、ECU再次发出减少喷油量的命令再次发出减少喷油量的命令为止。反馈控制便是如此循为止。反馈控制便是如此循环往复地进行的。环往复地进行的。图图657 反馈控制特性曲线图反馈控制特性曲线图a) 混合气实际空燃比混合气实际空燃比 b)氧传感器氧传感器输出电压输出电压 c) 喷油量喷油量优化目标优化目标汽油机汽油机柴油机柴油机be pme PM NOx be pme NVH 第四节第四节 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室常见汽油机燃烧室常见汽油机燃烧室: : ad为最常用的燃为最常用的燃烧室；

59、烧室； e的的“L型型”燃烧室燃烧室是有代表性的旧型是有代表性的旧型燃烧室；燃烧室； fh为有特色的燃为有特色的燃烧室烧室 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热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。力性、经济性和排放性。 l汽油机为降低排放汽油机为降低排放曾出现过数十种燃曾出现过数十种燃烧室，但烧室，但TWCTWC普及后，普及后，绝大多数采用绝大多数采用d d的的4 4气门蓬型燃室。气门蓬型燃室。 汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热汽油机的燃烧室设计直接影响

60、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。力性、经济性和排放性。 (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； 淬熄淬熄效应小，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 674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(2)合理的几何形状合理