可燃混合气成分与汽油机性能的关系

可燃混合气成分与汽油机性能可燃混合气是指空气与燃料的混合物，其成分对发动机的动力性、经济性与排放性等都有很大的影响。对于混合气成分，欧美各国及日本一般都直接以其中所含空气与燃料的质量比一一空燃比来表示。理论上，lkg汽油完全燃烧需要空气14.7kg，故对于汽油机而言，空燃比为14.7：1的可燃混合气可称为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于有很大的影响。对于混合气成分，欧美各国及日本一般都直接以其中所含空气与燃料的质量比一一空燃比来表示。理论上，lkg汽油完全燃烧需要空气14.7kg，故对于汽油机而言，空燃比为14.7：1的可燃混合气可称为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7：1，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气含量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7：1的可燃混合气则可称为稀混合气。在我国除用空燃比表示混合气成分外，还常用过量空气系数表示混合气的浓稀程度，常用符1:2371:22.2I1:20.7I1:19.2裳1:17.8玉惬1:163谡1:14.81:13.31:11.51:10.41:8.9燃油/kg 燃烧Ikg燃料实际供给的空气质量/kg空气/kg 燃烧1kg燃料理论所需的空气质虽/kg稀混合气火焰传播下限理想混合气

最高功祁浓混合气火焰传播下限1:3 —0.201:3 —0.20|怠迎 •高转速—发动机转速/（r/min）——图4-4可燃混合气成分对发动机性能的影响（发动机转速不变，节气门全开）1—燃油消耗率2—功率号入表示。X=燃烧1kg燃料实际进入气缸空气质量/燃烧1kg燃料理论上充满气缸空气质量由上面的定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数X=1的可燃混合气即为理论混合气；X<1的为浓混合气；X>1的则为稀混合气。O可燃混合气混合比例对发动机性能的影响可燃混合气的比例成分对发动机性能的影响是通过试验得出的。在发动机转速一定和节气门全开条件下，流经化油器的空气量即为一定值。此时通过改变汽油量孔尺寸以改变供油量，即可得到过量空气系数X不同（即浓度不同）的可燃混合气。分别以不同X值的可燃混合气供入发动机，并测出相应的发动机功率和燃料消耗率。试验结果表明，发动机功率Pe和燃料消耗率be都是随着过量空气系数X而变化的。图4—4为某汽油机在转速不变和节气门全开条件下试验所得Pe和be随X值而变化的关系。图中纵坐标为Pe和be的相对值（%）。在功率坐标上，以使用各种浓度的混合气所得到的各个不同的功率值中的最大值为100%；而在燃油消耗率坐标上，则以各个燃油消耗率值中最小值为100%。理论上，对于X=1的理论混合气而言，所含空气中的氧正好足以使其中全部燃料完全燃烧。但实际上，由于时间和空间条件的限制，汽油细粒和蒸气不可能及时地与空气绝对均匀地混合。因此，即使X=1，汽油也不可能完全燃烧。要使混合气中的汽油都能完全燃烧，混合气必须是X>1的稀混合气。从图4—4所示的实例中可以看出，该发动机在入=1.11时，燃油消耗率最低，即经济性最好。此混合气称为经济混合气。这就说明在这种混合气中，有适量富余的空气，正好能使汽油完全燃烧。经验表明，对于不同的汽油机，相应于最低燃油消耗率的混合气成分一般在入=1.05〜1.15的范围内。如果混合气过稀(入＞1.05〜1.15)，虽然混合气中的汽油可以保证完全燃烧，但是，由于过稀的混合气燃烧速度低，在燃烧过程中，有很大一部分混合气的燃烧是在活塞向下止点移动时，燃烧空间容积很快增大的情况下进行的，这部分混合气燃烧放出的热量中转变为机械功的相对较少，而通过气缸壁面传给冷却水而散失的热量却相对增多，使汽油机的动力性和经济性都相应变坏。在混合气严重过稀的情况下，燃烧过程甚至可能拖延到下一个循环的进气过程开始以后，此时残存在气缸中的火焰将通过开启着的进气门，将进气管中的混合气点燃，造成进气管回火；加之过稀的混合气燃烧时，单位容积的混合气所能放出的热量也较少，使汽油机输出的功率下降。因此，不能对发动机供给这种过稀的混合气。实际上，当混合气稀到入=1.3—1.4时，燃料分子之间的距离将增大到使混合气的火焰不能传播的程度，以致发动机不能稳定运转，甚至缺火停转；此入值称为过量空气系数的火焰传播下限。从图4—4中还可看出，在节气门全开而转速保持一定的情况下，该发动机在入=0.88时，输出的功率最大。此混合气称为功率混合气。对不同的汽油机来说，一般在过量空气系数入=0.85〜0.95的混合气中，汽油分子相对较多，混合气燃烧速度高，热损失小，如果其它条件相同，用这种成分的混合气工作的汽油机所输出的功率将是最大的。但是，这种混合气中空气含量不足，必将有一部分汽油不可能完全燃烧，因而发动机的经济性较差。混合气过浓，例如图4—4中过量空气系数K0.88时，由于燃烧很不完全，气缸中将产生大量的一氧化碳甚至是还有游离的碳粒，造成气缸盖、活塞顶、气门和火花塞积炭，排气管冒黑烟，排气污染严重。废气中的一氧化碳还可能在排气管中被高温废气引燃，发生排气管“放炮”现象。此外，由于这种混合气的燃烧速度较低，有效功率也将减小，燃油消耗率则将增高。当混合气加浓到入=0.4〜0.5左右时，由于燃烧过程中严重缺氧，也将使火焰不能传播。此入值称为过量空气系数的水焰传播上限。以上对相应于图4—4所示的试验结果，所作的分析，可简要地总结于表4—2中。表4-2可燃混合气浓度对发动机性能的影响混合气种类空气过度系数入发动机功率R油耗率b.备 注火焰传播上限0,4混合气不燃烧，发动机不工作过浓混合气0.43—0.87减小显著增大燃烧室积炭，排气管冒黑烟，消声器有拍击声(放炮)功率混合气0.88最大增大18%理论混合气减小2%增大4%经济混合气L11减小8%最小过稀混合气1-13—1.33显著减小显著增大化油器回火和有拍击声，发动机过热，加速性变坏火焰传播下限1.4—混合气不燃烧，发动机不工作由以上分析可知，为了保证发动机可靠地稳定运转，汽油机正常工作时，其所用混合气成分入应在0.8〜1.2范围内调节。一般在节气门全开条件下，所用可燃混合气的人=0.85-0.95时，发动机可得到较大的功率。当入=1.05〜1.15,发动机可以得到较好的燃油经济性。将节气门置于各种不同开度时，重复上述试验便可发现，节气门开度越小（发动机负荷越小），则相应于最大功率的入值也越小。表示这些变化规律的图线即为图4—5中的虚曲线1。同样，在各种不同的节气门开度下（发动机在各种不同的负荷下），都存在着一个燃油消耗率最小的入值，但其数值也是随发动机负荷的减小而降低的，如图4—5中的虚曲线2所示。曲线2说明，最经济的可燃混合气并不总是稀的。在小负荷范围内，混合气也要变得较浓方能保证发动机工作最经济。实际上，对于一定的发动机，相应于一定工况，化油器只能供应一定入值的可燃混合气，该入值究竟应照顾功率的要求，还是照顾经济性的要求，或者二者适当兼顾，这就要根据汽车及其发动机的各种工况进行具体分析。O汽车发动机各种工况对可燃混合气成分的要求由于汽车在使用中的实际装载质量不是定值，路面性质及道路坡度也是多样化的，路上的车流和人流情况又十分复杂，这就使得汽车的行驶速度和牵引力经常需要作大幅度的变化。因此，作为汽车动力的汽油机的工况（负荷和转速），不可能如同用作固定动力的汽油机那样稳定，而是要经常在最大可能的范围内变化。例如，汽车在起步前或在红灯信号下短时间停车时，发动机应作怠速运转。此时负荷为零（节气门开度最小），转速最低；在汽车满载爬陡坡时，节气门应全开（全负荷），但转速并非最高；在一般道路上行驶时，行驶阻力不大，节气门只须部分开启，即发动机在中等负荷下工作，车速和发动机转速也不一定很高；有时在好路上高速行驶，发动机就可能是全负荷，转速又达到最大值。总之，汽车用汽油机工作的特点是：1） 工况变化范围很大，负荷可从0变到100%，转速可从最低稳定转速变到最高转速，而且有时工况变化非常迅速。2） 在汽车行驶的大部分时间内，发动机是在中等负荷下工作的。轿车发动机负荷经常是40%—60%，而货车则为70%—80%。车用汽油机各种使用工况对混合气成分的要求各不相同，现分述如下。1、稳定工况对混合气成分的要求发动机的稳定工况是指发动机已经完成预热，转入正常运转，且在一定时间内没有转速或负荷的突然变化。稳定工况又可按负荷大小划分为怠速和小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷三个范围。（1） 怠速和小负荷工况怠速一般是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速运转，此时混合气燃烧后所作的功，只是用以克服发动机内部的阻力，使发动机保持最低转速稳定运转。汽油机怠速转速一般为400—800r/mino怠速工况时，节气门处于接近关闭位置，吸人气缸的可燃混合气不仅数量极少，且其中的汽油雾化蒸发也不良，此时混合气的燃烧不完全，怠速工况排出的HC与CO很多。此外，由于进气管中的真空度很高，如果当进气门开启时气缸内的压力仍高于进气管压力，废气就可能膨胀而冲入进气管，而后又随着新鲜混合气一起被吸入气缸，因而吸入气缸中的气体废气含量较大。为保证这种品质不良而且被废气稀释过的混合气能正常燃烧，化油器提供的混合气必须较浓，即入应为0.6〜0.80。当节气门略开而转入小负荷工况时，新鲜混合气的品质逐渐改善，废气对混合气的稀释作用也逐渐减弱，因而混合气浓度可以减小至入=0.7〜0.9。这一负荷范围内的理想的混合气成分变化规律如图4—5中曲线3的相应区段。为了减少怠速排气中的有害成分，宜采用较高的怠速转速。（2） 中等负荷工况车用发动机在大部分工作时间内处于中等负荷状态。在此情况下，节气门有足够的开度，废气稀释的影响可以忽略不计。此时，燃油经济性要求是首要的，化油器应供给接近相应于燃油消耗率最小的人=1.0〜1.15的混合气，如图4—5中曲线3在中等

负荷范围内的一段。这样，功率损失不多，节油的效果却很明显。图4-5理想化油器的特性（转速一定）1—相应于最大功率的*值2—相应于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性（3）大负荷和全负荷当汽车需要克服较大的阻力（例如上坡或在艰难的道路上行驶时）而要求发动机能发出尽可能大的功率时，驾驶员往往将加速踏板踩到底，使节气门全开，发动机在全负荷下工作。这时，要求化油器能供给相应于最大功率的浓混合气Q=0.85-0.95）。在达到全负荷之前的大负荷范围内，化油器所供给的混合气应从以满足经济性要求为主逐渐转到以满足动力性要求为主。即在大负荷范围内，理想的混合气成分变化曲线图4-5理想化油器的特性（转速一定）1—相应于最大功率的*值2—相应于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性2、过渡工况对混合气成分的要求汽车在运行中主要的过渡工况有冷起动、暖机、加速及急减速等几种。（1） 冷起动发动机起动时转速极低（只有100r/min左右），因此化油器中的空气流速非常低，不能使汽油得到良好的雾化，其大部分将呈较大的油粒状态，特别是在冷起动时，这种油粒附在进气管壁上，不能及时随气流进入气缸内，从而使气缸内混合气过稀，以至无法燃烧。为此，要求化油器供给极浓的混合气1=0.4〜0.6），以保证进入气缸内的混合气中有足够的汽油蒸气，使发动机得以顺利起动。（2） 暧机冷起动后，发动机各气缸开始自动运转，发动机温度逐渐上升暖机），直到接近正常值，发动机能稳定地进行怠速运转为止。在此暖机过程中，化油器供出的混合气的过量空气系数入值应当随着温度的升高，从起动时的极小值逐渐加大到稳定怠速所要求的数值为止。（3） 加速发动机的加速是指负荷突然迅速增加的过程。当加速时，驾驶员猛踩加速踏板，使节气门开度突然加大，以期发动机功率迅速增大。这时，通过化油器的空气流量瞬时随之增加，但是，液体燃料的惯性远大于空气的惯性，其燃料流量的增长比空气要慢得多，致使混合气暂时过稀。而且，在节气门急开时，进气管内压力骤然升高，同时由于冷空气来不及预热，使进气管内温度降低。这种条件当然不利于汽油蒸发，致使燃料的蒸发量相对减少。因此，除非有额外的燃料添加进去，否则将会出现瞬时混合气过稀现象。这不仅达不到使发动机加速的目的，而且还可能发生发动机熄火现象。为了改善汽车发动机的加速性能，化油器应能在节气门突然开大时，额外添加供油量，以便及时使混合气加浓到足够的程度。（4） 急减速当汽车急减速时，驾驶员急速抬起加速踏板，节气门迅速关闭。这时由于进气管真空度激增而使沿进气管壁面流动的油膜迅速蒸发，使混合气变浓，燃烧恶化，排气中HC的含量迅速增加。因此，当汽车急减速时，化油器中的节气门缓冲器可以减缓节气门关闭的速度和限制节气门开度，从而避免混合气过浓。综上所述，车用汽油机在正常运转时，在小负荷和中负荷工况下，要求化油器能随着负荷的增加供给由较浓逐渐变稀的混合气成分。当进人大负荷范围直到全负荷工况下，又要求混合气由稀变浓，最后加浓到能保证发动机发出最大功率。这种在一定转速下，汽车发动机所要求的混合气成分随负荷变化的规律，称为理想化油器特性（图4—5）。将理想化油器特性与图4—3所示的简单化油器特性相比较，可以看出二者截然相反。这是因为简单化油器只是靠喉管真空度吸出汽油，所以在怠