《发动机原理》第五章汽油机混合气的形成和燃烧(第次课)

上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制3．喷油量的控制喷油量:=实际进入气缸的空气量/目标空燃比，即Gf：取决于喷孔直径、孔数、针阀升程、喷射压力和喷射脉宽(Ti)当喷油器结构确定，喷射压力为常数时：K0：与喷油器结构有关喷油量的控制喷射脉宽Ti的控制上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制Ti的确定：Tp：基本喷射时间标准条件下由目标空燃比确定；Fc:Tp的修正系数；Tv:喷油器的无效喷射时间。上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制a)Tp的确定

热线式流量计：喷油器是按每转喷射G:单位时间质量流量；K0：常数；G/n：每转进入气缸的空气质量。卡门涡式流量计：

b）Fc的确定根据进气量的测量方式Fc的确定方法有所不同。质量流量式EFI，主要考虑5个方面的因素：

上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制①FET：温度修正系数因温度不同，影响雾化质量影响混合气浓度。低温时，雾化蒸发不良混合气过稀熄火。高温时，燃油易蒸发“汽阻”现象影响高温再起动性。起动后增量修正系数：低温起动时，着火后数十秒内进行的增量修正。怠速暖车增量修正系数FI：

修正起动后，进气门、气缸壁表面温度、冷却水温TW随时间而时，油膜蒸发作用不同造成的混合气偏稀的部分。

上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制

高温修正系数FT：指汽车大负荷高速行驶后停车10~30分钟后再起动的2~3分钟时间内的加浓修正②加减速修正系数FAD：加速修正系数FAC：原因：加速时，造成缸内a变稀。

减速修正系数FDC：原因：减速时，a变浓

上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制③氧传感器反馈修正系数FO：O2传感器反馈控制a=1，提高a的控制精度。

修正方法：a=1的正确判定ECU反馈控制。④学习控制修正系数FL：原因：因发动机长期使用一些零部件磨损等使反馈控制的空燃比偏离目标值的部分，控制精度

修正方法：三过程a)学习过程：确定量b)记忆过程：记忆c)实施过程：修正上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制⑤大负荷高转速增量修正系数FH：原因：大负荷时，要求输出最大转矩需要功率混合气a=0.85~0.95。

三、速度密度式原理：通过进气压力传感器和温度传感器的测量值，结合发动机转速传感器进行推算进气流量。上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制1．进气量的推测原理由充气效率定义：进入气缸的空气质量：即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，实时检测进气压力和温度，求得Ga。上次课内容回顾§5-3汽油机燃料喷射量的控制2．喷油脉宽Ti的确定：Ka：进气温度修正系数；Kw：怠速暖车修正系数;Kk：加减速修正系数；Kp：节气门开度修正系数；Kf：反馈修正系数；Ks：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。上次课内容回顾§5.4汽油机燃烧组织方式及燃烧室一、对燃烧室的基本要求燃烧室结构形状: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。要求：1)结构要紧凑面容比A/V：表征火焰传播距离、散热面积以及熄火面积；

2)良好的充气性能进气门/进气道布置，流通面积，进气阻力3)火花塞位置缩短火焰传播距离4)可组织适当的气流上次课内容回顾§5.4汽油机燃烧组织方式及燃烧室二、燃烧室内的气流特性燃烧室内宏观气流运动特性的定义：涡流：绕气缸中心线（z轴）旋转的气流滚流：绕⊥于气缸中心与缸心距沟成的面(y轴)旋转的气流侧滚流：绕⊥气缸中心与缸心距构成面的（x轴）旋转的气流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涡流方式;

只通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式三、典型燃烧室楔形：结构较紧凑、火焰传播距离短，挤气面较大半球形：结构紧凑，A/V值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快浴盆形：椭圆形挤气效果差，A/V值大，火焰传播距离长碗形：结构紧凑，火焰传播距离短，挤气效果好燃烧室的A/V较大，散热损失活塞顶上的回转体§5.4汽油机燃烧组织方式及燃烧室1、锲形燃烧室布置在气缸盖上，火花塞在楔形高处的进、排气门之间，因此火焰距离较长，一般设置挤气面积。气门稍倾斜使气道转弯较少，减少进气阻力，提高充量系数，压缩比也可以有较高值，达9－10。这种燃烧室有较高的动力性和经济性。但由于混合气过于集中在火花塞处，使初期燃烧速率和压力升高率大，工作粗暴一些。火花塞

2、浴盆形燃烧室

浴盆形燃烧室高度是相同的，有挤气面积，但挤气的效果较差，火焰传播距离也较长，燃烧速率比较低，燃烧时间长，压力升高率低。试验证明，适当增加挤气面积比，可以改善发动机的性能。浴盆形燃烧室的F／V较大，对HC排放是不利的，但压力升高率低，工作柔和，NOx排放低。3、半球形燃烧室

半球形燃烧室也在气缸盖上，一般配凸出的活塞顶。燃烧室紧凑，且火花塞能布置在中央，是火焰传播距离最短的一种。进排气门倾斜布置。两气门之间角度为50°～75°。气流进入气缸转弯最小，充量系数大，在非常高的转速下仍能保持满意的充量系数。

一般不组织挤流3、半球形燃烧室一般不组织挤流最高转速在6000r／min以上的车用汽油机几乎都采用半球形燃烧室。这种燃烧室F／V值小，HC排放低。半球形燃烧室一般不组织挤流，如果要组织挤流，将使活塞头部形状复杂一些。由于火花塞周围有较大的容积，使燃烧速率和压力升高率大，工作较粗暴。由于最高燃烧温度高，NOX排放较高，半球形燃烧室气门布置较为复杂，多采用双顶置凸轮轴。四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统1）分层燃烧均匀混合燃烧特点：A/F变化范围窄(=12.6~17)，且在较高温度下易爆燃限制,t;分层给气燃烧的特点：缸内形成A/F梯度分布;

火花塞附近较浓可靠点燃；

A/F梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配合实现。

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。（1）进气道喷射式分层给气燃烧方式根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式横向分层燃烧方式1．轴向分层稀薄燃烧关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配A/F可达22

晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布

进气初期只有空气进入气缸强烈涡流气门达hmax时喷油，靠涡流上浓下稀分层

径向分量>轴分量大时轴向分层2．横向分层稀薄燃烧利用4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。

喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气缸中央

滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空气，形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布A/F=23，经济性6~8%，NOx80%(2)缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧GDI燃烧系统与PFI的比较PFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范围有限。GDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内喷油。更容易控制缸内混合气形成。通过喷射时期的控制可实现均质混合气燃烧、分层稀薄燃烧以及HCCI1．GDI混合气形成机理关键技术：进气系统和燃烧室形状缸内滚流；高压喷射控制喷雾与缸内气流配合；火花塞及喷射位置匹配分层混合气的形成方式3~5MPa喷油器中央布置+涡流火花塞中央布置+涡流滚流为主挤流为主2．GDI燃烧方式的特点气缸压力推迟点火提前角，放热速率，放热持续时间

质调节，取消节气门泵气损失。油雾缸内蒸发燃烧室壁面T，传热损失。v，，t。分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，传热损失。混合气易分层稳定分层稀燃。A/F控制及过渡工况控制更精确。因车用发动机不同工况对A/F要求不同：稀燃工况范围只限于中小负荷区。大负荷或全负荷区：进气行程中喷油目标空燃比实现均匀混合气

在中小负荷区：压缩行程后期喷油上浓下稀的分层混合气。螺旋进气道或导气屏进气涡流

顺着气流喷油，喷射压力2MPa气流外缘形成较浓混合气火花塞安装位置3．典型的GDI分层稀燃系统①TCCS燃烧系统（Texacocontrolledcombustionprocess）燃气体和未燃气体靠密度差分离②GDI滚流分层稀燃系统三菱4G型汽油机：早喷射晚喷射纵向直进气道+半球形燃烧室强烈的反滚流与喷雾配合，分层A/F=40，=12丰田D4型汽油机：通过喷射方式的有效控制和燃烧室内涡流的优化匹配实现A/F=50稳定燃烧2）稀薄燃烧控制主要控制目的：精确控制A/F，使汽车百公里油耗最低；同时降低排放关键技术：A/F精确控制在Ttq允许的范围内控制方法空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈控制。空燃比传感器在ZrO2固体上施加电压时，产生与排气中的O2浓度成比例的O2离子的移动，从而形成电流，即

气缸压力反馈控制法：通过气缸压力传感器检测每循环缸压，求Ttq，A/F反馈控制使Ttq限制在允许范围内步骤：规定曲轴位置上测缸压p；N循环求Ttq

、Ttq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CO、HC、NOx、CO2；曲轴箱通风向大气排出的HC排放；燃料供给系中燃料蒸发的HC等。污染物来源不同，措施不同：尾气排放燃烧系统改进+后处理技术；曲轴箱通风PCV阀回流到进气管；燃料供给系蒸发物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活性碳罐吸收装置用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中随情系空气进入气缸。活性炭活性炭罐单向阀产生机理：N2和O2在高温下化合的结果

Zeldovich机理:因素及措施：O2浓度，燃烧温度Tz，滞留时间

危害：NO2

是刺激性毒气;

破坏O3层平衡

测量方法:化学发光法(CLD)

N2分解需较大活化能决定NO形成的高温条件O在NO形成中起活化链作用，所需活化能小，反应快

1）NO2）CO1．产生机理及影响因素

C/H不完全燃烧产物受反应速度、温度及a的影响在a<1时因缺氧C不能完全氧化，易生成CO；

a>1下燃烧时局部不均匀局部燃烧不完全CO排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化少量CO

2．危害：与血红素的结合能力强，是氧的300倍；破坏造血功能中毒死亡(0.3%)

3.测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR）3）HC1．HC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汽油机燃烧过程中HC的生成：①缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用②缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效应，生成大量HC

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；花塞螺纹和火花塞中心电极周围等处③积碳和壁面油膜的吸附效应：缸壁上的润滑油膜，活塞顶及燃烧室壁面、进排气门上的积碳吸附HC膨胀和排气中释放出来④不完全燃烧：a<1状态，怠速时r较大；加减速时混合气瞬间过浓或过稀局部不均匀不完全燃烧HC。⑤失火：易失火条件混合气局部过稀或过浓，或点火时刻不当以及点火系统出现故障等。2．危害：阳光下与NOx反应光化学烟雾；醛类和多环芳香烃危害大

3.测量方法：氢火焰离子化法（FID）

二、影响汽油机排放特性的使用因素排放物是燃烧过程的产物凡是影响混合气形成和燃烧条件的因素影响排放物。1）a的影响

NOx的峰值出现在ab=1.03~1.16a<ab虽Tz高,但O2浓度；过浓：Tz；CO/HCa>