发动机原理课件5

第5章汽油机混合气的

形成和燃烧学习目标本章属于发动机原理的基本内容，包括汽油机混合气的形成、汽油喷射及控制、汽油机燃烧过程、汽油机的燃烧室等四节。通过本章学习，要求掌握电控汽油喷射式混合气形成方式的基本原理和主要结构组成，并能对比分析化油器式和电控汽油喷射两者的优缺点；掌握汽油机的燃烧过程及影响因素；了解汽油机的不正常燃烧现象；能够对几种常用的燃烧室的特征及性能进行对比。汽油机混合气的形成汽油机的均质可燃混合气的形成方法主要有3种：（1）化油器式：利用化油器在气缸外部形成大致均匀的可燃混合气，依靠控制节气门开度的变化来调节混合气数量。（2）缸外汽油喷射式（电控汽油喷射式）在一定压力下利用喷油器直接向进气管或进气道内喷射汽油，与吸入的空气相混合形成可燃混合气。（3）缸内直喷式汽油机，其在节能方面具有很大优势。汽油机的燃料供给方式与所形成可燃混合气的关系燃料供给方式位置形成的可燃混合气功率调节方式化油器式向进气管供油均质可燃混合气α<1.15量调缸外汽油喷射式向进气管或各缸进气道喷油均质可燃混合气α<1.15量调缸内汽油喷射式直接向各缸内喷油中、低转速和负荷工况形成浓度分层的混合气，平均α可达3.0～3.4高转速和负荷工况形成均质混合气平均α≈1.0质调过量空气系数α对动力性、燃料经济性和排放的影响稳定工况和热机怠速工况对混合气的控制要求燃料供给方式稳定运行工况热机怠速工况部分负荷工况节气门接近全开及全开工况过量空气系数怠速转速／r／min化油器供油大体接近于最经济混合气随负荷加大而逐渐加浓到节气门全开时的最大功率混合气α在0.8左右，以最小节气门开度下指示功率最大为准600～800电控汽油喷射无三元催化转化器开环控制按最经济混合气浓度供油开环控制随负荷加大而逐渐加浓到节气门全开时的最大功率混合气开环控制α略小于1闭环控制，并至少有高、低两个控制目标值：低怠速800～900高怠速l000～1100电控汽油喷射带三元催化转化器闭环控制过量空气系数在1附近闭环控制α≈1过渡工况对混合气的控制要求汽车实际使用工况中冷机起动、暖机、加速和减速都是变工况过程。当发动机工况稳定时，进气管内气流速度、气体压力与温度、管壁温度等均稳定，油膜沿进气管全长的分布情况、蒸发速率等也都稳定不变，这时在同一单位时间内被吸进气缸的燃油总量必定同化油器或中央喷油器的供油量保持平衡。但在工况变动时，这两种燃油量是不一致的。过渡工况对混合气的控制要求冷机起动：燃油和空气温度很低，汽油雾化性差，大部分燃料以油膜状态流进气缸，而在冷气缸中能气化的只是燃油中的轻馏分，大部分燃油会沿缸壁流失和随排气排出，气缸内混合气过稀，起动困难。要使冷机起动时缸中实际形成的混合气浓度落到点火界限之内，就必须设置起动系统，供给极浓的混合气。暖机：起动后随着发动机温度升高，燃油蒸发量加大，因此在暖机时要求比起动瞬间有稍稀的混合气，要求在暖机过程中逐渐减少供油量。过渡工况对混合气的控制要求加速：节气门急速打开时，由于燃油惯性大于空气，在打开节气门之后的一个短时间里发动机吸进的燃油量增加滞后，缸内混合气瞬时变稀，甚至过稀，要过一段时间才能达到新的平衡状态。这使曲轴转速提高缓慢或降低，这会影响汽车加速性，严重时甚至可能发生熄火或化油器回火。因此在汽车加速时，额外多供给一些燃油使缸内混合气不至于过稀，满足加速的需要。过渡工况对混合气的控制要求急减速：节气门突然关闭，此时由于惯性作用，发动机仍保持很高的转速，因此进气管真空度急增，进气量减少，进气管内气压急降而管壁温度降低缓慢，油膜蒸发更快，供油量增加，缸内混合气变浓，车辆也不能平顺减速。因此，在急减速时宜利用阻尼器使节气门缓慢关闭（用化油器时）或者使怠速旁通空气道的通路面积缓慢减小（电控喷油时），以延缓进气量的减少而防止缸内混合气过浓。化油器供油方式的缺点（1）燃油雾化程度受空气密度的影响；（2）过量空气系数受空气密度的影响；（3）多缸机混合气分配不均匀；（4）负荷变动造成附加的燃油耗和排放恶化；（5）充气效率较低；（6）化油器结冰；（7）浮子式化油器的工作受发动机姿势的影响；（8）发动机制动影响排放和油耗。汽油喷射的发展史（1）二战以前由于航空发动机化油器结冰和起火的事故频频发生，1906年开始试验将汽油喷射用于二冲程和四冲程航空发动机。这一时期汽油喷射以航空为主，采用机械控制；美国采用进气口喷射，德国则直接往气缸内喷射。汽油喷射的发展史（2）二战以后，转入车用二战以后，活塞式航空发动机迅速被喷气式航空发动机取代，因此汽油喷射由航空转入车用。初期以二冲程为主，既用于轿车也用于载重车。后发现二冲程汽油喷射困难重重，于是转而以四冲程为主。这一时期的汽油喷射装置都是机械控制的，二冲程逐渐让位于四冲程，缸内喷射逐渐让位于进气口喷射。当时汽油喷射在车用汽油机上的推广存在三个问题：①价格高，因为当时汽油喷射还未被广大的消费者所接受，生产批量小，成本高；②性能不够完善，可靠性较差，加速性和起动性也差；③维修困难，维修人员的培训没有跟上。汽油喷射的发展史（3）电子控制阶段

1957年是汽油喷射发展史上具有重要意义的一年。因为这一年的1月15日

Bendix公司在底特律的汽车工程学会年会上正式推出了电子控制汽油喷射系统。这一技术后来被德国BOSCH公司买断并加以改进，开发成D-Jetronic电子控制汽油喷射系统。该系统采用转速-密度法进行燃油定量控制，现已完全淘汰，不再生产。汽油喷射的发展史（3）电子控制阶段BOSCH公司1973年开发出L-Jetronic电子控制汽油喷射系统,采用阻流板式空气流量计代替D-jetronic的进气歧管压力传感器提供负荷信息。上述系统不能以电子手段控制点火提前角，其电子控制范围仅覆盖燃油喷射，故称为电子控制燃油喷射系统（ElectronicFuelInjection缩写成EFI）。L-Jetronic正在淘汰过程中。汽油喷射的发展史

（3）电子控制阶段1979年BOSCH公司将点火提前角电子控制与燃油定量电子控制融为一体，开发出Motronic，并引入爆震控制、废气再循环等，以满足更趋严格的性能和排放要求，其电子控制范围覆盖整个发动机，故称为发动机管理系统（EngineManagementSystem,缩写为EMS）。Motronic和Mono-Motronic（单点喷射）是上世纪90年代世界上轿车汽油机中最流行的发动机管理系统之一，1995年产量分别达210万和200万套（包括少量的Mono-Jetronic）。发动机汽油喷射的发展过程汽油喷射的分类（1）按喷油器数量分①多点喷射（MultiPointInjection，缩写为MPI）每个气缸有一个专用的喷油器用于为该气缸提供汽油。属于多点喷射的有BOSCH的L-Jetronic、Motronic等系统。②单点喷射（SinglePointInjection,缩写为SPI）几个气缸共用一个或两个喷油器生成混合气。属于此类的有BOSCH公司的Mono-Jetronic和Mono-Motronic等系统。汽油喷射的分类（2）按喷油地点分①喷入气缸（DirectInjection,缩写为DI）与柴油机一样，直接将燃油喷入气缸,又称为直接喷射。稀薄燃烧的汽油机通常可用直接喷射产生不均匀混合气，如三菱公司的GDI。②喷在进气门前喷油器装在进气管上，燃油喷在进气门前，又称进气口喷射（PortFuelInjection,缩写为PFI）。只有多点喷射才能采用上述两种喷射方式。③喷在节气门上喷油器装在节气门体上，燃油喷在节气门阀板上，用于单点喷射后两种喷射方式又称间接喷射（InDirectInjection,缩写为IDI）。汽油喷射的分类（3）按喷油的连续性分①连续喷射在发动机运行过程中连续不断地喷油，如BOSCH公司的K－Jetronic和KE-Jectronic。连续喷射不能用于直接喷入气缸。②间歇喷射此时发动机一个工作循环中只在一定的曲轴转角范围内喷油。间歇喷射既可用于多点喷射，又可用于单点喷射；既用用于喷入气缸，也可用于喷在进气门前或喷在节气门上。目前生产的汽油喷射装置几乎都采用间歇喷射。汽油喷射的分类（4）多点间歇喷射按各缸喷油相位分①同时喷射各缸喷油器同时喷油。此时各缸喷油相位不同,不能用于直接喷射。②成组喷射各缸喷油器分成若干组,同组喷油器同时喷油。③顺序喷射各缸喷油器都在各自固定的曲轴相位喷油，效果最佳，目前盛行。汽油喷射的分类（5）按汽油喷射控制方式分①机械控制通过机械装置将发动机负荷、转速、冷却液温度、进气温度、大气压力等信息传递给喷油装置以实现燃油定量控制。这类控制的精度较差，早已被电子控制取代。②电子控制利用传感器采集发动机负荷、转速、冷却液温度等等信息，利用电子控制单元对这些信息进行分析处理,最终由电子控制单元发出指令，通过电动燃油泵、喷油器等执行器控制燃油定量。现代汽车发动机汽油喷射装置都是电子控制的。汽油喷射的分类（6）电子控制按负荷信息传感方法分①间接传感用转速-密度法或转速-转角法确定每循环吸气量。②直接传感用空气流量传感器直接测定单位时间吸气量，再根据发动机转速算出每循环吸气量。汽油喷射的分类（7）电子控制接信息处理方式分①模拟式采用模拟电路处理数据（信息）早期用于D-Jetronic和L-Jetronic等,现已淘汰。②数字式采用数字电路处理数据，目前为电子控制汽油喷射所普遍采用，如L3-JetronicMotronic、Mono-Jetronic等。汽油喷射的优点（1）混合气生成的质量不受空气密度的影响；（2）过量空气系数不受空气密度的影响；（3）多点喷射，进气歧管中的气流不含燃油，进气歧管壁上没有燃油膜，不存在多缸机混合气分配不均匀的问题；（4）多点喷射，进气歧管中流动的是纯空气，不会因为气流中含有燃油而在节气门开度减小、压力下降时引起附加的燃油从壁面油膜进入气流而造成附加油耗和排放恶化问题；（5）多点喷射，过渡工况的性能得到改善；（6）充气效率增大；首先是因为汽油喷射取消了化油器，因而取消了喉管，革除了进气系统的“瓶颈”；其次是因为进气歧管壁上不存在油膜了，故不必利用排气管加热进气管，而使进气温度得以降低；同时由于进、排气歧管可分置于机体两侧，形成所谓的“横流扫气”，因此改进了工质交换过程。汽油喷射的优点（7）由于喷油器温度很高，减少了混合气生成系统结冰的危险；（8）汽油喷射系统的工作与重力无关，因此不受发动机姿势（水平或倾斜）的影响；（9）发动机断油方便；（10）降低缸内温度；燃油直接喷入缸内或虽然喷在进气门前但喷油时间与进气门开启时间部分重叠的场合，会有燃油在进入气缸后吸热汽化,导致缸内温度降低。（11）可增大气门叠开角，实现纯空气扫气；（12）便于实现分层充量、稀薄燃烧；汽油喷射的优点（13）燃油定量精确；化油器集燃油雾化、汽化、扩散和混合等加工过程与燃油定量控制于一身，控制精度难以保证。汽油喷射系统中，燃油加工由燃油泵和喷油器完成，燃油定量控制则另有装置专司，两者分开，为很高控制精度创造了条件。（14）降低油耗，延长寿命在同等功率水平下，降低油耗意味着降低热负荷，有利于提高气门、气门座、气缸盖和活塞等零件的寿命。（15）确定工作的转速范围大（16）由于取消了化油器，可以降低发动机高度，给发动机在汽车中的布置带来了方便；（17）燃油定量对燃油粘度不敏感；汽油喷射的组成空气系统1-喷油器2-稳压腔3-节气门体4-空气流量传感器5-空气滤清器6-空气阀7-发动机空气的流量由通道中的节气门来控制（节气门由油门踏板操作）。踩下油门踏板时，节气门打开，进入的空气量多。怠速时，节气门关闭，空气由旁通道通过。

空气系统的三个主要零部件是空气流量传感器、空气阀和节气门。空气流量的检测方法根据空气量的计量方式的不同，空气流量检测方法可以分为两类：一类是直接测量方式，它直接通过空气流量传感器测量空气量，又可以分为质量流量检测方式和体积流量检测方式。另一类是间接测量方式。常用空气流量传感器有叶片式、卡门漩涡式及热线（或热膜）式等几种。空气流量检测方式（a）直接测量方式（b）密度-转速方式（c）转角-转速方式1-空气流量传感器2-进气管3-发动机4-喷油器Q-吸入的空气量N-转速p-进气管压力α-节气门开度q-喷油量各种类型的空气流量计空气阀空气阀安装在与节气门并联的旁通空气回路上，在发动机冷机起动而且节气门全闭时，为加速暖机而开启旁通回路。采用空气阀以后，可以使发动机冷起动时，增加旁通空气量，提高怠速转速并加快暖机过程。燃油系统a.系统框图b.多点喷射系统构成图1-燃油箱2-电动汽油泵3-燃油滤清器4-回油管5-燃油压力调节器6-各缸进气歧管7-喷油器8-油轨9-稳压腔10-冷启动喷油器11-燃油压力阻尼器汽油由汽油泵从油箱中泵出，经过汽油过滤器，除去杂质及水分后，再送至汽油脉动减振器。这样具有一定压力的汽油流至供油总管，再经各供油歧管送至各缸喷油器。

燃油系统的关键零部件电动汽油泵：将直流电动机与转子式（或叶轮式）汽油泵联成一体的结构。它将汽油从油箱吸出，泵至油轨，再供给喷油器。燃油压力调节器：燃油压力调节器的作用是使喷油器的供油压力相对于进气歧管压力总是高出一个恒定值。喷油器：喷油器内设置电磁线圈、插棒式铁心（即磁心）、针阀等，针阀与铁心连成一体，当电磁线圈通电时，铁心被吸引，针阀开启。电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少。涡轮式电动汽油泵汽油泵部分主要由一个或两个叶轮、外壳和泵盖组成。当叶轮旋转时，叶轮边缘的叶片把汽油从进油口压向出油口。特点是供油压力的脉动小，供油系统中不需要设置减振器，易于小型化，适合装在油箱内，简化供油系统管路，降低噪声。由于它输送率低，故主要用于低压且输送量大的场合。燃油压力调节器构造b)特性1-燃料室2-阀3-壳体4-弹簧室5-弹簧6-膜片

燃油压力调节器膜片下部为从电动汽油泵压入并充满整个燃料室的压力油，膜片上部受到弹簧力及进气管压力的作用。当进气管压力变化，使膜片受力后的平衡位置发生变化，从而控制经出口流回油箱油量的增减，来保证喷油器针阀两端的压差恒定，防止因进气管压力变化而引起喷油量变化。汽油压力调节器的主要功用是：使系统油压（即供油总管内油压）与进气歧管压力之差保持常数，一般为250kPa。这样，从喷油器喷出的汽油量便唯一地取定于喷油器的开启时间。

电磁喷油器

控制系统1-起动机2-主继电器3-电路开启继电器4-汽油泵5-燃油箱6-滤清器7-蓄电池8-转速及曲轴转角位置传感器9-点火开关10-点火线圈11-大气压力传感器12-空气滤清器13-进气温度传感器14-空气流量计15-冷起动喷嘴16-空气阀17-节流阀位置传感器18-压力调节器19-氧传感器20-起动喷嘴时间开关21-水温传感器22-控制系统部件

电子控制系统的功用是根据各种传感器的信号，由计算机进行综合分析和外理，通过执行装置控制喷油量等，使发动机具有最佳性能。

控制系统的组成各类传感器：感知信息的零件，负责向ECU提供汽车和发动机的运行状况；电控单元（ECU）：采集和处理各种传感器的输入信号，根据发动机工作的要求（喷油脉宽、点火提前角等），进行控制决策的运算，并输出相应的控制信号；当前电控发动机中除了控制喷油外，还控制点火、怠速和EGR等，由于共用一个ECU对发动机进行综合控制，所以又称为发动机管理系统（EMS）；执行单元：负责执行ECU发出的各项指令，主要有喷油器、怠速执行器、电动汽油泵、EGR阀和吸附碳罐等。燃油喷射时间燃油喷射时间TR取决于基本喷射时间TP、修正喷射时间Tm及电压修正时间TV三项之和，即TR=TP+Tm+TV

基本喷射时间由吸入空气量Q及转速n按下式算出：

TP=KPQ/n汽油机燃烧过程A-已燃区U-未燃区BL-燃烧气体的热边界层W-气体对活塞做功Q-燃烧室壁散热一些基本概念着火，是指混合气的氧化反应加速、温度升高、以致引起空间某一位置最终在某个时刻有火焰出现的过程。汽油机采用电火花点火的方式使可燃混合气着火。电火花由点火系统产生，并且必须在规定的时刻点燃压缩混合气，即点火正时。从火花塞点火至上止点的曲轴转角称为点火提前角。点火提前角的选择应满足下列要求：①发动机功率最大；②燃油经济性最好；③发功机不发生爆燃；④排放指标好——同时满足上述要求很困难。正常燃烧过程的划分阶段Ⅰ-着火延迟期Ⅱ-明显燃烧期Ⅲ-补燃期1-开始点火2-形成火焰中心3-最高压力点（1）着火延迟期从火花塞跳火开始（点1），到火焰中心形成，示功图上气缸压力明显脱离压缩线而急剧上升（点2）的时间或曲轴转角。火花塞跳火，而后能否形成稳定的火源受到多种因素的影响。当可燃混合气过浓或过稀时，在火花塞跳火后，并不能形成火焰核心，也没有火焰传播，这两个界限的混合气浓度，称为着火界限。一般当过量空气系数α＝0.5~1.3范围内时才能形成稳定的火源。。着火延迟期就是火焰中心和稳定火源的形成期。希望尽量缩短着火延迟期并保持稳定。（2）明显燃烧期从形成火焰中心到火焰传播到整个燃烧室，示功图上常指压力达到最高点（点3）为止。因为绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以气缸压力得以迅速上升。常用平均压力升高率MPa/(°)表征压力变比的急剧程度。汽油机在0.2～0.4MPa/(°)的范围内。明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期越短，越靠近上止点，汽油机经济性、动力性越好，但可能导致值过高，噪声、振动大，工作粗暴，排放性能变差。一般明显燃烧期约占20°～40°曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后12°～15°曲轴转角，平均压力升高率=0.175～0.25MPa/(°)为宜。（3）补燃期它是指明显燃烧期以后的燃烧，主要有火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧，缸壁附面层中的未燃混合气部分燃烧以及高温分解的燃烧产物（H2、CO等）重新氧化。因为这种燃烧已远离上止点，应尽量减少。不正常燃烧(1)-爆震爆震（燃烧）：特征是气缸内发出清脆的金属敲击声，亦称之敲缸。爆震产生的原因是；在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分末端混合气受到压缩和接受辐射热能，加速了先期反应而自燃。这部分自燃混合气的燃烧速度极快，火焰速度可达300m/s，甚至1000m/s以上，使局部压力、温度增高，并伴随有冲击波。压力冲击波反复撞击缸壁，发出敲击声，严重时破坏缸壁表面的附面气膜和油膜，使传热增加，导致气缸盖和活塞顶部温度升高，冷却系过热，功率下降，燃油消耗率增加，甚至造成活塞、气门、火花塞电极的烧坏等。汽油机不允许在严重爆震燃烧的情况下工作。不正常燃烧(1)-爆震爆震（燃烧）：特征是气缸内发出清脆的金属敲击声，亦称之敲缸。爆震产生的根本原因是：终燃混合气的自燃。

点火后随即出现自燃。防止爆燃的指导思想：t1<t2影响爆震的因素燃料性质：辛烷值高的燃料抗爆震能力强。末端混合气的压力和温度：末端混合气的压力和温度增高，则爆震倾向增大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，容易发生爆震。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，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆震。不正常燃烧(2)-表面点火在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、火花塞电极或积碳等）点燃混合气的现象称为表面点火。早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气的现象。使压缩负功增大，有可能致使功率下降。早燃会诱发爆震，爆震又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，形成所谓“激爆”现象，危害可能更大。爆震与表面点火的区别与爆震不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷。爆震燃烧在示功图上的特征是具有压力的振动（有锯齿波），而表面点火的示功图则无锯齿波，只是压力升高率增加很高。使用因素对燃烧过程的影响点火提前角混合气成分转速：转速增加时，应增大点火提前角；负荷：负荷减小时，进入气缸的新鲜混合气数量减少。而残余废气量基本不变，故燃烧恶化，需供给较浓混合气，经济性显著降低。需要增大点火提前角。点火提前角混合气在发动机内完全燃烧需要一定的时间，为使热效率充分发挥，最好在上止点后12°～15°曲轴转角时出现最高压力点。因此点火时间必须适当提前。发动机在不同的节气门开度、转速及混合气浓度下运行时，所需的点火提前角是不同的。点火提前角调整特性说明对应于每一工况都存在一个“最佳”点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。点火提前角胀冲程进行，燃气与气缸热交换面积扩大，燃气的最高压力较低且膨胀不完全，排气温度升高，转变为功的热量减少。结果使发动机过热功率下降，耗油率增加。点火提前角过大，就会有相当部分的混合气在压缩过程中燃烧，燃烧最高压力和压力升高率过大，活塞所消耗的压缩功增加，还将促使燃烧室内末端混合气燃烧前的温度升高，爆震倾向加大，当发动机发生爆震时，将点火时刻推迟一些，即可消除。在点火与汽油喷射结合的电控系统中，电控的点火系统能保证发动机在任意运行工况下都能获取最佳的点火提前角，因而使发动机具有最佳的性能。汽油机的点火调整特性a)节气门全开时b)转速n=1600r/min混合气成分改变过量空气系数α值时，火焰传播速度发生变化，影响燃烧过程。（1）功率混合气：当α=0.85～0.95时，火焰传播速度最快，这种浓度的混合气将使发动机发出最大功率，故称为功率混合气。但爆震倾向加大。此时有效耗油率较高。（2）经济混合气：当α=1.05～1.15时，火焰传播速度仍较高，混合气中的氧气足够使燃料完全燃烧，此时发动机的热效率最高，有效耗油率最低，故称经济混合气。汽车行驶的大部分时间是汽油机处于中等负荷下工作，这时使用经济混合气可提高其燃料经济性。混合气成分改变过量空气系数α值时，火焰传播速度发生变