第六章 汽油机混合气的形成及燃烧(讲课)

第六章

汽油机混合气的形成与燃烧主要内容第一节汽油机的燃烧过程第二节汽油机电控汽油喷射系统概述第三节空气供给系统第四节燃油供给系统第五节电子控制系统第六节燃油喷射控制第七节汽油机的燃烧室电控汽油喷射系统主要组成部分第一节汽油机的燃烧过程一、正常燃烧过程二、不规则燃烧三、不正常燃烧四、使用因素对燃烧的影响一、正常燃烧过程汽油机正常燃烧过程是由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。1．正常燃烧过程进行情况通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。3点——最高压力点燃烧过程着火落后期明显燃烧期补燃期1点——火花塞点火点2点——形成火焰中心点（1）着火落后期Def：从火花塞点火的1点至气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升的2点为止。特点：1)火花塞放电时两极电压可达10~35kV。借助于电火花能量，首先点燃电极附近的混合气，形成火焰中心。2)气缸压力线较压缩线无明显变化。影响着火落后期长短的因素：混合气成分、开始点火时缸内气体温度和压力、缸内气体流动情况、火花能量及残余废气量。注意：在实际中，对于汽油机来说，着火落后期的长短对工作的影响不是很大；这一点与柴油机着火落后期对燃烧过程的影响是完全不同的。结论：为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期；为了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。（2）明显燃烧期过程：在均质混合气中，当火焰中心形成着火之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。Def：从气缸压力线明显脱离压缩线而急剧上升的2点至最高压力点3为止。

火焰传播速度：压力升高率〔MPa/(º)〕一般明显燃烧期约占20~40ºCA，燃烧最高压力出现在ATDC12~15ºCA，最大压力升高率为0.175~0.25MPa/(º)为宜。

点3到达的过早，会引起压缩负功的增加，压力升高率增加，最高燃烧压力过高。点3到达的过迟，会使膨胀比减小，燃烧高温时期的传热表面增加，放热损失增加。火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。（3）补燃期

Def：从最高燃烧压力点3至燃料基本上完全燃烧为止。此阶段参加燃烧的燃料：

①火焰前锋过后未来得及燃烧的燃料的再燃烧，②贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧，③高温分解的燃烧产物（CO、H2）的重新氧化。为提高热效率，减少污染物的排放量，应尽可能缩短补燃期的时间。2.燃烧速率Def：单位时间燃烧的混合气量。未燃混合气密度火焰前锋面积火焰传播速度补充：在流体力学中，根据流体质点运动形式的不同。流体运动层流：流体质点运动的轨迹是有规则的光滑曲线。湍流：流体质点的运动是毫无规则的是紊乱的。火焰传播层流火焰传播湍流火焰传播提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。层流火焰与湍流火焰①层流火焰特点：火焰前锋面薄且圆滑

②湍流火焰特点：火焰前锋面变厚并出现皱折

③强湍流火焰特点：火焰前锋面的皱折发展成明显的凹凸不平和扭曲，其内部分裂出许多小的未燃混合气区域理解！二、不规则燃烧汽油机不规则燃烧主要有两种：燃烧循环变动和各缸工作不均匀。这两种不规则燃烧都是汽油机在稳定正常运转时发生的。1．燃烧循环变动Def：发动机在某一工况稳定运转时，这一循环和下一循环燃烧过程的压力曲线、火焰传播情况、功率输出等均不相同，是不断变化的。

（1）定义及现象（2）危害

燃烧循环变动发生时，由于燃烧过程各参数不断发生变化，所以对于每一循环，点火提前角和空燃比等参数都不可能调控到最佳值，因此油耗上升、功率下降，随着循环变动的加剧，燃烧不正常甚至失火的循环数逐渐增多，HC、CO等不完全燃烧产物增多，发动机动力性、经济性下降，振动噪声增大，零部件寿命下降。（3）原因及措施措施：1）控制过量空气系数大小；2）适当提高气流运动速度和湍流程度改善混合气均匀性；3）尽量降低残余废气系数；4）采用多点点火，提高点火能量，优化放电方式，采用大的火花塞间隙等都可以降低循环变动。原因：混合气成分的波动、气体运动状态波动2.各缸工作不均匀Def：在发动机稳定正常运转的情况下，各缸间的燃烧差异。危害：各缸工作不均匀性的存在，使得难以找到对各缸都是最佳的点火提前角和空燃比，发动机的动力性、经济性、排放性等均会下降，振动及噪声也会增加。三、不正常燃烧汽油机的不正常燃烧是指由于设计或控制不当，汽油机偏离正常点火时间及地点，由此而引起燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。汽油机的不正常燃烧主要是爆燃和表面点火两类。1.爆燃缸内压力出现高频大幅度波动，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此爆燃即敲缸。（1）现象当发生轻微敲缸时，发动机功率上升。当发生严重敲缸时，发动机功率下降、转速下降、经济性下降，工作不稳定、振动增大、排放增高，冷却液过热、润滑油温度上升、零部件磨损加剧。（2）原因

正常燃烧：有明显的火焰前锋，且逐层向外传播，直至燃烧完毕。

爆燃：火焰前锋未到，未燃混合气的温度就达到其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。

末端混合气自燃

——（3）影响因素

1）燃料性质2）末端混合气的压力和温度3）火焰前锋传播到末端混合气的时间（4）危害

1）当发生爆燃时，最大爆发压力和压力升高率都急剧增大，因而零部件机械负荷增大；2）爆燃时压力波会冲击缸壁从而破坏油膜层，因而导致活塞、气缸和活塞环磨损加剧；3）爆燃时剧烈无序的放热还使气缸内温度剧增，热负荷及散热损失增加；4）爆燃使得动力性和经济性下降。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点燃混合气的现象，统称表面点火。炽热表面排气门头部火花塞绝缘体零件表面炽热的沉积物（1）早燃（早火）

Def：当炽热表面点燃混合气发生在火花塞点火之前。

危害：由于早燃是提前点火而且热点表面比火花大，这就使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩负功增大，向缸壁传热增加，从而致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。（2）后燃（后火）Def：表面点火出现在火花塞点火之后。

危害：后燃若不引发爆燃，一般危害不大；但长时间后燃，会使燃烧室热负荷提高，演变为早燃。……正常火花点火前发生的表面点火……正常火花点火后发生的表面点火3.表面点火与爆燃的不同2）爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；

表面点火时没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。1）爆燃是火花塞点火后末端混合气的自燃现象；

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。四、使用因素对燃烧的影响1．点火提前角点火提前角:从火花塞点火到上止点间的曲轴转角。（1）概念点火提前角调整特性：当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机的功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系。每一工况都存在一个最佳点火提前角。最佳点火提前角≈使最高压力在ATDC12~15℃A时到达。（2）影响点火提前角过小，则燃烧会延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。（2）影响

点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，压缩负功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加；同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。2.混合气浓度汽油机在某一转速和节气门开度下的调整特性:

当汽油机的转速、节气门开度保持一定，点火提前角为最佳时，调节供油量，功率和耗油率随过量空气系数Φa的变化关系。混合气浓度对动力性、经济性均有影响。

Φa=0.8~0.9时，燃烧温度最高，火焰传播速度最大，Pe达最高值，且爆燃倾向最大。

Φa=1.03~1.1时，由于燃烧完全，be最低。Φa＜1时，燃烧不完全，CO排放量上升。

Φa＜0.8及Φa＞1.2时，火焰传播速度缓慢，部分燃料来不及完全燃烧，因而经济性差，HC排放量增多，工作不稳定。3．负荷在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度的大小来调节进入气缸的混合气量，以达到不同的负荷要求。当节气门开度减小时，进入气缸的新鲜混合气量减小，而残余废气量基本不变，故残余废气系数r增加。由于残余废气对燃烧反应起阻碍作用，所以燃烧速度减慢，滞燃期增加，火焰传播速率下降。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角。随着负荷的减小，最佳点火提前角应增大。4．转速随转速的增加，点火提前角应增大。

由于随着转速的增加，燃烧过程所对应的曲轴转角增大，所以应增大点火提前角。

随转速的增加，点火提前角应增大随负荷的减小，点火提前角应增大

随转速的增加，供油提前角增大随负荷的增加，供油提前角增大汽油机柴油机回顾对比第二节汽油机电控汽油喷射系统概述Def：通过直接或间接测量进入发动机的空气量，并按规定的空燃比计量燃油的供给量的过程。汽油机燃油配制类型

化油器式燃油喷射式燃油配制

一般汽油机是在气缸的进气管内，利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，进入气缸后，到压缩行程终了时已大致形成均质混合气，并以电火花点火燃烧。一、汽油发动机对可燃混合气的要求空燃比的大小对汽油机燃烧过程中的火焰温度、输出功率、燃油消耗率有重要影响。1.空燃比对发动机性能的影响空燃比的大小还影响着发动机的排放性能。图6-15=13.5~14.0时，燃烧火焰出现最高值，称功率空燃比；=16左右时，燃烧完全，耗油率最低，称经济空燃比；在功率空燃比与经济空燃比范围内的混合气成分是汽油机常用的混合气。2.发动机各种工况对混合气的要求（1）稳定工况对混合气的要求怠速：很浓混合气小负荷：较浓混合气中负荷：稀混合气

大负荷：加浓混合气全负荷：功率混合气（2）过渡工况对混合气的要求冷起动：极浓混合气暖机：浓混合气(随温度升高混合气变稀)加速：及时加浓急减速：避免混合气过浓二、电控汽油喷射供给系统的类型1．按喷射位置分单点喷射多点喷射缸内喷射进气管喷射将喷油器安装在节气门的前方，燃油喷入空气流中，形成的混合气先进入进气歧管内，再分配到各缸中。在每一个气缸进气口处均装有一个喷油器，由ECU控制，汽油直接喷入各缸进气门的前方，再与空气一起进入气缸形成混合气。2.按喷射控制装置分机械式电控式机电式3.按喷射方式分连续喷射间歇喷射分组喷射同时喷射顺序喷射4.按空气流量测量方法分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流速度控制的汽油喷射系统电控汽油喷射系统的基本组成：

空气供给系统、燃料供给系统、电子控制系统第三节空气供给系统作用：根据发动机的工作状态提供适量的空气量，同时向ECU传递此信息，并根据ECU的指令完成空气量的调节。组成：空气流量计或进气支管绝对压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、进气支管、空气阀及空气滤清器等。第四节燃油供给系统作用：供给发动机燃烧过程所需的燃油。组成：燃油泵、燃油滤清器、油压调节器和喷油器。第五节电子控制系统作用：检测发动机的工作状况，精确控制燃油喷射量、喷油正式以及点火时刻。组成：传感器、电子控制单元ECU和执行元件。第七节汽油机的燃烧室为发挥汽油机性能，对燃烧室提出以下要求：（1）燃烧室结构紧凑(燃烧室的面容比）F/V较大时，燃烧室不够紧凑，火焰传播距离长、易发生爆燃，HC排放高，相对散热面积大、热损失大。F/V较小时，燃烧室紧凑，火焰传播距离小、不易发生爆燃，因此压缩比可以提高，相对散热面积小、热损失小、热效率高，熄火面积小、HC排量少。（2）具有良好的充气性能采用较大的进、排气门流通截面，以提高充量系数、降低泵气损失。（3）火花塞位置安排得当1)能充分利用新鲜充量，扫除火花塞间隙处的残余废气，从而使混合气易于着火。2)火花塞应靠近排气门处。3)火花塞的布置应使火焰传播距离尽可能短。4)不同的火花塞位置对燃料辛烷值要求不同。火花塞合理的分布应使：

初期：压力升高率小，工作柔和；

中期：放热量最多，获得较大的功；

后期：补燃较少，有较高的热效率。（4）要产生适当