汽车发动机原理（第5版）课件 第3、4章 柴油机混合气形成和燃烧、汽油机混合气形成和燃烧

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（第5版）Contents第一章内燃机性能指标及实际循环计算方法第三章柴油机混合气形成和燃烧第五章代用燃料发动机及新能源汽车第七章内燃机的废气涡轮增压第二章四冲程内燃机的换气过程第六章内燃机噪声、排放污染及防治第四章汽油机混合气形成和燃烧第八章内燃机特性第三章柴油机混合气形成和燃烧第一节柴油机混合气形成第二节柴油机的燃烧过程第三节柴油机机械控制燃油喷射系统第四节柴油机电子控制燃油喷射系统1.形成混合气的两种基本形式第一节柴油机混合气形成空间雾化混合空间雾化混合是在喷油压力较高(一般为20000

~30000kPa)的条件下,将燃料喷向燃烧室空间,利用喷注与空气的相对运动及空气在压缩过程中产生的热能,实现破碎雾化、吸热蒸发并与空气混合形成可燃混合气。优点：不必专门组织进气涡流缺点：工作粗暴，零件承受的热应力和机械应力较大；NOx的排放率较高。主要用于：大、中型柴油机1.形成混合气的两种基本形式第一节柴油机混合气形成油膜蒸发混合油膜蒸发混合是将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜在壁温和热空气的作用下蒸发、汽化并与空气混合形成可燃混合气。优点：对供油系统及其设备和喷油压力要求较低缺点：稳定性较差；冷起动较困难；HC排放率较高；可增压性也较差；这种燃烧系统要求较高的使用和维修水平2.燃料的喷雾第一节柴油机混合气形成油束的形成及特性油燃料以很高的压力12000

~25000kPa和很高的速度(100~300ｍ/ｓ)从喷油器的喷孔喷出，形成一个如图3-1所示的圆锥状油束(称为喷注)。图3-1油束形状第一节柴油机混合气形成油束的形成及特性图中的横坐标是油粒的直径,纵坐标是某一直径油粒占全部油粒的百分数,曲线越窄,越靠近纵坐标轴,表示油粒越细越均匀,即雾化质量越好。图3-1雾化特性曲线2.燃料的喷雾第一节柴油机混合气形成影响油束特性的因素

喷油器的结构不同，引起油束形成的内部扰动也不同，从而就产生不同形式的油束，喷油器的主要结构形式如图。2.燃料的喷雾第一节柴油机混合气形成影响油束特性的因素图３-４喷孔直径对雾化特性的影响燃油喷射压力越大,则燃油流出的初速度就越大,在喷孔中燃油扰动程度及流出喷孔后所受到的介质阻力也就越大,使雾化的细度和均匀度提高,即雾化质量好。图3-5喷油压力对雾化特性的影响2.燃料的喷雾第一节柴油机混合气形成影响油束特性的因素介质密度增大使反压力增加，引起作用在油束上的空气阻力增加，因此，燃料雾化有所改善，喷雾锥角增加，射程缩短。图3-6不同喷油压力和反压力下，油束射程随时间的变化关系2.燃料的喷雾第一节柴油机混合气形成影响油束特性的因素

凸轮形状较陡或转速较高时，均会使喷油泵的柱塞供油速度加快，由于节流作用会使油管中的燃油压力增加，从而使喷油速度增大，因此，雾化变好，油束射程和喷雾锥角均有所增加。2.燃料的喷雾

第一节柴油机混合气形成2.空气运动对混合气形成的影响空气运动可以促使油束分散，增大混合的范围。热混合作用对混合气的形成有重要影响图3-7多孔喷油嘴的混合气形成图3-8随空气运动的燃烧质点轨迹与密度比值的关系

第二节柴油机的燃烧过程1.燃烧过程进行情况第Ⅰ阶段———滞燃期第Ⅱ阶段———速燃期第Ⅲ阶段———缓燃期第Ⅳ阶段———补燃期

第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素压缩温度对着火延迟的影响.压缩压力对着火延迟的影响喷油提前角对着火延迟的影响转速对着火延迟的影响油品对着火延迟的影响第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素从这两张图看出,在相同的燃料下,Ｍ型燃烧过程的着火延迟期比直喷式燃烧室的约长１０％,柴油的着火延迟期最短,汽油的着火延迟期最长,航空煤油居中。图3-16直喷式燃烧室与M型燃烧过程滞燃期的比较(轻柴油)１,直喷式燃烧室２,Ｍ型燃烧过程图3-17不同燃料和不同燃烧室对滞燃期影响的比较(该图是在n=1000r/min时测绘的,有阴影线者为球形燃烧室,无阴影线者为一般直喷式燃烧室)１,轻柴油２,航空煤油３,汽油

对放热规律的影响：图3-19给出了滞燃期对放热规律的影响(该曲线是在n=1500r/min,Ｎｅ=8.85kW,θｓ=-18°CA时测绘的)１,τｉ=0.89ms２,τｉ=1.44ms图３-19第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素着火延迟期对燃烧过程的影响图3-18对平均有效压力和功率的影响：柴油机的功率与其平均有效压力成正比,所以着火延迟对功率的影响与对平均有效压力的影响相同。对燃油消耗率的影响：如果单位时间内柴油机的耗油量一定，则功率增大就使燃油消耗率下降。图3-21滞燃期对燃油消耗率的影响第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素着火延迟期对柴油机性能的影响图3-20滞燃期对平均有效压力的影响对平均有效压力和功率的影响：着火延迟期对排气温度的影响趋势与对燃油消耗率的影响趋势大致相同,而对烟度的影响趋势则相反第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素图3-22滞燃期对烟度、排气温度和指示燃油消耗率的影响(该图是在D=110mm，S=126.5mm,nd=1500r/min,ε=16时测绘的)对烟度和排气温度的影响第二节柴油机的燃烧过程2.着火延迟的影响因素从这两张图看出,在相同的燃料下,Ｍ型燃烧过程的着火延迟期比直喷式燃烧室的约长１０％,柴油的着火延迟期最短,汽油的着火延迟期最长,航空煤油居中。图3-16直喷式燃烧室与M型燃烧过程滞燃期的比较(轻柴油)１,直喷式燃烧室２,Ｍ型燃烧过程图3-17不同燃料和不同燃烧室对滞燃期影响的比较(该图是在n=1000r/min时测绘的,有阴影线者为球形燃烧室,无阴影线者为一般直喷式燃烧室)１,轻柴油２,航空煤油３,汽油第三节柴油机机械控制燃油喷射系统1.燃油喷射现以柱塞式喷油泵的供油系统为例，来说明喷油过程的工作特性。图3-23喷油过程１，喷油泵柱塞２，进、回油孔３，出油阀４，出油阀弹簧５、７，压力传感器６，高压油管８，针阀弹簧９，喷油器针阀几何供油规律是指从几何关系求出的油泵凸轮每转１°(或每秒)喷油泵供入高压系统的燃油量gp(ｍｍ3/°CA或ｍｍ3/s)随凸轮转角φ(或时间t)的变化关系：喷油规律是指在喷油过程中每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油量ｇｂ随时间或泵轴转角的变化关系,即：图3-24供油规律和喷油规律的比较(喷油器ZSOSJnp＝750r/min)第三节柴油机机械控制燃油喷射系统1.燃油喷射几何供油规律和喷油规律图3-25

Ⅱ号泵的速度特性第三节柴油机机械控制燃油喷射系统2.喷油泵速度特性喷油泵速度特性当喷油泵油量控制机构(齿条或拉杆)位置不变时,每循环供油量随转速的变化特性称为喷油泵的速度特性。图3-26二次喷油的针阀升程图第三节柴油机机械控制燃油喷射系统3.不正常喷射现象二次喷油：二次喷油使整个喷射期拉长，过后燃烧现象加重，使柴油机经济性下降及部分零件过热。低速不稳定喷油：不齐喷油、间断喷油和波动喷油(双波喷油)等发生在发动机低速、低负荷或怠速运转时，统称为低速不稳定喷油图3-27各种低速不稳定喷油波形的比较ａ)正常喷油ｂ)不齐喷油ｃ)间断喷油ｄ)波动喷油第四节柴油机电子控制燃油喷射系统电控柴油喷射系统优点：控制精确、灵敏不存在产生失调的可能性在电控喷射系统中，通过改换输入装置的程序和数据，可以改变控制特性，一种喷射系统可用于多种柴油机。第四节柴油机电子控制燃油喷射系统(１)高的燃油喷射压力；(２)喷射速率可变控制；(３)预喷射，第二次喷射的应用；(４)喷油量、增压压力、喷油起始时刻的变化与工作条件相适应；(５)起动时有随温度变化的过量燃油供给量；(６)不随柴油机负荷变化的怠速控制；(７)可控的废气再循环；(８)巡航控制；(９)喷射过程和喷油量具有微小补偿，并在整个寿命期内保持高精度。1.基本要求第四节柴油机电子控制燃油喷射系统相对其他电控燃油喷射系统，执行响应较慢、控制频率较低、控制精度不稳定。不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，虽能对喷油速率起到一定的调节作用，但使直列泵机构变得复杂。几乎无须对柴油机本身结构进行改动，即可实现位置控制喷射，故生产继承性好，便于对现有机型进行升级改造。位置控制系统特点：2.电控柴油喷射系统的基本类型时间控制系统是第二代柴油机电控燃油喷射系统，它改变了传统喷射系统的结构，将原有的机械式喷油器改用高速强力电磁阀喷油器，以脉动信号来控制电磁阀的吸合与断开，以此来控制喷油器的开启与关闭。特点：属于直接数字电控喷射系统，脉动式高压燃油与开关式电磁控制阀直接接口。结构得到简化和强化，喷射特性得到改善，适合于高压喷射燃油量的计量是一种时间计量方式，用两个连续的开关脉冲来设定有效供油行程。电磁阀的响应时间对喷油过程的影响较大时间控制系统：2.电控柴油喷射系统的基本类型是第三代电控燃油喷射系统，也是时间-压力控制型电控柴油喷射系统。共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力(120

~200MPa)，可将NOｘ和微粒排放同时控制在较小的数值范围内。柔性控制喷油速率，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOｘ排放，又能保证优良的动力性和经济性。由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象。时间控制系统：2.电控柴油喷射系统的基本类型优点：第四节柴油机电子控制燃油喷射系统１.喷油量的控制２.喷油定时的控制３.怠速的控制４.起动喷油量的控制５.各缸喷油均匀性的控制

控制功能：3.电控柴油喷射系统的控制功能６.过渡性能与烟度控制７.喷油规律与喷油压力的控制８.废气再循环的控制９.扩展的功能THANKYOU汽车发动机原理

（第5版）Contents第一章内燃机性能指标及实际循环计算方法第三章柴油机混合气形成和燃烧第五章代用燃料发动机及新能源汽车第七章内燃机的废气涡轮增压第二章四冲程内燃机的换气过程第六章内燃机噪声、排放污染及防治第四章汽油机混合气形成和燃烧第八章内燃机特性第四章汽油机混合气形成和燃烧第一节汽油机混合气形成第二节汽油机的燃烧过程第三节电子控制汽油喷射系统第四节电子控制点火系统第五节汽油机稀薄燃烧技术1.汽油机混合气的形成方法

汽油机混合气的形成和着火燃烧方式受汽油燃料使用特性所限制的,汽油具有挥发性好的特点,汽油机混合气的形成方式主要有化油器式和汽油喷射式两大类型。第一节

汽油机混合气形成2.空燃比对汽油机性能的影响汽油完全燃烧并生成CO2、H2O时的空燃比称为理论空燃比,理论空燃比约为14.8。汽油机的性能与空燃比有着密切的关系，但影响的程度和变化规律各不相同。第一节

汽油机混合气形成图4-1空燃比与汽油机火焰温度、输出功率燃油消耗率的关系3.汽油机各种工况对混合气的要求

稳定工况对混合气的要求

怠速和小负荷工况中等负荷工况大负荷和全负荷工况过渡工况对混合气的要求汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷起动、暖机、加速和减速等几种第一节

汽油机混合气形成

汽油机的燃烧过程与柴油机的燃烧过程有较大的区别：(１)汽油机的燃烧过程属于预混合燃烧，具有定容燃烧的性质。(２)由于爆震的限制，汽油机的压缩比ε不能过高，一般为7~9，用分层燃烧时ε可达12.5。(３)汽油机的燃烧过程中排气污染比柴油机严重(除碳烟外)。第二节

汽油机的燃烧过程1.正常燃烧过程第二节

汽油机的燃烧过程燃烧过程的分段

按燃烧进程中的物理—化学状态，将燃烧进程人为地分为三段:滞燃期、急燃期和补燃期图4-2汽油机的燃烧过程１开始点火，２形成火焰中心，３最高压力点，Ⅰ滞燃期，Ⅱ急燃期，Ⅲ补燃期，1.正常燃烧过程第二节

汽油机的燃烧过程燃烧速度燃烧速度是指单位时间内燃烧的混合气数量，可用下式表示:式中:ｍ———混合气的质量；ρＴ———可燃混合气密度；ＵＴ———火焰传播速度；ＡＴ———火焰前锋面积。图4-3燃烧室形状与粗暴性的关系1.正常燃烧过程第二节

汽油机的燃烧过程不规则燃烧

汽油机在稳定的正常运转情况下，不同汽缸的燃烧情况以及不同循环的燃烧情况很难保持稳定，会产生燃烧上的差异，这种循环之间和汽缸之间的燃烧差异称为不规则燃烧。图4-4汽油机典型汽缸压力的循环变动情况ａ)稀混合气α=1.22，n=2000r/min，ε=9，节气门全开，pi变动±4.5％,pz变动±28%;ｂ)浓混合气α=0.8,ｎ=2000r/min,ε=9,节气门全开,pi变动±3.6％,

pz变动±10％１)循环间的燃烧变动２)各缸间的燃烧差异2.不正常燃烧第二节

汽油机的燃烧过程爆震

汽油机的爆震是在燃烧室内末端(相应于火花塞的位置来说)混合气中发生的，是末端混合气在火焰前锋面尚未到达之前产生自燃现象的结果。图4-7爆震控制系统原理图影响爆震的因素如下

：

１)燃料品质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图4-8实际点火提前角的控制2.不正常燃烧第二节

汽油机的燃烧过程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、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等)点燃混合气的方式统称为表面点火。图4-10各种非正常燃烧过程的ｐ-φ图图4-9早燃时的示功图3.使用因素对燃烧过程的影响第二节

汽油机的燃烧过程混合气浓度１.混合气浓度２.点火提前角３.转速４.负荷５.大气状况1.电子控制汽油喷射系统的优点第三节

电子控制汽油喷射系统(１)易于控制燃油供给量。(２)提高发动机功率(３)不易发生爆震，故可采用较高的压缩比来改善热效率。(４)起动性能良好。(５)控制自由度大，对动力性、经济性和排放等可以实现多目标控制；因工况变化，海拔高度、温度变化等，对供油系统的影响可以非常容易地校正。(６)具有良好的耐热性能、抗气阻和防热渗性能。2.电子控制汽油喷射系统分类第三节

电子控制汽油喷射系统3.缸外喷射系统第三节

电子控制汽油喷射系统图4-14电控多点汽油喷射系统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滤油器，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空气压力传感器，１２空气滤清器，１３进气温度传感器，１４空气流量传感器，１５冷起动喷嘴，１６怠速空气阀，１７节气门位置传感器，１８压力调节器，１９氧传感器，２０起动喷嘴时间开关，２１冷却液温度传感器图4-15ＥＣＵ的基本组成框图电控多点汽油喷射系统是一种将汽油喷射和点火控制结合起来的电子控制系统。3.缸外喷射系统第三节

电子控制汽油喷射系统图4-16发动机管理系统框图4.缸内直接喷射系统第三节

电子控制汽油喷射系统图4-15各种缸内直喷点燃式汽油机ＶＶＴ-可变气门定时，ＥＧＲ-废气再循环缸内直喷系统将喷油器安装在汽缸盖上直接向燃烧室内喷油，更容易控制缸内混合气的形成。喷油时间可以根据需要灵活调整良好的喷雾特性5.喷油量的控制第三节

电子控制汽油喷射系统ＥＣＵ的首要功能是根据汽油机不同工况的要求，控制最佳喷油等。喷油量的控制方式：起动控制、运转控制、断油控制和反馈控制等几种1.电子控制点火系统的基本组成及工作原理第四节

电子控制点火系统基本组成图4-19电控点火系统的基本组成1.电子控制点火系统的基本组成及工作原理第四节

电子控制点火系统工作原理

汽油机工作时，ECU根据接收到的各传感器的信号，按存储器中存储的有关程序和相关数据，确定出该工况下最佳点火提前角和点火线圈初级电路的通电时间(闭合角大小)，并向点火器发出指令，去控制点火线圈初级电路(低压电路)的导通和切断ꎮ当初级电路导通时，点水线圈将点火能量以磁场的形式存储起来，当初级电路切断时，在次级线圈中产生很高的感应电动势(15~20ｋＶ)，该电动势经分电器上的高压导线送给火花塞或直接送到火花塞上，去击穿电极间隙，产生电火花点燃混合气，使汽油机完成做功过程。2.点火提前角的控制第四节

电子控制点火系统确定最佳点火提前角的各种因素１)汽油机转速２)负荷３)燃料的性质４)其他因素图4-20负荷对点火提前角的影响2.点火提前角的控制第四节

电子控制点火系统控制点火提前角的基本方法点火提前角控制可分为起动时点火提前角控制和起动后点火提前角控制。汽油机起动时，按ECU内存储的初始点火提前角(设定值)对点火提前角进行控制.起动时点火提前角的设定值随汽油机而异，对一定的汽油机而言，起动时的点火提前角是固定的，一般为10°曲轴转角左右。汽油机正常运转时(起动后),主ECU根据汽油机的转速和负荷信号，确定基本点火提前角，并根据其他有关信号进行修正，最后确定实际的点火提前角，并向电子点火控制器输出点火指令信号，以控制点火系的工作。3.点火提前角的修正第四节

电子控制点火系统主要修正项目１)冷却液温度可分为暖机修正和过热修正。２)怠速稳定修正３)空燃比反馈修正图4-23点火提前角的暖机修正曲线图4-24点火提前角的过热修正曲线图4-25点火提前角的怠速稳定修正曲线图4-26点火提前角的空燃比反馈修正曲线1.稀薄燃烧技术概述第五节

汽油机稀薄燃烧技术稀薄燃烧是一个范围很广的概念,只要混合气空燃比大于18就可以称为稀薄燃烧。同时兼顾了燃油经济性和低排放特性。稀薄燃烧系统的结构较为复杂，对喷油系统的要求也相当严格，由此使制造成本明显增加。汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀薄燃烧系统(ＰＦＩ)、缸内直喷稀薄燃烧系统(ＧＤＩ)和均质混合气压燃系统(ＨＣＣＩ)。2.缸内直喷稀薄燃烧系统第五节

汽油机稀薄燃烧技术缸内直喷燃烧系统将喷油器安装在汽缸盖上直接向燃烧室内喷油，通过喷射时期的控制可实现均质混合气燃烧(详见本章第三节)、分层混合气燃烧及均质混合气压燃燃烧(ＨＣ-ＣＩ)。缸内直喷分层混合气燃烧是实现稀薄燃烧的主要方式。2.缸内直喷稀薄燃烧系统第五节

汽油机稀薄燃烧技术缸内直喷分层混合气的形成，主要是通过缸内直接喷射的喷雾与汽缸内组织的气流，形成空燃比的梯度分布。缸内直喷分层混合气的形成机理图4-27软喷射分层燃烧系统2.缸内直喷稀薄燃烧系统第五节

汽油机稀薄燃烧技术优点(１)负荷调节方式可以采用质调节方式，取消节气门装置，所以中小负荷时，泵气损失降低。(２)在缸内油雾蒸发，使燃烧室内温度降低，传热损失减小，所以，有利于提高充气效率，而且有利于提高压缩比，提高热效率。(３)分层混合气燃烧时，外围稀混合气或空气对火焰起到隔热的作用，所以壁面传热损失减小。(４)在缸内形成分层混合气，平均空燃比大，工质的多变指数增加，提高了热效率。(５)空燃比控制及过渡工况控制更精确。缸内直喷分层混合气燃烧系统的特点2.缸内直喷稀薄燃烧系统第五节

汽油机稀薄燃烧技术富氧条件下的NOX排放后处理比较困难选择性催化转换器转换效率较低，不能完全满足排放法规的要求NOX吸附器，但吸附器有饱和的问题，需要用HC和CO来夺走NOX中的氧使NOX还原成氮气。缸内直喷分层混合气燃烧存在的问题3.均质压燃燃