汽油机燃料供给系的组成和工作原理

教学过程
（新课导入）：
随着社会生产力的不断提高，高新技术在汽车发动机上也运用得越来越广泛。

在现有的直列气缸的基础上改进成V型气缸排列的发动机逐渐成为主流，它的结构和工作循环更加紧凑和复杂。

本次课主要学习的内容是曲轴连杆机构的新型结构和检修特点以及汽油机燃料供给系的组成和工作原理。

（讲授新课）：
第一节汽油机燃料供给系的组成和工作原理
一、汽油机燃料供给系的功用与组成
汽油机所用的燃料主要是汽油。

汽油在气缸外必须先喷散成雾状并蒸发，按一定的比例与空气均匀混合，然后进入气缸燃烧。

这种按一定比例混合的汽油与空气混合物，称为可燃混合气。

可燃混合气中燃料含量的多少称为可燃混合气的浓度。

汽油机燃料供给系的作用是：根据发动机不同工况的要求，配制一定数量和浓度的可燃混合气，供人气缸，并在燃烧作功后，将燃烧产生的废气排至大气中。

一般汽油机燃料供给系由下列装置组成：
（1）燃料供给装置。

包括汽油箱、汽油滤清器、汽油泵和油管，用以完成汽油的贮存、输送及滤清的任务。

（2）空气供给装置。

即空气滤清器，一些轿车发动机上还装有进气预热和消声装置。

（3）可燃混合气形成装置。

即化油器。

（4）可燃混合气供给和废气排出装置。

包括进气管、排气管和排气消声器。

汽油机燃料供给系的基本工作过程为：汽油在汽油泵的泵吸作用下，从汽油箱经油管、
汽油滤清器、汽油泵将汽油泵火化油器中。

空气则经空气滤清器滤去所含灰尘后，进人化油器。

在气缸吸气气流的作用下，汽油从化油器中喷出，与空气混合开始雾化，经进气管进一步蒸发，初步形成可燃混合气，进入各个气缸。

混合气燃烧后产生的废气，经排气管与排气消声器被排。

为了检查油箱内的汽油量，还装有汽油油量指示表。

如何根据发动机工作的要求配制出不同浓度、不同数量的可燃混合气。

是汽油机燃料供给系所要解决的主要问题，而化油器是其中的关键部件。

二、汽油机可燃混合气的形成
汽油机的燃料必须在蒸发为气态后才能与空气均匀混合。

要使混合气能在极短时间内（依发动机转速而定，通常为0．01～0．04s）形成，就应先将燃料要化成极小的油液，使蒸发面积大大增加。

燃料蒸发成气态后，与空气均匀混合形成可燃混合气。

采用化油器式燃料供给系统的汽油机可燃混合气的形成，是从化油器开始的。

1、简单化油器的结构和工作原理
简单化油器的结构和可燃混合气的形成过程如图所示。

它由浮于机构、喷管、孔、喉管。

节气门、空气室和混合室等组成。

（1）浮子机构。

它由浮子针阀2和浮子室11组成。

浮子室连同喷管为一壶状容器，贮存来自汽油泵的汽油。

浮子室中装有浮子和针阀，针阀支靠在浮子上，两者可一同随油面起落。

当浮子室油面达到规定高度时，针阀关闭浮子室进油口，汽油不能流入。

浮子下落，针阀重新开启，汽油又流人浮子室，直到外阀上升关闭时为止。

这样可保持油面的规定高度。

浮子室上部有孔与大气相通，使油面的压力与大气压力相等，从而保持一定的液面压力。

（2）喷管和量孔。

喷管4的出油口在喉管5的附近。

喉管口高出浮子宝液面2mm～5mm，这样燃油不会自动流出。

喷管另一端与浮子室相通。

浮子室内装有尺寸精确的量孔10，用来准确限制汽油的流量。

通过量孔的汽油流量大小取决于量孔的直径和量孔前后压力差的大小（液面高度差面⊿h和气压差⊿P）。

（3）喉管。

空气管中截面积沿轴向变化的细腰管，其面积最小处称喉管。

喷管4插人喉管5内，并且喷管口位于喉部附近。

喉管的作用是增加空气的流速，形成真空吸力，使汽油从喷管内喷出，利用空气流速将喷出的汽油吹散雾化。

气体或液体在管道中流动时，若管道截面积愈小，其流速愈大，静压力愈低。

在化油器中，喉管很部截面积最小，因而喉部的空气流速最大，静压力最低。

因喉部压力小于大气压力，故喉部存在着真空度△Ph＝PO－Ph。

浮子室通大气，其压力基本上等于PO。

浮子室内汽油在浮子室和喷管口的压力差△Ph作用下，从浮子室经喷管喷人喉管中，被流过喉管的空气冲散雾化。

（4）空气室和混合室。

喉管内喉部以上为空气室，喉部以下到节气门轴为混合室。

混合室是汽油被空气初步粉碎并与之混合的场所。

（5）节气门。

它通常为一椭圆形的片状阀门，可绕其轴转动一定角度。

节气门通过杆件与驾驶室内的加速踏板相连。

驾驶员将加速踏板踩到底时，节气门转到垂直位置，此
时混合气的流动通道截面最大；当驾驶员完全放松加速踏板时，节气门关闭，此时略成倾斜状（与混合室截面夹角约为10°）。

在发动机转速不变时，随节气门开度的增大，进气管中的阻力减小，空气流量和流速增加，因而喉部真空度△ph 增大，汽油喷出量随之增加，从而使发动机功率得以增大。

当节气门开度不变时，发动机转速愈高，则气缸内真空度愈大，喉管中空气流速和真空度也愈高，汽油喷出量也愈多。

2、可燃混合气的形成
当发动机工作时，进气行程中活塞由上止点下行，气缸容积增大，压力下降，产生吸力。

进气门开启，气缸中的吸力将空气经空气滤清器吸入化油器。

当空气流经喉管时，由于很管通道狭窄使空气流速加快，压力下降，在浮于室内和喉管口处产生压力差，浮于室中的汽油从量孔喷出。

随即被高速空气流冲散，成为大小不等的雾状颗粒（雾化）.雾化的汽油在混合室中开始与空气混合，经进气管进入气缸形成混合气。

在此期间，汽油与空气不停地进行吸热、蒸发汽化与混合，直至压缩行程接近终了，形成良好的可燃混合气。

为了加速雾状汽油的蒸发，汽油机常将进气管与排气管装在一起，利用排气管的热量对进气管加热。

有的汽油机则安装进气预热塞，利用废气或冷却器中的热水加热。

可燃混合气的浓度常用空燃比（R）和过量空气系数（α）来表示。

空燃比就是混合气中所含空气质量（kg）与燃料质量（kg）的比值，即
R=空气质量（kg）/ 燃料质量计(kg)
理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14．7kg，即空燃比为14．7。

这种空燃比的混合气称为理论混合气。

若可燃混合气的空燃比小于14．7，则称为浓混合气；若大于14．7，则称为稀混合气。

应当指出，对于不同燃料，其理论空燃比数值是不同的。

过量空气系数是在燃烧过程中，实际供给的空气质量与理论上燃料完全燃烧时所需的空气质量之比，也等于实际空燃比与理论空燃比之比，即
α= 燃烧过程中实际供给的空气质量／理论上完全燃烧时所需要的空气质量= 实际空燃比／理论空燃比
由上面的定义式可知：无论使用何种燃料，若α= 1的可燃混合气即为理论混合气（又称为标准混合气）；α＜1的为浓混合气；α＞1的则为稀混合气。

在发动机转速不变时，简单化油器所供给可燃混合气浓度随节气门开度变化的规律，称为简单化油器的特性，其特性曲线图中的虚线所示。

在节气门开度很小时，喉部真空度△ph 。

很低，不足以克服喷口与液面间的高度差，没有汽油喷出。

在节气门开度大到一定值后，才开始有汽油流出，但混合气浓度极小，α值很大。

随着节气门进一步开启，空气流量增大，喉部△ph逐渐上升，汽油开始大量喷出。

在节气门小开度范围内，随节气门开度的增加，汽油流量的增长率比空气流量的增长率明显要高，因而可燃混合气由稀变浓，α值迅速下降。

当再继续加大节气门开度直到全开时，这种趋势仍然存在，但由于汽油流量和空气流量的增长率逐渐接近，因而可燃混合气的浓度也逐渐趋于稳定，α值下降趋于平缓。

三、汽油机的燃烧过程
汽油机的正常燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程，是发动机整个工作循环中的主要过程。

燃烧进行得好坏，关系到能量转换的效率，直接影响发动机的动力性和经
济性。

汽油机的正常燃烧过程包括着火和燃烧两部分。

汽油和空气形成的可燃混合气必须经过着火阶段才能进行燃烧。

所谓着火，是指混合气的氧化反应加速、温度提高，以致引起空间共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。

在电火花点火之前，进入气缸的混合气受到缸壁和残余废气的加热，被压缩后其压力和温度升高，共产生缓慢的分解和氧化，处于容易着火的状态。

电火花跳过后，靠其能量，使火花附近的混合气温度进一步升高，引起该部分的混合气电离，形成活化中心，其结果是氧化反应自动加快。

当反应进行到一定程度，就会在火花塞电极间原处的混合气内出现明显发热发光的小区域，即火焰中心。

为了使火花所产生的火焰成日起来，并使火焰传播发展，火花点火放出的热量必须大于向四周混合气的散热量，否则，火焰不能传播而自行熄灭。

电火花点燃均匀混合的可燃混合气，形成火焰中心后，火焰按一定的速率（一般为30m ／S～60m／S）朝整个燃烧室呈球面状向外传播，燃烧室内有明显的火焰前锋向前推进，使未燃混合气受到压缩和热辐射，压力、温度急剧上升，当火焰前锋到达时将其点燃，直到燃烧完毕。

这种燃烧称为正常燃烧过程。

为分析燃烧过程进行的情况，通常借助于燃烧过程展开示功图。

图中实线表示点火后气缸压力变化的情况，虚线表示不点火时的情况。

根据压力变化的特征，可将燃烧过程分为三个阶段：
（1）看火延迟期
（2）急燃期
（3）补燃期
（1）看火延迟期。

从电火花跳火（点1）到火焰中心形成（点2），这段时期称为着火延迟期。

电火花在上止点前θ角(点火提前角)跳火以后，混合气中并不立即出现火焰，而是经过一个连续的化学反应加速的过程，在某一处混合气着火，形成火焰中心。

着火延迟期与下列因素有关：
①燃料本身的分子结构和物理化学性质。

燃料的着火温度及其热稳定性越低，则着火延迟期越短。

②压缩终点混合气的温度和压力。

压缩比越大，点火开始时气缸内压力、温度越高，着火延迟期越短。

③混合气成分。

试验表明汽油与空气的混合气在α= 0．8－0．9时，着火延迟期最短。

④气缸内残余废气增多，着火延迟期延长。

⑤电火花能量。

提高放电功率更能缩短着火延迟期。

（2）急燃期。

从火焰中心形成（点2）至火焰传播到整个燃烧室，气缸内压力达最大值（点3），这段时期称为急燃期，也称火焰传播期。

在火焰中心形成后，由火焰层（即火焰前锋）开始层层向四周末燃混合气传播，气缸内压力迅速上升（实线从点2开始脱离纯压缩线上升），不久达到最大值（点3）。

这时，火焰扩展到整个燃烧室，绝大部分混合气燃烧完毕，实现化学能与热能的转换，它是燃烧
过程的主要阶段。

（3）补燃期。

从最高燃烧压力（点3）到燃料基本上燃烧完全，称为补燃期。

由于混合气中燃料与空气混合不匀，有少部分燃料在急燃期内未完全燃烧，以及高温分解的燃烧产物（HC、CO）重新氧化放热而形成补燃期。

补燃产生在活塞远离上止点，燃烧室容积已明显增大的情况下，产生的热量不能有效地转变为机械能，还使排气温度上升，热效率下降。

因此，应尽量减少补燃。

2、油机的不正常燃烧
汽油机的不正常燃烧，包括爆震燃烧(简称：爆燃)和表面点火。

l）爆震燃烧（简称：爆燃）
汽油机的爆燃是燃烧室内末端（相对于火花塞的位置而言）混合气在火焰前锋面尚未到达之前产生的自燃现象。

气缸内火焰传播的过程中，处在最后位置上的那部分未燃混合气，在压缩终点温度To的基础上，进一步受到压缩和热辐射的作用，促使先期反应加速进行。

如果在火焰前锋面尚未到达之前，未燃混合气已达到自燃的条件，则在其内部最适宜发火的部位产生一个或数个火焰中心，引发爆炸式的燃烧反应，伴随着爆燃的发生，可听到发出尖锐的类似金属的敲击声。

当仅有轻微爆燃发生（例如汽车加速行驶和上坡）时，火焰传播速度为100m／S～100m ／S，可缩短燃烧过程，膨胀功得到充分利用，功率和热效率都有所提高，这是允许的。

当发生剧烈爆燃时，自燃形成的火焰中心传播速度高达1000m／S以上，使末端混合气在瞬间燃烧，气体的容积来不及膨胀，造成燃烧室局部温度和压力急剧上升，产生3kHz 以上的高频压力波，以超音速向周围传播，撞击燃烧室壁而发出类似金属的敲击声。

由于产生高频压力波，破坏了燃烧室壁的激冷层（该层起着隔热膜的作用），导致散热量增大，冷却系过热，各受热部位的温度过高，会引起活塞烧结、活塞环粘着、轴承损坏和气门烧蚀等。

此外，由于局部温度高达4273k以上，燃烧产物更易分解为CO、H2、O2及游离碳，游离碳因不能再燃烧而随废气排出，形成排气冒黑烟现象。

而CO、H2、O2等在膨胀过程中再燃烧，使补燃增加，排气温度上升，发动机过热，功率和热效率均下降，耗油率增加。

有实验表明，严重爆燃时发动机的磨损比正常燃烧时大27倍，这是一种危害较大的燃烧现象。

据以上分析可知，任何促进末端混合气温度升高的因素（如增大压缩比、进气温度高等），任何缩短末端混合气反应时间的因素，或点火过早时，由于上止点附近的压力升高率增大，使末端混合气的压缩压力上升，都将促使爆燃更容易发生。

因此，发动机在设计和使用中，都采取各种措施来防止爆燃的发生。

汽油的品质对产生爆燃有很大影响。

燃用抗爆性强的汽油可以避免爆燃的产生（如裂化汽油具有较好的抗爆性）；在汽油中加入少量抗爆添加剂（如四乙铅抗爆剂，但因有毒已禁止使用），可提高汽油的辛烷值，使其抗爆性增强
2) 表面点火
在火花点火式发动机中，凡是不依靠电火花点火，而是由于炽热表面（如排气门头部、过热的火花塞绝缘体、电极与炽热的积炭等）点燃混合气而引起的不正常燃烧现象，称为表面点火。

它可分为以下两种：
（1）非爆燃性表面点火。

产生在正常火花点火之后的称为后火，产生在正常火花点火之前的称为早火。

①后火。

当炽热点的温度比较低时，电火花点燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但此时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播，称为后火。

这种现象可以在发动机断火后被发现，这时发动机仍像有电火花点火一样，继续运转，直到炽热点温度下降以后，发动机才停车。

后火现象对发动机影响不大。

②早火。

当炽热点温度比较高时，常常在电火花正常点火之前，炽热点就点燃混合气，称为早火。

由于混合气在进气及压缩行程中已长时间受到炽热表面的加热，故早火点燃的区域也比较大，一经着火，火焰的传播速度就较高，压力升高率也较大，使压缩行程末期的负功很大，这就导致功率损失和向气缸壁的散热增加，又进一步促使炽热点的温度升高，更早点燃混合气。

这样，在单缸汽油机上的早火，往往导致停车。

在多缸汽油机上，一个气缸的早火，虽不致于停车，但由于压缩行程未期的高温、高压往往是引起活塞连杆组机械损伤事故，以及气门。

火花塞、活塞等零件过热的原因。

非爆燃性的表面点火，一般是在发动机以高转速、高负荷长时间运转之后，火花塞的绝缘体、电极和排气门高温所引起的。

（2）爆燃性表面点火。

它是由燃烧室沉积物引起的多点点燃的早火现象，是一种危害性最大的表面点火现象。

表面点火与爆燃是两种完全不同的不正常燃烧现象。

爆燃是在电火花点火之后，混合气未燃部分的自燃现象；而表面点火则是炽热物点燃混合气所致。

但两者之间存在着相互促进的内在关系：强烈的爆燃必然增加向气缸壁的传热，促成燃烧室炽热点的形成，导致表面点火；早火又使气缸压力升高率和最高燃烧压力增大，使未燃混合气受到较大的压缩和传热，促使爆燃产生。

为避免表面点火现象的产生，可采取以下防范措施：避免长时间的小负荷运转，以及汽车频繁的减速和加速行驶；在汽油中加磷添加剂，可使沉积物减少，使炭的着火温度提高；注意清除燃烧室积炭和冷却水道内的水垢，保持燃烧室及排气门座附近的水道畅通，以确保冷却效果，使燃烧室壁面温度不致过高。

3、燃混合气浓度对燃烧过程和发动机性能的影响
可燃混合气的浓度对燃烧过程以及发动机的动力性和经济性有很大影响。

（1）理论混合气（α＝l）。

它是理论上推算的完全燃烧的混合气浓度。

实际上，由于时间和空间条件的限制，汽油不可能及时与空气绝对均匀混合，实现完全燃烧。

（2）稀混合气（α＞1）。

它可以保证所有的汽油分子获得足够的空气而实现完全燃烧，因而经济性好。

故称为经济混合气。

常用经济混合气α值多在1．05～1．15范围内。

若混合气过稀(α＞1．15)，因空气量过多，燃烧速度减慢，热量损失加大，将导致发动机过热、动力性和经济性变差，化油器发生回火等不正常现象。

当混合气稀到α＝1．3～1．4时火焰无法传播，称为火焰传播下限。

（3）浓混合气（α＜1＝。

由于汽油分子相对较多，混合气燃烧速度快、压力大、热损失小，发动机输出功率大，因此称其为功率混合气，其α值多在0．85～0．95范围内。

功率混合气中空气相对较少，不能完全燃烧，因此经济性较差。

若混合气过浓(α＜0．8
＝，则燃烧很不完全，产生大量的CO，并在高温高压的作用下析出游离的碳，导致发动机排气冒黑烟、放炮、燃烧室积炭、动力性和经济性变差、排放污染加剧。

当混合气浓到α＝0．4～0．5时，火焰将无法传播，发动机熄火，此值称为火焰传播上限。

（2）中等负荷工况。

发动机负荷在25％～85％之间称为中等负荷。

由于节气门开度较大，进入气缸的混合气数量增多，燃烧条件较好。

此外，由于发动机大部分的时间处在中等负荷下工作，为提高发动机的经济性，应供给较稀的可燃混合气（α＝0．9～1．1）。

（3）大负荷和全负荷工况。

发动机负荷在85％～100％称为大负荷和全(满)负荷。

此时，为了克服较大的外部阻力，要求发动机发出尽可能大的功率。

因此，必将节气门开大到接近全开或全开，供给质浓量多的可燃混合气（α＝0．85～0．95）。

2、过渡工况对混合气浓度的要求
汽车在运行中常遇到的过渡工况有冷起动、暖机和加速三种。

（l）冷起动工况。

供给极浓的混合气（α=0．2～0．6），才能保证进入气缸内的混合气中有足够的汽油蒸气，以利于发动机起动。

（2）暖机工况。

暖机是指发动机冷起动后，温度逐渐升高到能稳定地进行运转的过程。

在此期间，混合气的浓度随温度升高而减小，从起动时的极浓减小到稳定怠速运转所要求的浓度为止。

（3）加速工况。

在节气门急剧升大的过程中，要用强制的方法向混合室中额外多供一些汽油，加浓混合气，以满足发动机加速的需要。

综上所述，车用汽油机在正常运转时，在小负荷和中等负荷工况下，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。

当进入大负荷直至全负荷工况下，又要求混合气由稀变浓，最后加浓到保证发动机发出最大动力。

这种在一定转速下，汽车发动机所要求的混合气浓度随负荷变化的规律称为理想化油器特性。

理想化油器特性曲线与简单化油器特性曲线正好相反，简单化油器不能满足发动机实际工作时对可燃混合气浓度的要求。

为此，现代化油器在简单化油器的基础上，加装了一系列自动调配混合气浓度的装置，如主供油装置、怠速装置、大负荷加浓装置。

加速装置和起动装置；此外，还有一些特殊功能的附属装置，以保证车用汽油机在各种工况下都能供给适当浓度的混合气，满足发动机工作的需要。

(课堂小结)：
1、汽油机燃料供给系的功用和组成
（布置作业）：
3、画出汽油机燃料供给系的结构框图（说明各组成部分的名称）。

4、何谓爆震燃烧？何谓表面点火？可采取哪些防范措施？
（教学后记）：
学生对新技术的求知度很高，以后可以在授课中插入些相关的发动机新知识，提高学生的课堂积极性。