汽车发动机原理8章2(王建昕)

8.4 PFI汽油机的燃烧室
（a）浴盆形（Bathtub type）燃烧室
形状像椭圆形浴盆，在双侧或单侧（右图）设置挤气面；
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4 PFI汽油机的燃烧室
汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损 失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
混合气形成过程包含喷雾、液 滴的破碎-蒸发、油束碰壁、油膜的 蒸发-剥离-流动，以及混合气的湍 流运动。
以最具代表性的进气门关闭喷射（闭 阀喷射）为例，其混合气形成过程可分为 两个阶段：
进气道中的喷油雾化蒸发
缸内蒸发混合
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
微观油气混合更均匀 形成足够的湍流强度以加快火焰传播速度 减小壁面淬熄层厚度以降低HC排放 扫除火花塞处的废气 注意：气流运动过强无必要，反而增加流动和散热损失，使着火困难。
(5) 足够的进排气门流通截面
以使提高ηv （提高功率），降低进气阻力（降低油耗）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
第8章 汽油机的混合气形成及燃烧过程
主要内容： 汽油机的燃烧过程及其特点
汽油机的不正常燃烧
汽油机的混合气形成
汽油机燃烧室及其特性
汽油机电子控制系统与控制技术
稀薄燃烧与缸内直喷式汽油机
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类
进气道多点喷射（PFI） 缸内直喷（GDI）
以下主要介绍PFI汽油机雾化， GDI汽油机将在下节课介绍。
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.4 PFI汽油机混合气形成
1、喷油器与喷油雾化
缸内蒸发混合
怠速和中小负荷工况时， 采用闭阀喷射（图中①和 ②），这是混合最均匀的 理想方式； 在较高转速和较高负荷 时，采用部分闭阀（开阀） 喷射，致使缸内混合气不 均匀度增加，但有一定的 冷却进气充量效果，如图 中③； 高速大负荷时，喷油器 几乎一直打开，以满足大 喷油量的需求。
不同工况下喷油时刻
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
进气道中的喷油雾化蒸发
为延长蒸发混合时间，在进气门尚
汽油进气道油膜蒸发示意图
未开启时就进行汽油喷射，喷油SMD
一般在100～400μm范围； 喷射的汽油，一部分在空间直接汽 化，一部分冲击到进气道壁面和进气 阀背面（温度＞100℃）形成油膜， 油膜蒸发形成汽油蒸汽；
典型汽油机燃烧室性能对比
特征
火焰传播距离 面容比 进排气门截面积 挤流强度 充气系数 压缩比
浴盆型
长 大 小 较强 低 低(6.5~7.5)
楔形
较长 中 中 强 中 较高（8～10）
多球形
短 小 大 弱（但可利用涡流） 高 最高（9～11）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
目前已成为国际主流形式其中蓬日产公司压缩比10双顶置凸轮842典型燃烧室分析departmentautomotiveengineeringtsinghuauniversity典型汽油机燃烧室性能对比特征浴盆型楔形多球形火焰传播距离挤流强度较强弱但可利用涡流充气系数压缩比低6575较高810最高911departmentautomotiveengineeringtsinghuauniversity典型汽油机燃烧室性能对比特征浴盆型楔形多球形热效率dpd及pmaxautomotiveengineeringtsinghuauniversity?紧凑蓬形燃烧室?高压缩比911?火花塞中心布置高能点火?4气门与双顶置凸轮轴dohc?可变气门定时和升程vvtl?可变进气系统利用气体波动效应?涡轮增压?电控系统多点顺序喷射双氧传感器爆震传感器departmentautomotiveengineeringtsinghuauniversity化油器式和pfi式汽油机的燃烧室设计为什么相对柴油机简单
应用机型：
491(4Y)、489(GM2.0)、486(3Y)、 CA-72轿车发动机
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.2 典型燃烧室分析
（3）多球形（蓬型）燃烧室 特点：
多球形—顶部呈半球形，进排气门和 火花塞周围均分别呈球形； 蓬型—顶部由若干平面构成帐篷形；
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.1
汽油机燃烧室设计的基本原则
3、火花塞布置合理
火花塞至末端混合气的距离 最短，爆燃可能性小（蓬型）；
靠近高温炽热区布置，爆燃 可能性小（火球型）；
便于扫气，以清扫废气，有 利于起动及低速低负荷的工作稳 定
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
缸内蒸发混合
进气门开启后，气门附近的浓混合气（油 蒸汽、小液滴、部分油膜）首先随进气流进 入缸内，缸内混合气浓度分布极不均匀； 随活塞下行和气门开启面积增大，进气流 速加快，使进气道内油膜蒸发速度加快；同 时，缸内较强气流运动和较低压力氛围促进 燃料进一步汽化，并与空气混合； 进气门关闭后，随活塞上行，吸热和压力回升 使缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，继续促 进燃油的蒸发与混合；
8.3.2 汽油机燃油雾化方式分类
化油器式 多点喷射 缸内直喷
（1）化油器（Carburetor） （2）进气道喷射（PFI，Port Fuel Injection）
（3）缸内直接喷射（GDI，Gasoline Direct Injection）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则
1、 结构紧凑
紧凑性评价指标：F/V（表面积/容积） F/V越小越好:

火焰传播距离短，避免爆燃， ε可提高； 燃烧放热速率高，等容度提高， ηi高； 淬熄效应小，HC排放低； 散热损失小 L型燃室 ε ＝6~7 4气门蓬型燃室ε ＝8~10
对比：
Department of Automotive Engineering 发动机 MAP中的喷射策略 Tsinghua University
8.4 PFI汽油机的燃烧室
汽油机的燃烧室设计直接影响充气系数、燃烧放热速率、散热损 失、循环波动以及爆燃等，从而影响动力性、经济性和排放性。
示例
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
(4)组织适当的气流运动
气流运动方式：


主要是挤流（如图剖面处，与淬熄层是一对矛盾）；
其次是进气涡流（与柴油机不同，主要用于中低工况时）
挤流面
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.1
目的：
汽油机燃烧室设计的基本原则
典型汽油机燃烧室性能对比
特征
热效率 dp/dφ及pmax NOx HC
浴盆型
低 低 低 高
楔形
较好 较高 高 高
多球形
好 高 高 低
制造工艺性
好
较差
差（难）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
现代汽油机燃烧系统特征
•紧凑（蓬形）燃烧室 •高压缩比（9－11 ） •火花塞中心布置、高能点火 •4气门与双顶置凸轮轴（DOHC） •可变气门定时和升程（VVT/L） •可变进气系统利用气体波动效应 •涡轮增压 •电控系统（多点顺序喷射、双氧
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.2 典型燃烧室分析
(2)楔型燃烧室（wedge type）
特点 楔型空间与挤气面配合，可形 成较强气流运动和扫气，气门倾斜 布置，流动截面大，气道阻力小 性能： F/V较小，火焰传播距离较短， ε 可达9.5， 动力经济性较高，低速低负荷性 能稳定，dp/dφ较高，工作较粗暴缸内混合气分布基本均匀；
在进气阀附近混合气稍偏浓，这是由于气阀周围存在 少量挂壁油膜，在压缩行程高温环境下蒸发加快引起。 压缩过程
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
4气门，火花塞中央布置，挤流较弱 ，可利用双进气道形成涡流。
性能： F/V最小，火焰传播距离最
短，充气系数高，动力经济性好，高 速适应性强；但dp/dφ高，工作较粗暴 。
应用：
目前已成为国际主流形式，其中蓬 型又具多
（日产公司，压缩比10，双顶置凸轮）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
mK--燃油喷射质量； mD--直接进入气缸的燃油质量； mF--为壁面油膜质量； mV—由油膜蒸发的燃油质量
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
喷油结束至进气门开启时期中，进
气阀附近存在大量高浓度汽油蒸汽和 油滴。
8.3.4 PFI汽油机混合气形成过程
最不紧凑
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
最紧凑
8.4.1 汽油机燃烧室设计的基本原则
2、合理的几何形状
适宜的放热速率（如下图） 廓线圆滑、避免尖凸部，以防止表面点火 足够的进排气流通截面（如浴盆型与楔型的对比，气门直径，气道形状）
正常工作时的进气道壁
面油膜质量尚未见具体数
据； 以右图所示的冷启动时 测试结果可知，大部分燃 油并未在本循环内进入气 缸（一些资料认为，冷启 动时只有20%左右的燃油 直接进入气缸）。
汽油机冷启动前3个循环中的燃油分布
（Takeda等，1995年）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
传感器、爆震传感器、）
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
思考讨论
化油器式和PFI式汽油机的燃烧室设计为什么相对柴 油机简单？ 在化油器、PFI和GDI三种汽油雾化方式中，指出混合
时间最长和最短的方式。
火花塞点火时，混合气浓度最高的区域是在进气门还 是在排气门附近？为什么？而柴油机又会怎样？
采用电磁阀喷油器， 喷油压力一般为中低 压力（0.3～1.5MPa）， 喷射方向一般指向进 气阀背中央。
轴针型喷嘴：锥形喷雾，雾化效果好 单孔型喷嘴：单束喷雾，油束锥角小 多孔喷嘴：多束喷雾，雾化效果好 双喷雾型喷嘴：喷雾分成两束，在四气门发动机 中将燃油分别喷入两个进气道中。
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.3 汽油机混合气形成
8.3.1 对汽油机混合气形成的基本要求 ：
（1）形成均质混合气 （2）具有良好的响应特性 （3）适应不同工况的混合气浓度要求 主要的 “三种混合气浓度” 功率混合气： φa=0.85～0.95 经济混合气： φa=1.1～1.2 排放混合气 ：φa=1.0
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.2 典型燃烧室分析
(1)浴盆形（Bathtub type）
特点
形状像椭圆形浴盆，在双侧 （上图 6-8）或单侧（右图）设置挤气面；
性能：
F/V较大，火焰传播距离长，ε <7.5 be较高，pme不高，NOx排放低
工作柔和，制造工艺好。
应用机型： 曾在我国广泛应用，北内492Q(ε =7.2)、6100Q(ε =6.75)、桑塔纳轿车 JV型汽油机，奥迪100轿车发动机等
常见汽油机燃烧室
a~d为最常用的燃烧室；
e的“L型”燃烧室是有代 表性的旧型燃烧室； f~h为有特色的燃烧室
汽油机为降低排放曾出现
过数十种燃烧室，但TWC普 及后，绝大多数采用d的4气 门蓬型燃室。
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
日本车用汽油中，普通汽 油（RON=90）占70%以 上，但汽油机压缩比平均 比我国高1～2单位。
燃 料 辛 烷 值 降 低
机 械 辛 烷 值 提 高
Department of Automotive Engineering Tsinghua University
8.4.1

汽油机燃烧室设计的基本原则