汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧

汽 车
存在混合气浓度的着火界限范围。汽油a=0.4~1.4
学
院
2）汽油机各工况对的要求 工况 起动、怠速、中小负荷、全负荷和加减速。 ➢起动工况：n、温度最低，开度小，气流速低；
喷雾及油膜蒸发混合条件最差。
供给a=0.4~0.6;保证缸内可燃混合气的浓度；
问题：CO和HC排放较严重。首次喷射完爆率。
经济性下降，NOx排放也降低。
车
学
院
➢ a =1.3~1.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；
氧化速率，放热<散热 热量不能积累； 火焰难传播而熄火。 称该混合气浓度为着火下限。
➢a =0.8~0.9时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够
吉
燃烧速率最快，热损失最小
林
大
动力性最好。
学
但因不完全燃烧 be、CO、HC
其中，a：过量空气系数；
车 学
p,Tu:分别为火焰前锋面前未燃气体压力和温度
院
✓ a =0.85~0.95时， UT max;
功率最大功率混合气
✓ a =1.05~1.15时，UT降低不多
且有足够氧，促进完全燃烧
经济性最好经济混合气
✓ a过大， UT太慢，热效率低
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✓ a >1.3~1.4时，不能传播，下限；
➢以节能排放为目的的稀薄燃烧过程时，需要在气
缸内形成A/F的梯度分布 缸内滚流+喷射时刻
吉 （压缩）；喷射压力为2~5MPa
林
大 ➢GDI混合气形成特点：无气道黏附油膜现象，
学 汽
节省额外耗油，起动性、响应性及A/F的控制精确
车 学
缸内雾化、气化吸热有利于 充气效率。
院
三、混合气浓度与发动机性能的关系
吉
林 ➢ ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、
大 学 汽
燃油喷射量；控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压 力喷射雾化，完成混合气的形成过程。
车
学
院
二、缸内直喷（GDI）式混合气形成： 由控制目的不同， GDI系统混合气形成特点不同：
➢用三效催化装置降低排放角度均质的理论空燃 比为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用缸 内适当气流形成均匀混合气。 控制法与PFI同
学
汽 ➢ 辉光放电阶段：离子化气体扩散密度，T
车
学 火焰核形成
院
二、正常燃烧过程
1）正常燃烧过程的示功图分析：
根据缸内压力变化特点，分为三个时期
第I阶段：着火阶段，点火~2点；点火能量>40mJ;
作用：形成火焰中心使火焰传播。
要求：尽可能短、稳定。
影响因素：a，缸内T、p，
吉
气流运动，火花能，
林 大
3 2
学 汽
明显燃烧期越短，燃烧越快(等容)，经济性动力性愈
车 学
好；但p/高噪声振动大，粗暴。
院
➢ 第三阶段：后燃期，3点~4点，前阶段未燃分解物 在膨胀过程中再次氧化的过程。
来源：缸壁附近，缝隙处，高温分解物等
后燃越多，排温越高；热效率
要求：尽量减少。
吉 林 大 学 汽 车 学 院
燃烧过程的主要参数：
大
学
汽
车
成为现代汽车的主导地位
学
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（2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点
进入气缸的空气量和燃料量分别控制： 空气量空气流量计驾驶员控制； 燃料喷射量目标空然比ECU控制。
电控汽油喷射的主要问题：
根据不同工况下进入气缸的空气量，如何精
吉 确控制燃料喷射量控制最佳混合气浓度。
林 大
关键问题：➢确定不同工况下的目标空燃比；
➢ 汽油机燃烧过程：均匀混合气点燃火焰传播； ➢ 主要包括：点火过程和火焰传播过程 。
一、点火过程 通过外部能源在缸内某一点产生火焰核的过程；
手段：火花塞两端施加15kV~30kV火花放电方式
火花塞放电过程：三个阶段 吉 ➢ 击穿阶段(10ns)：击穿离子流导通;T=60000
林
大 ➢ 电弧阶段：导通电弧放电;电流高,T=6000K
第四章 汽油机混合气的形成和燃烧
§5-1 汽油机混合气形成及热功转换特点 §5-2 汽油机燃烧过程 §5-3 汽油机燃料喷射量的控制 §5-4汽油机燃烧组织方式及燃烧室 §5-4汽油机的有害排放物及其控制
内燃机实现热功转换的关键问题 ：混合气形成方式 着火方式
石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源
湍流速率与层流速率之间近
吉 林
似呈线性关系，即
大
学 汽
ST S L (1 0.00197n)
车
学
院
湍流强度
➢湍流过强火焰猝 熄HC的原因之一
3．火焰传播速率Sf：
定义：火焰传播速率为火焰前锋面相对燃烧室壁
面传播的绝对速率，即
S f ST Se
已燃区的 膨胀速率
吉
Se
1 Af
Vb V
dV
d
汽 车
称此混合气为功率混合气aP。
学
院
➢ a<0.8~0.9时：混合气过浓，氧气不够；
燃料不完全燃烧放热，燃烧速率； 动力性/经济性； 缸内易积碳，CO，冒烟。
➢a=0.4~0.5时：严重缺氧，大部分燃料不能燃烧；
火焰不能传播而熄火。
吉
称此混合气为着火上限。
林
大 学
对应最佳动力性和最佳经济性的A/F不一致；
吉 林
➢怠速：Pe=0，开度最小，n和温度较低，r较大；
大
且随TW，油膜蒸发不同，影响混合气浓度。
学
汽 a=0.6~0.8 怠速稳定。
车 学
快怠速系统缩短暖车时间，怠速经济性，
院
快怠速系统：机械式 电控节气门式
机械式(旁 通空气法)
块怠速原理：低温时进气量， n; 随Tw ，进气量，n nI
吉 林
1972年波许公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统
1976年GM公司开发应用应用点火时期的微机控制技术
吉 控制技术由模拟控制向数字控制化发展
林
大 1977年日产/丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制
学
汽 车
1980年三菱推出卡门涡式空气流量计；1981年波许/日
学 立制作所推出热线式空气流量计
林
大 学
残气等
汽
车
学
院
(1) 燃料特性和a： 碳链长的烷烃类成分越多自然 性越好，i越短。当a=0.8~0.9时，反应速率最
快，i最短。
(2)点火时刻气缸内的p和T：越高，p()和T越高 反应速度越快 i。但受爆震限制。
(3)r：残余废气是惰性气体其热容高。r，化学
反应速度， i 。
吉
林 (4)缸内气流强度：缸内气流使火焰中心偏离电
大
学 被电控汽油喷射技术替代
汽
车
学
院
2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成
（1）汽车电子技术发展背景 社会要求：
1883年戴姆勒发明 轻便快速汽油机广泛应用
航空技术的发展化油器结冰成为致命缺陷
1930年德国因战争需要着手开发机械式喷射系统
但燃料系统改成机械喷射式成本高，安装不方便
吉
林 大
为降低成本着手开发电控式汽油喷射系统
Ap p
林
大 学
Ap,p:分别为已燃区在活塞上的投影面积和活塞速
汽 度，Vb:已燃区体积，V:气缸容积，:曲轴角速度
利用空气动力学。
浮子室
高速气流 喉管
吉 设置喉管加快气流速度
林
大 产生喉管真空度喷油；
学
汽 车
高速空气冲散、雾化、蒸发
学
院
这种混合气形成方式存在的问题：
喉管节流：进气阻力，泵气损失 ，v，结冰；
多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各 缸不均匀性较大；
空然比控制精度
吉 林
不能满足现代节能与排放法规的要求淘汰
大尺度湍流火焰前锋面扭曲，
其面积；形成多个燃烧中心；扩
大火焰前锋燃烧区厚度。
湍流强
吉
林 大
小尺度湍流加大火焰面中燃料
学 分子与空气分子之间的相互渗透，
汽
车 加快湍流火焰传播速率。
学
院
令湍流火焰速率与层流火焰速率之比为火焰速率 比，即
FSR ST S L
则，FSR与湍流强度成比例
火焰速度比
当缸内湍流强度不高时，
1）混合气浓度对发动机性能的影响
理论上：a=1时完全燃烧， 实际上： a=1.03~1.15时接近完全燃烧 因缸内混
合气非均匀；残余废气稀释作用直接影响燃烧。
称此混合气为经济混合气ab。
吉 a>1.03~1.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，
林 大
放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、
学 汽
大 学
极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损
汽 失就增加， i 。
车
学
院
(5)点火能量：点火能量，电极间隙处的混合气更 容易击穿而导通，i。
蓄电池-点火线圈式点火系统的点火能量：与初级 电流切断之前初级线圈所储蓄的能量E成正比。即
吉
E L1i12 2
i1
V R1
(1
R1
e L1
t
)
林 大
汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式
➢挥发性好外部混合气形成法均匀可燃混合气
➢点燃温度低强制点燃火焰传播燃烧方式
吉
林
大 问题：限制压缩比过高均匀混合气易爆燃；
学
汽 车
所以，热效率低
学
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一、外部混合气形成特点 燃料供给方式分为：化油器和电控喷射两种方式
1）化油器式混合气形成原理及特点 混合气形成基本原理：
a
大 学
✓ a <0.4~0.5时，严重缺氧，不能传播，上限。
汽
车
学
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火焰前锋面积AT：燃烧室形状和火花塞位置有关
混合气密度T：T ，可提高燃烧速度。
手段：；增压提高进气压力
吉 林 大 学 汽 车 学 院
2．湍流火焰传播速率
湍流：由宏观涡流运动和无数个微小气团的无规
则运动组成。
湍流弱
➢ 特点：
大蜡
学 汽 车 学 院
➢ 中小负荷：工作温度，雾化条件改善。 此时随节气门开度增加，进气量，r。
随开度a；
常用工况：三效催化+电控 排放： a=1.0
➢全负荷工况：开度最大，输出最大功率。
吉 林
要求供给功率混合气；a=0.8~0.9
大 对经济性和排放问题暂不予考虑
学
汽
车
学
院
➢ 加减速工况：节气门突变，进气量/进气压力变化
学 汽
➢ 精确控制燃料喷射量。
车 学
需要精确测量进入气缸的空气量
院
电控汽油喷射系统的混合气控制特点：
➢由台架试验,事先确定不同工况对应的最佳空然比及其 影响因素制成控制脉谱图，存储于ECU的ROM中。
➢ 由专门进气流量测量装置，测量每一工况进入气缸的 空气量，作为控制喷油量的主要依据。
质量流量计、进气压力传感器/ 温度传感器以及转速传感器，
影响进气道表面/进气门背面油膜蒸发；
影响缸内混合气浓度。
加速时：进气量，进气压力，油膜表面压力;
阻碍油膜蒸发， 缸内混合气变稀；
减速时：进气量，进气压力 ，油膜表面压力
吉
使其蒸发量增加， 缸内混合气变浓。
林
大
学 汽 车
因此，造成汽车加减速时游车现象 必须需要相应 地进行喷油量的加减修正。
学
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§5-2 汽油机燃烧过程
S
：火焰速度；
L
AT：火焰前锋面积
大 学
主要控制明显燃烧期。
汽
车
学
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影响SL的主要因素：
燃料特性、气缸内压力和温度状态。
用经验公式表示，即
SL
S
L
0
Tu 288
p 101.3
SL0
30.5
54.9
a
(1
1.21
a
)
2
21.8
0.8
a
(1
a
)
吉 林 大
0.22
a
(1
a
)
0.16
学 汽
院
电控汽油喷射的主要优点：
1． 提高了控制自由度，减小进气阻力，改善各 缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计， 最大限度地提高充气效率。
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2．提高空燃比的控制精度，改善经济性，且配 合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。
吉 3．因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件，故提
林 高发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。
大
学
越小燃烧越靠近
汽 车 学
上止点，定容度和 热效率就越高
e dQB d
c
b d e dQB d
b d
院
2）火焰传播速率
1．层流火焰传播速率SL：
➢ 指火焰前锋面相对未燃混合气的速度影响混合 气的质量燃烧速率。
质量燃烧速率定义：单位时间燃烧的混合气量，
即
吉 林
dm dt
T
SL
AT
T： 未燃混合气密度 ；
学
汽 车
1945年洛杉矶烟雾事件；1960年制定/1965年实施排放
学 法规重视排放控制技术空燃比的控制精度
院
技术支撑：半导体技术的发展及应用
➢1948年晶体管发明，1957年使用化；1958年发明集 成（IC）电路促进汽车电子技术的发展
电控汽油喷射技术逐渐成熟
➢1970年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规； 1971年微机问世使汽车电子控式技术迅速发展
其中，L1：初级线圈自感系数；i1：初级电流 ；
学 汽
V：线圈两端电压，R1：初级线圈的阻抗；
车
t：通电时间
学
院
➢ 第II阶段：明显燃烧期，从2点~p最高(3)点
特点： 火焰传遍整个燃烧室
火焰传播速度取决于：层流火焰速度；
混合气紊流状态；
燃烧室形状。
压力急剧升高，用平均压力上升速度评价：
吉
p p3 p2 0.17 ~ 0.25MPa /
1．pz及其对应曲轴转角&Tz及其对应曲轴转角： pz和Tz代表燃烧过程中的机械负荷和热负荷； 对应曲轴转角位置评价燃烧过程组织是否及时
2．(dp/d)max及其对应曲轴转角& (dQ/d)max及其对
应曲轴转角：主要表明燃烧速率的控制情况。
3．放热率曲线面心对应的曲轴转角：表明放热规律
吉
林 的控制情况。即