汽车发动机原理(张志沛第四版) 第四章 汽油机混合气形成和燃烧

2.运转控制 在发动机运转过程中，ECU 根据进气量和发动机转速来 计算喷油量。 为了简化计算程序，通常将总喷油量分成基本 喷油量、修正油量和增加油量三个部分。 (１)基本喷油量Ｑ (２)修正油量Ｑ１ ①进气温度修 ②大气压力修正 ③蓄电池电压修正 ①起动增量 ②暖机增量 ③加速增量 ④大负荷增量
二、不正常燃烧
1. 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。
汽油机爆震时的示功图
影响爆震有下列因素:
１)燃料品质 燃料对爆震的影响可用抗爆指标或辛烷值来表征。 ２)末端混合气的压力和温度 混合气的浓度、燃烧室的结构及其散热情况、压缩比等凡 能影响混合气的压力和温度的因素，均会影响爆震的倾向。
一、Baidu Nhomakorabea子控制汽油喷射系统的优点
(１)电控汽油喷射系统易于控制燃油供给量，实现混合气空燃 比及点火提前角的精确控制。 (２)电控汽油喷射可以提高发动机功率。 (３) 可采用较高的压缩比来改善热效率。 (４)电控汽油喷射的燃油雾化是由喷油器的特性所决定的，与 发动机转速无关，故起动性能良好。 (５)电控汽油喷射系统的控制自由度大，对动力性、经济性和 排放等可以实现多目标控制。 (６)电控汽油喷射系统具有良好的耐热性能。
第四节 均质压燃(HCCI)汽油机
一、HCCI发动机的主要特点
１)超低的NOx和PM排放， HCCI发动机在部分负荷工况 下的NOx排放相对于传统柴油(汽油)机可降低95％ ~98％。 ２)热效率高， HCCI发动机的热效率可超过直喷式柴油 机的热效率。 ３) HCCI燃烧过程主要受燃烧化学反应动力学控制。 ４) HCCI 发动机运行范围较窄。 ５) HCCI 发动机HC、CO 排放偏高。
3. 不规则燃烧
１)循环间的燃烧变动
循环间的燃烧变动会使汽缸的不同循环的示功图发生变化。
汽油机典型汽缸压力的循环变动情况
２)各缸间的燃烧差异 各缸间燃烧差异主要是燃料分配不均匀造成的，进 气量的差别、进气速度的差别、燃烧室几何形状的制造 误差等也有影响。 影响混合气分配不均匀的因素很多，进气系统中任 何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配。其 中影响最大的是进气歧管，进气歧管布局不当往往造成 各汽缸之间燃料分配不均匀。
第四章 汽油机混合气形成和燃烧
第一节 第二节 第三节 电子控制汽油喷射系统 电子控制点火系统 汽油机的燃烧过程
第四节
均质压燃(ＨＣＣＩ)汽油机
本章要求：
1. 掌握汽油机电子控制喷射系统； 2. 掌握汽油机电子控制点火系统；
3. 熟悉汽油机燃烧过程及其影响因素；
4. 了解均质压燃汽油机。
第一节 电子控制汽油喷射系统
(５)发动机控制策略和系统(闭环反馈系统)的发展以及 相应传感器的研制。 (６)HCCI燃烧运行范围扩展。 (７)合适燃料(包括混合燃料)的开发。
二、HCCI的燃烧特性
从表面上看，均质压燃发动机像点燃式汽油机一样 采用预混均质混合气，又像压燃式柴油机一样利用压缩
过程产生的热量使混合气自燃 ,似乎像是这两者的结合，
而实际上均质压燃的燃烧过程与点燃式汽油机和压燃式 柴油机的燃烧过程有着本质的区别点燃式汽油机和压燃 式柴油机的燃烧都是扩散的燃烧过程，点燃式汽油机主 要是利用热扩散来实现火焰传播，压燃式柴油机的主燃
混合气浓度合适、火花塞跳火时缸内压力及温度高、电火花强 度大，着火延迟时间将减小。另外，与残余废气量、缸内混合气的 运动等因素有关。
2)急燃期
从火焰中心形成到示功图上的压力达到最高点为止→速燃 期。 急燃期是汽油机燃烧进程中的重要阶段。 这一阶段的燃 烧是火焰从火焰核心向燃烧室整个空间传播的时期。
3.点火提前角的修正 修正方法有修正系数法和修正点火提前角法两种，修正 系统与修正项目之间的关系曲线都是存储在ＥＣＵ 中，ＥＣ Ｕ 根据初始点火提前角、基本点火提前角和修正系数计算实 际点火提前角。 １)冷却液温度修正 冷却液温度修正又可分 为暖机修正和过热修正。
点火提前角的暖机修正曲线
２)怠速稳定修正 发动机在怠速运转过程中，由于负荷等因素的变化 会导致转速改变，所以ＥＣＵ 必须根据实际转速与目标 转速的差值修正点火提前角，以便保持发动机在规定的 怠速转速下稳定运转。 ３)空燃比反馈修正 由于空燃比反馈控制系统是根据氧传感器的反馈信 号调整喷油量的多少来达到最佳空燃比控制的，所以这 种喷油量的变化必然带来发动机转速的变化。 为了稳定 发动机转速，点火提前角需根据喷油量的变化进行修正。
烧过程是依靠燃油蒸气和氧气的扩散产生热化学反应。
均质压燃着火燃烧放热特性
三、HCCI技术尚待解决的问题
(１)随发动机转速和负荷的改变控制着火正时 (２) 高负荷运行时燃烧速率的控制 (使放热率减缓，以 限制噪声或过高的燃烧压力)。 (３)改善冷起动和发动机变工况运行的响应特征。
(４)排放(特别是低负荷ＨＣ和ＣＯ的排放)控制系统的 发展。
目前，用于电控汽油喷射系统反馈控制的传感器是氧 传感器，或称λ 传感器。
5、怠速自动控制 怠速控制通过怠速控制阀来调节发动机进气量，达到调整 怠速转速的目的，怠速控制阀有步进电动机式和脉冲电磁阀式 两种。
怠速自动控制
第二节 电子控制点火系统
一、电子控制点火系统的基本组成及工作原理
1.基本组成 电子控制点 火系统一般由电 源、传感器、Ｅ ＣＵ、点火器、 点火线圈、分电 器、火花塞等组 成。
2.工作原理
发动机工作时，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，并向点火器发出指 令，去控制点火线圈初级电路的导通和切断。 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。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，使发动机完成做功过程。
汽油机的功率最大，燃油消耗率最低。
汽油机的点火提前角调整特性 ａ)节气门全开时；ｂ)转速ｎ ＝１６００ｒ/ ｍｉｎ
3. 转速 转速增加时，汽缸中紊流增强，火焰传播速度大体与转 速成正比增加，因而燃烧过程缩短，应加大点火提前角。 4. 负荷 在转速一定，而负荷减小时，需要增大点火提前角。 5. 大气状况 当大气压力低时，将使汽缸充气量减少，混合气变 浓， 故经济性和动力性下降，但爆震倾向减小。
3)补燃期（后燃期） 从最高压力点到燃烧结束为补燃期。指明显燃烧期以后
在膨胀过程中的燃烧，主要由火焰前锋面过后，后面未及时
燃烧的燃料（燃烧室边缘和缝隙）再燃烧，以及部分燃烧及 高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化。
2. 燃烧速度
燃烧速度是指单位时间内燃烧的混合气数量。
火焰传播速度ＵＴ 是决定急燃期长短的主要因素。现 代汽油机ＵＴ 可高达５０ ~８０ｍ/ ｓ。影响ＵＴ 的主要因 素是燃烧室中气体的紊流程度、混合气的浓度和混合气的 初始温度等。 可燃混合气的密度ρＴ 增大，可提高燃烧速度。 火焰前锋面积ＡＴ 与燃烧室的几何形状及火花塞的 位置密切相关。
(３)增加油量ΔＱ
3.断油控制
断油控制是指ECU在某些特殊工况下暂时中断燃油喷射， 以满足发动机运转中的特殊要求。 (１)超速断油控制 (２)减速断油控制 减速断油控制过程是由ECU 根据节气门位置、发动机转 速、冷却液温度等运转参数，作出综合判断后，在同时满足以 下３ 个条件时执行减速断油控制，切断喷油脉冲。 ①节气门位置传感器中的怠速开关接通。 ②发动机冷却液温度已达正常温度。 ③发动机转速高于某一数值，该转速称为减速断油转速。
３)燃料的性质 汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可 适当增大，以提高发动机的性能。
４)其他因素 最佳点火提前角除应根据发动机的转速、负荷和 燃料性质确定之外，还应考虑发动机燃烧室形状、燃烧 室内温度、空燃比、大气压力、冷却液温度等因素。
2.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。 关于起动时点火提前角的控制: 在发动机起动过程中， 一般将点火时刻固定在设定的 初始点火提前角， 此时的控制信号主要是发动机转速传感 器信号(Ｎｅ信号)和起动开关信号(ＳＴＡ 信号)。 关于起动后基本点火提前角的确定: 发动机起动后怠速运转时，ＥＣＵ 根据节气门位置传 感器信号(ＩＤＬ 信号)、发动机转速传感器信号(Ｎｅ 信号) 和空调开关信号(Ａ/ Ｃ 信号)确定基本点火提前角。
３)火焰前锋传播到末端混合气的时间
提高火焰传播速度，缩短火焰传播距离都会减少火焰前锋 传播到末端混合气的时间，从而有利于避免爆震。
2. 表面点火
在火花点火式汽油机中，凡是 不依靠火花塞点火，而是由燃烧室 内炽热表面点燃混合气的现象。
各种非正常燃烧过 程的ｐ—φ 图
三、使用因素对燃烧过程的影响
1. 混合气浓度
发动机管理 系统框图
五、喷油量的控制
1.起动控制 起动时，由于转速很低，波动大，空气流量计的进气 量信号有很大误差。 因此，ECU不以空气流量计的信号作 为计算依据，而是按预先给定的起动程序来进行喷油控制。 冷车起动时，发动机温度很低，喷入进气道的燃油不易 蒸发。为了保证在低温下也能正常起动，需进一步增大喷油 量。 一般采用以下两种方法： (１)通过冷起动喷油器和冷起动温度开关控制冷起动加浓。 (２)通过ＥＣＵ 控制冷起动加浓。
二、电子控制汽油喷射系统分类
各种缸内直喷点燃式汽油机：
三、缸内直接喷射系统
采用缸内汽油直喷点燃式汽油机有下列形式
１. 采用分层燃烧的点燃直喷式汽油机 １)分层燃烧汽油机的特点 ２)分层燃烧汽油机遇到的问题 ２. 均匀混合直喷点燃式汽油机 １)均匀混合直喷汽油机 ２)均匀混合直喷点燃式汽油机的优点 ３)采用ＶＶＴ 和增压的均匀混合缸内直喷汽油机
四、缸外喷射系统
电控多点汽 油喷射系统
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。工作原理是通过由各种传感器测得 的参数来确定发动机所处的工况，再根据ＥＣＵ 系统中储存 的数据，求出对应于各种工况的喷油时刻、喷油持续时间和 点火提前角的最佳值。 电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量 计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输 出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量。 电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路等组成。
二、点火提前角的控制
1.确定最佳点火提前角的各种因素 最佳点火提前角的数值必须视燃料性质、转速、负荷、 混合气浓度等很多因素而定。 １)发动机转速 点火提前角应随发动机转速升高而增大。 ２)负荷 负荷减小，进气歧管真空度增大，进气量减少，汽缸内 的温度和压力均降低，燃烧速度变慢，燃烧过程所占的曲轴 转角增大， 应适当增大点火提前角。
4.反馈控制 反馈控制又称为闭环控制，利用反映混合气浓度的传 感器对每一瞬间进入发动机的混合气浓度进行检测，并将 检测结果输入ECU。 ECU根据反馈信号，不断修正喷油量， 使混合气浓度始终保持在理想范围内。这种控制方式可以 进一步提高喷油量的控制精度，并可避免由于元件制造误 差或使用老化带来的影响。
第三节 汽油机的燃烧过程
一、正常燃烧过程
1. 燃烧过程的分段
汽油机的燃烧过程 指从点火开始到燃料基 本烧完为止的过程


火花塞跳火
缸内压力线偏离纯 压缩线的始点

缸内最高压力点
θ -点火提前角
1) 滞燃期 从火花塞开始跳火到火焰中心形成→滞燃期。 混合气的燃烧过程不是从电极跳火花开始，而是从混合气中形 成独立的火焰核心开始。火焰核心固然是由电极跳火引起的，但必 须以适当浓度和温度的可燃混合气作基础，且不被气流吹熄，并能 靠自身的燃烧而积聚热量，扩展火源和持续燃烧。 各种因素对滞燃期长短的影响：
混合气浓度对燃烧过程的影响是对汽油机的动力性和经 济性起决定性作用的， 它受发动机工况变化的制约。
一般在α ＝０. ８ ~０. ９ 时，缸内燃烧温度最高，火 焰传播速度最大，故爆震倾向加大。α ＝１. ０３ ~１. １０ 时，燃烧完全，ｇｅ 最低。
2. 点火提前角
对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角，这时