汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧

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
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
➢ 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，
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
➢1970年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规； 控
1971年微机问世使汽车电子控式技术迅速发展
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
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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。
➢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
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
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；
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。
➢ 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。
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
汽 油
喷
1972年波许公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统
射 技
术
吉源自文库
1976年GM公司开发应用应用点火时期的微机控制技术 控制技术由模拟控制向数字控制化发展
逐 渐 成
林
熟
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
大
学
汽
车
成为现代汽车的主导地位
学
院
（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。
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关键问题：➢确定不同工况下的目标空燃比；
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
院
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：
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
吉 林
➢怠速：Pe=0，开度最小，n和温度较低，r较大；
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且随TW，油膜蒸发不同，影响混合气浓度。
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汽 a=0.6~0.8 怠速稳定。
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快怠速系统缩短暖车时间，怠速经济性，