4发动机原理B-第四五章汽油机柴油机混合气的形成和燃烧-2012

发动机原理武汉理工大学汽车工程学院刘志恩[e-mail]2012年6月2020/1/12发动机原理2目录绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第七章发动机电控燃油喷射（EFI）第八章发动机废气涡轮增压第九章排气污染及控制2020/1/12发动机原理3第四章汽油机混合气的形成和燃烧发动机的燃烧过程是影响发动机动力性、经济性和排气污染的主要过程，对噪声、振动、起动性能和使用寿命也有重大影响。4.1汽油机正常燃烧过程4.2汽油机不规则及不正常燃烧4.3影响燃烧过程的因素4.4常用典型燃烧室结构4.5发动机先进燃烧技术4.1汽油机正常燃烧过程汽油机的混合气的形成和燃烧过程是：先在气缸外部的进气管（进气道）内，利用喷嘴或化油器使空气和燃油混合，形成可燃混合气；混合气进入气缸后，到压缩行程终了时形成均匀混合气，再经电火花点火进行燃烧。汽油机的正常燃烧过程是由火花塞点火开始，火焰前锋以一定的速度传遍整个燃烧室的过程。汽油机着火和燃烧的火焰传播过程特点：均质透明火焰，前锋面皱褶火核形成对汽油机燃烧过程的分析主要根据展开示功图P-φ进行。根据缸内压力变化的特征，汽油机的燃烧过程可分为三个阶段：Ⅰ-着火落后期Ⅱ-明显燃烧期Ⅲ-补燃期对在燃烧压力线上:1点为火花塞跳火点；2点为燃烧压力线脱离压缩压力线点；3点为最高压力点。右图中虚线表示只压缩不点火的压缩线；1.着火落后期（φA～φB）特性参数：着火落后期φi10°～20°CA注意区别点火提前角θigφi相对稳定（相对柴油机），因此θig对pmax相位有重要影响现象：在φA点开始火花点火，高温单阶段着火；在φB点产生稳定的火核，开始火焰传播；φB点也可用CA05表示，即累计放热5%的相位。pmax↑，ηi↑，Wi↑，NOx↑，机械负荷及热负荷↑；pmax位置，φc＝10～15CA（ATDC）2.明显燃烧期（φB～φC）现象：由明显火核产生～火焰充满燃烧室；90％燃料在此期间被燃烧。也称为速燃期Δp/Δφ在0.2--0.4MPa/CA放热速率特征值CA50：累计放热50%的相位，0～10CAATDC主要控制参数1：最高爆发压力pmax3.后燃期（φC～φD)要求：燃期短—如果后燃期↑，则ηi↓，排温↑，甚至“放炮”燃烧净—否则，HC↑，CO↑现象燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面附近未燃混合气2020/1/12发动机原理10燃烧速度燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量AT--火焰前锋面积ρT--未燃混合气密度UT--火焰速度控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。现代汽油机转速很高，一般在5000—8000r/min，燃烧时间极短，1—2msTTTAUdtdm2020/1/12发动机原理11燃烧速度－影响因素火焰速度UT火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。•气体的紊流运动•混合气成分•混合气初始温度火焰前锋面积AT可燃混合气密度ρT2020/1/12发动机原理124.2汽油机不规则及不正常燃烧（一）、不规则燃烧在稳定正常运转的情况下，各循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。•循环变动：各循环间的燃烧变动•各缸工作不均匀：各缸间燃烧差异对于各缸和各循环而言，混合气温度等都可能互不相同，点火提前角和空燃比的调节不可能都处在最佳值，这就影响各缸和各循环初始火焰形成时刻的稳定性，导致各缸和各循环最大燃烧压力和平均指示压力的变化。2020/1/12发动机原理13循环变动原因混合气成分波动气体运动状态波动影响循环变动的因素较多。如混合气浓度、发动机负荷、发动机转速、点火时刻、燃烧室的形状、火花塞位置、压缩比、配气定时等。为提高发动机功率、减少油耗、降低排放污染与噪声,应使燃烧变动降低到最小限度。可适当提高发动机转速及负荷、增大点火提前角、过量空气系数φat控制在0.8～0.9左右、加强气体紊流、增加点火能量、采用多点点火等。2020/1/12发动机原理15各缸工作不均匀原因各缸进气充量不均匀混合气成分不均匀进气空气量、进气速度、气流扰动强度、燃烧室形状、压缩比、火花塞位置的差异也有影响。从燃烧示功图也可看出各缸燃烧的差异，图5-3为CA6102发动机节气门开度75%，转速n=1400(r/min)和3000（r/min)时各缸燃烧示功图。2020/1/12发动机原理18（二）、不正常燃烧在汽油机正常燃烧情况下，提高压缩比可以提高汽油机的动力性和燃油经济性。而当出现不正常燃烧时，热效率及功率均要下降。同时，由于不正常燃烧使零件磨损加剧，使用寿命下降，发动机振动及噪声增大，排放污染严重，发动机过热。汽油机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火。2020/1/12发动机原理191.爆燃外部特征：特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸产生原因：在火焰前锋尚未到达之前，末端混合气已经自燃影响因素：•燃料性质，燃料的抗爆燃能力－辛烷值•末端混合气的压力和温度•火焰前锋传播到末端混合气的时间2020/1/12发动机原理202020/1/12发动机原理212.表面点火产生原因：不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面点燃混合气的现象。高温炽热表面在火花塞点火前点燃混合气的现象称为早燃。早燃的危害：发动机工作粗暴，压缩功增大，功率下降，火花塞、活塞等零件过热早燃与爆燃的关系：早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。2020/1/12发动机原理222020/1/12发动机原理232020/1/12发动机原理244.3影响燃烧过程的因素（一）混合气浓度（二）点火提前角（三）转速（四）负荷（五）大气状况2020/1/12发动机原理25（一）混合气浓度在α=0.8--0.9时:•pz、Tz、Δp/Δφ、pe均达最高值•爆燃倾向增大•不完全燃烧，所以CO排放量明显上升在α=1.03--1.1时:•燃料燃烧完全，be最低•缸内温度最高且有富裕空气，NOx排放量大在α0.8及α1.2时:•火焰速度缓慢，经济性差•燃料不完全燃烧，HC排放量增多•工作不稳定2020/1/12发动机原理26（二）点火提前角定义：从发出电火花到上止点间的曲轴转角。点火提前角调整特性：当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性，如下页图4-14所示。特点：对应于每一工况都存在一个“最佳”点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。2020/1/12发动机原理272020/1/12发动机原理28（二）点火提前角点火角过大，压缩功增加，且最高压力升高，爆燃倾向加大点火过迟，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，功率、热效率降低，但爆燃倾向减小，NOx排放量降低2020/1/12发动机原理29（三）转速转速增加时，气缸中紊流增强，火焰速度大体与转速成正比增加；转速增加时，爆燃倾向减小；转速增加时，应该相应加大点火提前角。2020/1/12发动机原理30发动机转速n图5-9涡流状况对火焰传播速度的影响a)无涡流b)有涡流2020/1/12发动机原理31（四）负荷汽油机负荷调节是量调节，当负荷减小时，残余废气所占比例相对增加，当负荷减小时，需要增大点火提前角。2020/1/12发动机原理32（五）大气状况大气压力低（高原），气缸充气量减少，经济性和动力性下降，爆燃倾向减小；大气温度高，同样气缸充气量下降，容易发生爆燃和气阻。4.4常用典型燃烧室结构燃烧室的结构直接影响到发动机的充量系数，火焰传播速度及放热率、传热损失及爆燃的发生，从而影响发动机的性能。2020/1/12发动机原理34对燃烧室的要求结构紧凑－小F/V值•火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比•相对散热损失小，热效率高•熄火面积小，HC排量少具有良好的充气性能火花塞位置安排适当•扫除火花塞周围的残余废气•火花塞尽量布置在排气门附近•火焰面变化分配合理•火焰传播距离应尽可能短燃烧室形状合理分布组织适当的紊流运动•进气涡流•挤流防止爆燃和早燃2020/1/12发动机原理35常用典型燃烧室浴盆形燃烧室•F/V较大•压缩比一般不高•动力性、经济性不高•HC排出量多而NOx较少•曾经用于载货汽车、轻型车楔形燃烧室•燃烧室较紧凑•压缩比高•动力性、经济性高•工作粗暴•HC、NOx排出量多•曾广泛用于车用汽油机，但进排气门只能单行排列，难采用多气门机构半球形燃烧室•结构紧凑，F／V值小•压缩比高•动力性、经济性高•工作粗暴•HC排出量少•NOx排出量多2020/1/12发动机原理36其他汽油机燃烧室均质稀混合气的燃烧室分层给气式燃烧室4.5.发动机先进燃烧技术传统的燃烧过程：汽油机：汽油和空气在缸外混合，成较均匀混合气进入汽缸，火花塞在活塞上止点前点火后，火焰以球型火焰锋面遍历整个燃烧室，完成燃烧过程。（均质充量火花点燃）柴油机：空气进入汽缸被压缩后，喷油器在上止点前喷油，燃油蒸发与空气混合形成不均匀的可燃气体，在一定压力和温度下自燃，燃烧后期，存在一边喷油一边燃烧现象，属于扩展燃烧过程。（非均质充量压缩燃烧）先进的燃烧方式汽油直接喷射GDI（GasolineDirectInjection）将汽油通过喷油器直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。燃油分层喷射FSI（FuelStratifiedInjection）利用电子芯片经过计算分析精确控制喷射量进入气缸燃烧，以提高使发动机混和燃油比例，进而提高发动机效率的一种技术。稀薄燃烧：将过量空气系数从λ＝1左右提高到且远超过1.1的水平，以降低发动机油耗并改善CO2排放的燃烧方式；均质充量压缩燃烧HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition）这是一种全新的燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式和压缩点燃式发动机概念的混合燃烧方式；通过压缩缸内均匀的燃油和空气的混合气，在上止点(TDC)附近实现自燃。一、汽油直接喷射GDI将汽油通过喷油器直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化与空气形成混合气进行燃烧。一、汽油直接喷射GDI二、燃油分层喷射FSI利用电子芯片经过计算分析精确控制喷射量进入气缸燃烧，以提高使发动机混和燃油比例，进而提高发动机效率的一种技术。二、燃油分层喷射FSIFSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。FSI将燃油直接喷入燃烧室，由于喷雾的气化冷却作用，它优化了充气效率，从而实现了汽油机匀质调节，不再需要节气门，大大降低了进气损失，分层燃烧减少了发动机的传热损失，进而增大了满负荷。分层喷射FSI技术的应用三、稀薄燃烧稀薄燃烧发动机的空燃比可达到40：1.稀薄燃烧技术能使燃烧更完全，所以稀薄燃烧具有燃油经济性好，排放低。紧凑型和紊流性燃烧室可以增大火焰前锋面积，加强紊流，提高燃烧速度、同时减小已燃气体与燃烧室壁的接触面积，减低传热损失，是稀燃发动机燃烧室的发展方向。分层燃烧、稀薄燃烧和缸内直喷分层燃烧技术、稀薄燃烧技术和缸内直喷技术一直是相关联的。分层燃烧的真正目的是可以实现较稀混合气的点燃，要实现分层燃烧，必须基于缸内直喷，对于缸外喷射的发动机，是无法实现分层燃烧的。而设计缸内直喷的主要目的则是为了实现稀薄燃烧，因此三者走到了一起。而发动机的稀薄燃烧技术是为了让混合气更加充分燃烧，达到减低油耗和排放的目的。三菱公司GDI发动机综合了分层燃烧技术、稀薄燃烧技术和缸内直喷技术的GDI发动机具有更高发动机性能。三菱公司GD