第六章-汽油机混合气形成与燃烧

1第六章汽油机混合气的形成和燃烧本章要求：了解：汽油机有害排放物的生成机理与控制，汽油机燃烧室。理解：汽油机混合气的形成与燃烧，影响燃烧的因素和措施。掌握：爆燃和表面点火形成原因与控制措施。2第1节汽油机的燃烧过程包括：着火落后期、明显燃烧期和后燃期三个阶段。一、正常燃烧过程1、着火落后期（1-2）从火花塞点火到火核中心形成—开始燃烧（压力线明显脱离纯压缩线而急剧升高）。汽油机正常燃烧过程影响因素：混合气浓度、气体温度与压力、点火能量、残余废气系数、气流运动等。*思考：一般希望着火落后期越短越好，为什么？3汽油机正常燃烧过程2、明显燃烧期（2-3）从开始燃烧到压力达到最高点（通常也是温度最高点）。特点：1、火焰以球面火焰层的形式向周围传播，迅速烧遍整个燃烧室，此球面称为火焰前锋。2、约80%的燃料在上止点附近燃烧放热，故压力、温度迅速升高。（最高压力3-8MPa，最高温度2200-2800K）故也称为火焰传播阶段（30-70m/s）。*思考：汽油机最高温度与压力比柴油机高，为什么NOx排放反而低？4汽油机正常燃烧过程压力升高率对发动机性能的影响：P越大，动力性与经济性越好；但振动与噪音大，NOx排放增加。最高压力点3的位置对发动机性能的影响：推迟动力性、经济性差提前压缩负功增加，、与增大。最高压力点的位置通常由点火提前角来调整。（一般要求不超过0.175-0.25MPa)/PmaxPmaxT（通常出现在上止点后12-15°CA）5汽油机正常燃烧过程3、后烧期（2-3）从压力最高点到燃料基本燃烧完全。特点：1、燃烧速度低；2、活塞已下行，作功效率低且散热损失大；3、除未燃燃料参与燃烧外，一些中间产物（CH、CO等）将进一步氧化燃烧；要尽量缩短后燃期6二、不规则燃烧定义：发动机稳定运转情况下，各气缸间的燃烧差异和各循环间的燃烧变动，某种程度上属正常情况。1、循环变动（汽油机特有的燃烧现象）危害：1、由于存在循环变动，故无法精确控制每循环的最佳点火提前角，从而影响发动机各项性能的提升。消除循环变动后，可降低燃油消耗10%-15%。72、严重时会导致低速（怠速）失火率的增加，使发动机运转不稳定（稀薄燃烧时尤为严重）。循环变动产生的原因：1、火花塞附近气体成分的变化2、气流强弱（紊流，尤其火花塞附近）（影响落后期的长短）（影响火核中心的形成与火焰传播轨迹）8改善循环变动的措施：1、采用0.8-1.0的过量空气系数；2、适当组织进气运动，改善混合气均匀性，加快火焰传播速度，并可扫除火花塞附近的残余废气；（但不可过强，否则会吹散火核）汽油机进气气流的组织3、采用多点点火；双火花塞点火4、采用大的火花塞间隙和点火能量；使火核远离壁面和电极92、各缸工作不均匀产生的原因：1、各缸充量不均匀2、各缸混合气成分不均匀改善措施：1、进气支管均匀配置（长度、大小、进气阻力）2、采用多点喷射或缸内直喷10三、不正常燃烧火花塞点火后，火焰前锋未达区域由于先期发应速度加快，而引发自燃的一种现象（多点同时自然着火）。1、爆燃（爆震）（敲缸）定义：*思考：同样是多点自燃，为什么柴油机不会出现爆燃？11现象与危害：1）局部压力、温度迅速升高，形成激波，撞击燃烧室壁面，发出敲缸声（高频振荡，频率5000次/s）。2）零件的冲击载荷增大；3）激波会破坏缸壁上的油膜和激冷层，导致磨损加剧、热负荷严重；4）动力性与经济性明显降低。P爆燃时气缸压力变化5）排放变差，积碳增多。冷却水和壁面气体附着层的作用，维持壁面200-300℃的温度。12影响暴燃的因素：1）燃料性质（辛烷值的大小）2）使用因素:（1）发动机转速转速↑，进气速度↑，紊流强度↑，燃烧速度↑，爆燃倾向↓。（2）废气残余系数废气残余系↑，混合气自燃温度↑，爆燃倾向↓（3）混合气浓度（过量空气系数0.8-0.9时，爆燃倾向大）（4）点火提前角点火提前角↑，最高爆发压力和温度↑，爆燃倾向↑13（4）燃烧室积碳形成炽热物并使散热不良，使终端混合气加热，爆燃倾向增大。3）结构因素:（1）压缩比压缩比↑，压缩终了温度和压力速度↑，爆燃倾向↑。（2）火花塞位置、燃烧室结构与气缸直径大小（影响火焰传播距离）（5）发动机负荷负荷↑，缸内温度和压力↑，爆燃倾向↑。14凡不依靠火花塞点火而由燃烧室内炽热表面（火花塞电极、排气门、积碳等）点燃混合气的现象。2、表面点火定义：分类非爆燃性表面点火爆燃性表面点火早火或早燃后火或后燃1）后火：火花塞点火之后，炽热表面点燃混合气（通常炽热表面温度较低，与爆燃不同的是，其火焰以正常速度向外传播）。后火通常对发动机影响不大。152）早火：火花塞点火之前，炽热表面点燃混合气（炽热点温度较高，通常由于发动机长时间高速、大负荷运行所至）。早火的危害：（1）压缩负功增大（单缸机甚至引起停车）；（2）压力升高率大，工作粗暴，机械负荷与热负荷严重，且易促进更多炽热点的形成；（3）会促进爆燃的产生（与爆燃为相互促进的关系）；3）表面点火与爆燃的区别一个是自燃，有激波和清脆的敲缸声，一个是炽热表面点燃，无激波，敲缸声沉闷。16影响暴燃的因素与防止措施：凡是能使缸内的T、P降低、减少气缸积碳的因素，都可预防热面点火（1）选用低沸点汽油和成胶性小的机油；（2）在燃料中加抑制热面点火的添加剂（如磷化物）；（3）适当降低压缩比（8.5以下）；（4）避免长时间低负荷运行和频繁减速运行。17第2节电控汽油喷射系统简介1、功率混合气（13.5α14）一、空燃比α对发动机性能的影响燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃1012141618燃燃属于浓混合气，输出功率大，但燃烧温度高，CO和HC排放大。2、经济混合气（16α17）属于稀混合气，油耗低，但富氧使NOx排放大。基于节能和减排，应使空燃比精确控制在14.7附近。空燃比与发动机性能关系18二、典型的汽油机电子燃油控制系统油箱ECU冷起动喷油器节气门位置传感器空气流量传感器水温传感器进气温度传感器氧传感器凸轮轴位置传感器曲轴位置传感器1、L型电控燃油喷射系统（带空气流量传感器）爆震传感器喷油器怠速控制阀192、D型电控燃油喷射系统（带进气压力传感器）20水温传感器、进、排气温度传感器、油温传感器等。一、温度传感器第3节电控系统传感器简介构造与原理：热敏电阻（NTC型）-200204060801001520电阻（kΩ）温度（℃）水温传感器温度特性21作用：1、水温与进气温度传感器用于喷油量的修正；2、排气温度传感器用于三元催化异常高报警；3、油温过高报警。检测：22二、空气流量传感器（流量计）种类与构造：补偿挡板缓冲室翼片温度传感器旁通气道调节螺钉电位计叶片式卡门式作用：检测进气量，确定基本喷油量。23控制电路热膜温度补偿电阻防护网热线式热膜式热式空气流量计反应灵敏，测量精度高且不受气流脉动影响，适合各种工况下的精确测量，是目前应用的趋势。热线式具有自洁功能；热式空气流量计采用12V工作电源。24三、进气压力传感器构造与原理：半导体压敏电阻式、变阻器式、电容式等。1、压敏电阻式压力传感器（桥式电路）检测时（就车）：怠速信号电压1-1.5V，加大油门信号电压应逐渐增大，全开时应为4.5-5V。252、变阻器式：3、电容式：输出数字信号26四、曲轴位置与凸轮轴位置传感器构造与原理：电磁式、霍尔式、光电式等。1、电磁式特点：1、输出正弦波，为模拟信号；2、信号大小与间隙和转速有关，信号容易畸变和丢失，不适合低转速测量。作用：测量曲轴转角位置和发动机转速。272、霍尔式永久磁铁霍尔元件触发轮特点：数字信号、适合各种转速测量。3、光电式特点：数字信号、精度高，但使用要求高。*思考：如果曲轴、凸轮轴位置传感器信号丢失会怎么样？28五、节气门位置传感器种类：开关型和线性输出性。作用：测量节气门开度，提供ECU喷油脉宽的基本信号。1、开关型节气门位置传感器292、线性输出型节气门位置传感器30六、氧传感器种类：作用：测量排气中氧的浓度，进行空燃比控制。22OZOTri和二氧化锆二氧化钛3132七、爆震传感器种类：共振型与非共振型。作用：检测发动机是否发生爆震，从而控制点火提前角。检测：1、检测各端子电阻（均1MΩ）；2、检测发动机工作时是否有脉冲信号输出。33燃油喷射控制的内容：一、喷油时刻的控制第4节燃油喷射的控制1燃3燃4燃2燃燃燃燃燃燃°燃01803607205409001080燃燃燃燃燃燃喷油时刻与喷油量1、多点同时喷射：曲轴每转一圈，各喷油器同时喷油一次。优点：无需判缸信号、控制系统简单易实现。缺点：各缸喷油时刻不同，造成各缸混合气形成不一致。ECU喷油器342、多点顺序喷射：一个工作循环内（曲轴每转两圈），各喷油器依据各缸工作顺序依次喷油一次。优点：各缸均可按最佳时刻喷油，有利于混合气形成，降低排放和油耗。缺点：必须向ECU提供上止点信号和判缸信号，控制系统较为复杂。1燃燃燃燃燃燃°燃01803607205409001080燃燃燃燃燃燃ECU喷油器353、分组喷射：发动机工作过程中，各组喷油器交替进行喷射（曲轴每转一圈，只有一组喷油器喷射）。燃燃燃燃燃燃1燃3燃4燃2燃燃燃燃燃燃°燃01803607205409001080汽油机喷射时刻是ECU根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器提供的基准信号进行控制的。ECU喷油器36二、喷油量的控制喷油量由ECU根据发动机工况对喷油持续时间（喷油脉宽）进行控制。1、起动时喷油控制（起动开关ON，且转速低于限值）（2）由于温度低，需要供给浓混合气（1）转速低且波动大，进气量测量不准所以起动时，ECU不依据空气流量传感器信号，而按预先设定的程序，根据起动转速、冷却水温度和进气温度计算固定的喷油量。特点：延长喷油时间或增加喷油次数，采用冷起动喷油器372、起动后喷油控制（起动开关OFF，且转速高于限值）发动机起动后，ECU依据进气量、发动机转速、节气门位置、进气温度、冷却水温度、排气中氧的含量等信号，控制喷油持续时间（喷油脉宽）。喷油持续时间=基本喷油时间×修正系数+电压修正值（1）蓄电池电压修正电压修正系数蓄电池电压（V）6810121416（电压越低，喷油时间越长）38（2）进气温度修正进气温度不同，空气密度也不同，因而需要根据进气温度修正喷油量（通常在-20℃-60℃期间进行）。修正系数进气温度（℃）-200204060801.00.6（温度低，喷油时间加长）39（3）起动后加浓与暖机加浓冷却水温度越低，相应修正系数也越大，喷油量（喷油持续时间）增大。起动—暖机过程中，冷却水温度较低，燃油蒸发差，仍需供给较浓混合气。修正系数冷却水温度（℃）-40-2002040601.08010040（4）加速加浓加速时，节气门突然增大，虽然进气量会增大，但由于气管真空度减小，油膜蒸发减慢，故而会造成短时间的混合气变稀。修正系数加浓持续时间0121.03-20℃80℃2.00℃20℃40℃60℃冷却水温度冷却水温度越低，修正量越大，持续时间越长。41（5）大负荷加浓ECU依据PSW触点信号（约80%的开度）判断发动机处于大负荷工况，增加喷油量（正常值的10%-30%），提供功率混合气（空燃比13.5-14）。（加浓量取决于冷却水温度）（6）断油控制（包括超速断油、减速断油和起动溢油）a、超速断油防止超速运行（6000-7000r/min)。b、减速断油高速突转低速（节气门从全开→全关），由于真空度突然增大，油膜蒸发迅速，为了避免混合气过浓，需要停止燃油供应。判定依据：IDL触点信号、转速信号和冷却水温度信号。42c、起动溢油控制起动时，若油门踩到底，ECU会自动切断燃油喷射。（7）理论空燃比反馈控制氧传感器的闭环控制（α=14.7），以满足经济性和排放需求。燃燃燃14.7燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃0.45V0.1V0.9V燃燃燃燃燃燃燃燃起动、暖机、大负荷以及氧传感器故障、排气温度较低时，ECU进行开环控制。43一、汽油机对燃烧室的要求第5节汽油机燃烧室（1）F/V越小，散热面积小，热损失小；1、结构紧凑（F/V要小