汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧

2020年11月13日星期五汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧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•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•问题：限制压缩比过高均匀混合气易爆燃；•所以，热效率低•2一、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。•设置喉管加快气流速度•产生喉管真空度喷油；•高速空气冲散、雾化、蒸发•喉管•浮子室•高速气流•3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•不能满足现代节能与排放法规的要求淘汰•被电控汽油喷射技术替代•4（1）汽车电子技术发展背景社会要求：•2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成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•为降低成本着手开发电控式汽油喷射系统•1945年洛杉矶烟雾事件；1960年制定/1965年实施排放法规重视排放控制技术空燃比的控制精度•1883年戴姆勒发明轻便快速汽油机广泛应用•5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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•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•控制技术由模拟控制向数字控制化发展•1977年日产/丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制•1980年三菱推出卡门涡式空气流量计；1981年波许/日立制作所推出热线式空气流量计•电控汽油喷射技术逐渐成熟•6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。3．因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件，故提高发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。•成为现代汽车的主导地位•7（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，如何精确控制燃料喷射量控制最佳混合气浓度。•关键问题：确定不同工况下的目标空燃比；•精确控制燃料喷射量。•需要精确测量进入气缸的空气量•8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。ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、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。•质量流量计、进气压力传感器/温度传感器以及转速传感器，•9二、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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（压缩）；喷射压力为2~5MPaGDI混合气形成特点：无气道黏附油膜现象，节省额外耗油，起动性、响应性及A/F的控制精确•缸内雾化、气化吸热有利于充气效率。•10三、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。•a1.03~1.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、经济性下降，NOx排放也降低。•11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燃烧速率最快，热损失最小动力性最好。称此混合气为功率混合气aP。•但因不完全燃烧be、CO、HC•12a0.8~0.9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。称此混合气为着火上限。•对应最佳动力性和最佳经济性的A/F不一致；•存在混合气浓度的着火界限范围。汽油a=0.4~1.4•132）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。怠速：Pe=0，开度最小，n和温度较低，r较大；•且随TW，油膜蒸发不同，影响混合气浓度。•a=0.6~0.8怠速稳定。•快怠速系统缩短暖车时间，怠速经济性，•14•快怠速系统：机械式•电控节气门式•块怠速原理：低温时进气量，n;随Tw，进气量，nnI•机械式(旁通空气法)•蜡•15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。•要求供给功率混合气；a=0.8~0.9•对经济性和排放问题暂不予考虑•16加减速工况：节气门突变，进气量/进气压力变化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使其蒸发量增加，缸内混合气变浓。•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。•17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。•§5-2汽油机燃烧过程•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击穿阶段(10ns)：击穿离子流导通;T=60000电弧阶段：导通电弧放电;电流高,T=6000K辉光放电阶段：离子化气体扩散密度，T•火焰核形成•18二、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，气流运动，火花能，残气等•19(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。•(4)缸内气流强度：缸内气流使火焰中心偏离电极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损失就增加，i。•20(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•其中，L1：初级线圈自感系数；i1：初级电流；•V：线圈两端电压，R1：初级线圈的阻抗；•t：通电时间•21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：明显燃烧期越短，燃烧越快(等容)，经济性动力性愈好；但p/高噪声振动大，粗暴。•22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。•23燃烧过程的主要参数：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：表明放热规律的控制情况。即•越小燃烧越靠近上止点，定容度和热效率就越高•241．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，即主要控制明显燃烧期。•2）火焰传播速率•25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•其中，a：过量空气系数；•p,Tu:分别为火焰前锋面前未燃气体压力和温度•26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a1.3~1.4时，不能传播，下限；a0.4~0.5时，严重缺氧，不能传播，上限。•a•27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•282．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•湍流强特点：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。小尺度湍流加大火焰面中燃料分子与空气分子之间的相互渗透，加快湍流火焰传播速率。•29•湍流强度•火焰速度比令湍流火焰速率与层流火焰速率之比为火焰速率比，即则，FSR与湍流强度成比例当缸内湍流强度不高时，湍流速率与层流速率之间近似呈线性关系，即湍流过强火焰猝熄HC的原因之一•303．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•已燃区的膨胀速率•Ap,p:分别为已燃区在活塞上的投影面积和活塞速度，Vb:已燃区体积，V:气缸容积，:曲轴角速度•31指稳定正常运转的情况下个循环之间燃烧变动和个缸之间的燃烧差异。1.燃烧循环变动：指稳定工况下，每一循环燃烧过程随机变化的现象。产生原因：火花塞附近a、湍流特性、强度的随机性；造成i不同。影响：动力性、经济性。稀混合气、小负荷时大。•3）不规则燃烧•梳状示功图•32循环变动的评价参数：pmi的变动系数:pz的变动系数:•N:循环数，:N次循环pz的平均值。•：N次循环平均指示压力的平均值•332.各缸燃烧差异：由各缸不均匀性造成。各缸不均匀性：各缸之间a、v不同；原因：进气干涉、进气支管差别、进气速度、紊流状态不同、油膜厚度蒸发条件不同等。影响：动力性、经济性、排放特性。措施：进气系统设计、进气阻力、各零件安装位置•汽油机MPI后，各缸进气支管基本保持一致改善各缸不均匀性。但气道内壁及进门处的油膜、各缸湍流状态不完全一致等，各缸不均匀性一定程度上仍然存在。GDI技术将进一步改善各缸不均匀性。•344）燃烧室壁面的熄火作用汽油机产生HC排放物的主要来源之一