《21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材-汽车发动机原理(中).pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材-汽车发动机原理(中).pdf（60页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、书书书 第三篇?燃烧与排放 燃烧是内燃机发展中的永恒课题?直到? ?世纪? ?年代为止?内燃机燃烧过程的研究 一直是以动力性和经济性为追求目标?近几十年来?汽车排放污染?噪声等所造成的环境 公害成了重大社会问题之一?同时也成了已有? ? ?余年历史的内燃机能否继续生存下去的 生死攸关问题?为此?人类做出了极大努力以降低内燃机排放污染及其他公害?甚至不惜 牺牲动力性和经济性指标?近年来?随着全球汽车保有量的持续增长和石油资源的日益枯 竭以及对二氧化碳温室效应的关注?内燃机再次面临严重的能源和环境问题?因此?为满 足现代社会对环境和能源问题的要求?须持之以恒地研究和完善内燃机燃烧过程?不断开 发高
2、效低污染的新型燃烧系统? 本篇主要介绍内燃机的燃烧过程与有害排放物及噪声控制?第?章中介绍了汽油机混 合气的形成和燃烧过程?比较了化油器式和汽油机的电控喷射系统两种混合气形成的基本 特点?阐述了汽油机的爆燃和循环波动等各种不正常燃烧和不规则燃烧现象及其影响因 素?与第?章相对照?第?章对柴油机混合气形成中的燃油喷射特性和各种缸内气流运动 形式进行了介绍并阐述了柴油机燃烧过程?与汽油机不同的是?放热规律是柴油机燃烧过 程中研究的重点?与柴油机动力性?经济性?排放性以及噪声的密切相关的燃烧室及其调 整参数的优化匹配是本章的重要内容?通过第?章?对汽油机和柴油机的燃烧特性作 了对比?在分析现有发动机
3、优缺点的基础上对近年来燃烧研究的最新进展做了简要介绍? 包括汽油机的稀薄燃烧和柴油机的均质预混合燃烧? 第? ?章介绍由燃烧产生的各种有害排放物的生成机理及控制方法?其中包括作为主 要排放控制技术的三效催化器等排气后处理技术?介绍了发动机排放标准与测试方法?最 后介绍了发动机噪声来源与控制措施? 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧 教学提示?燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程?燃烧完全的程度影响热量 产生的多少和排出废气的成分?而燃烧时间和时刻又关系到汽缸压力变化和热功转换的程 度?所以燃烧过程是影响发动机经济性?动力性和排气污染的主要过程?对噪声?振动? 启动性能和使用寿命也有很大影响?
4、传统汽油机的特点是形成均质混合气?燃烧过程是由 定时的火花点火?火焰以正常的速度传遍整个燃烧室?燃烧过程要避免不规则燃烧和不正 常燃烧?混合气的制备须满足汽油机工况要求?在混合气的形成方式上?汽油喷射已经逐 步取代化油器?在燃烧室结构上?以缸内直喷为代表的稀燃系统也逐渐走向成熟? 教学要求?本章要求学生掌握汽油机燃烧过程?学会分析影响汽油机燃烧过程的因 素?掌握汽油机不正常燃烧的原因及对策?掌握工况对混合气的要求?了解利用化油器和 电控燃油喷射系统制备混合气的工作原理?了解汽油机燃烧室设计要求及新型燃烧系统的 特点? ? ? ? ?汽油机燃烧过程 ? ? ? ? ? ?正常燃烧过程 汽油机正常
5、燃烧过程是由定时的火花点火开始?且火焰前锋以一定的正常速度传遍整 个燃烧室过程? 图? ? ? ?汽油机的燃烧过程 ?着火落后期?明显燃烧期?补燃期 ? ? ?开始点火? ?形成火焰中心? ?最高压力点 ? ?正常燃烧过程进行情况 研究燃烧过程的方法很多?但简单易行且经常使用的方法是测量并绘出示功图?它反 映了燃烧过程的综合效应?汽油机典型的示功 图如图? ? ?所示?为分析方便?按其压力变化 特点?将燃烧过程分成着火落后期?明显燃烧 期和补燃期三个阶段? ? ?着火落后期?图? ? ?中? ? ?段? ?指从 火花塞点火到火焰核心形成的阶段?即从火花 塞点火?点?至汽缸压力线明显脱离压缩线而
6、 急剧上升时?点?的时间或曲轴转角?这段时 间占整个燃烧时间的? ? ?左右? 火花塞放电时两极电压可达? ? ? ? ? 击穿电极间隙的混合气?造成电极间电流通 过?电火花能量点燃电极附近的混合气?形成 火焰中心?在着火落后期?汽缸压力线较压缩 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? 压力线无明显变化? 在最佳点火条件下?一般点火能量只需? ? ? ? ?对较浓和较稀的混合气?点火能量只 需? ? ?为了保证发动机在各种工况下都能点火成功?实际点火能量一般为? ? ? ? ? 高能点火系统则可达? ? ? ? ? 着火落后期长短与混合气成分? ? ? ? ? ? ?
7、? ?时最短? ?开始点火时汽缸内气体温度和 压力?缸内气体流动?火花能量及残余废气量等因素有关?它对每一循环都可能有变动? 有时最大值可达最小值的数倍?显然?为了提高效率?我们希望尽量缩短着火落后期?为 了发动机运转稳定?我们希望着火落后期保持稳定? ? ?明显燃烧期?图? ? ?中? ? ?段? ?指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段?因此 也可称为火焰传播阶段?在示功图上指汽缸压力线脱离压缩线开始急剧上升?图? ? ?中? 点?图中虚线是压缩线?到压力达到最高点?图? ? ?中点?止?明显燃烧期是汽油机燃烧的 主要时期? 在均质混合气中?当火焰中心形成之后?火焰向四周传播?形成一个近似球
8、面的火焰 层?即火焰前锋?从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播?直到连续不断的火焰前锋 扫过整个燃烧室? 因为绝大部分燃料在这一阶段燃烧?此时活塞又靠近上止点?在这一阶段内?压力升 高很快?压力升高率? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一般用压力升高率代表发动机工作粗暴 度和等容度?类似与柴油机?明显燃烧期平均压力上升速度? ? ? ? ? ? ? ?可用式? ? 表示? ? ? ? ? ? ? ? 式中? ?分别为第二阶段起点和终点的压力? ? ? ?分别为第二阶段起点和 终点相对于上止点的曲轴转角? ? ?压力升高率越高?则燃烧的等容度越高?这对动力性 和经济性
9、是有利的?但同时会使燃烧噪声和振动增加?火焰传播速率与压力升高率密切相 关?火焰传播速率高的可燃混合气会促使? ?增加?同样火花塞位置?燃烧室型式对压 力升高率也有影响? 图? ? ?中最高燃烧压力点?到达的时刻?对发动机的功率?经济性有重大影响?如点 ?到达时间过早?则混合气必然过早点燃?从而引起压缩过程负功的增加?压力升高率增 加?最高燃烧压力过高?相反?如?点到达时间过迟?则膨胀比将减小?同时?燃烧高温 时期的传热表面积增加?也是不利的?点?的位置可以用调整点火提前角? ? ? 来调整? ? ?后燃期?图? ? ?中点?以后? ?相当于明显燃烧期终点?至燃料基本上完全燃烧为止? ?图上的
10、点?表示燃烧室主要容积已被火焰充满?混合气燃烧速度开始降低?加上活塞向 下止点加速移动?使汽缸中压力从点?开始下降?在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没 有完全燃烧掉的燃料?以及附在汽缸壁面上的混合气层继续燃烧?此外?汽油机燃烧产物 中? ? ?和?的离解现象比柴油机严重?在膨胀过程中温度下降后又部分复合而放出热 量?一般也看做后燃?为了保证高的循环热效率和循环功?应使后燃期尽可能短? 为了保证汽油机工作柔和?动力性能良好?一般应使点?在上止点前? ? ? ? ? ? ?最高 燃烧压力点?在上止点后? ? ? ? ? ? ?到达? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
11、? ? ? ? ? ?整个燃烧持 续期在? ? ? ? ? ? ?曲轴转角? ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? ? ?燃烧速率 燃烧时?由于各处混合气的浓度?温度和压力是一致的?因而火焰在各方向的扩展速 度基本相等?燃烧主要在厚度为?的火焰面上进行?称为火焰前锋面?火焰前锋面的界面 明显?以火核为中心呈球面波形式向周围扩展?习惯上称这种燃烧现象为火焰传播?根据 混合气运动状态不同?火焰传播方式可分为层流火焰传播和湍流火焰传播?层流火焰传播 和湍流火焰传播燃烧速率大小差别很大? ? ?层流火焰燃烧速率?层流火焰?混合气静止或层流状态?雷诺数? ? ? ? ?燃烧速 率可以用式? ?
12、 ?表示? ? ? ? ? ? ? 式中?为混合气质量? ? ?为火焰燃烧速率? ?为火焰前锋表面积?为未燃混合气密 度? ?为火焰传播速度?火焰传播速度是指火焰前锋面在法线方向上相对于未燃混合气的 移动速度?层流火焰传播速度很低?一般? ? ? ?主要受混合气温度?压力?以及 燃料特性等因素影响?实际发动机中还应考虑残余废气系数的影响? 图? ? ?所示为层流火焰与火焰前锋面形状的关系? 层流火焰传播速度远远不能满足实际发动机燃烧的要求?实际发动机中的火焰传播是 以湍流火焰方式进行的? ? ?湍流火焰燃烧速率?所谓湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的 脉动运动?这些由气体质点所组
13、成的小气团大小不一?流动的速度?方向也不相同?但宏 观流动方向则是一致的?这种湍流运动使火焰前锋表面出现皱折?强湍流运动使火焰前锋 面严重扭曲?甚至分隔成许多燃烧中心?导致火焰前锋燃烧区的厚度?增加?见图? ? ? ? 湍流运动使火焰前锋表面积明显增大?火焰传播速度加快? 图? ? ? ?层流火焰与火焰 前锋面形状的关系 ? 图? ? ? ?在不同湍流作用下的 火焰前锋厚度? 湍流火焰燃烧速率可以用式? ? ?表示? ? ? ? ? ? ? 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? ?图? ? ? ?雷诺数? ?和火焰传播 ?速度之间的关系 式中?为混合气质量? ? ?为
14、火焰燃烧速率? ?为火 焰前锋表面积? ? 为未燃混合气密度? ?为火焰传播 速度? 如前所述?雷诺数? ? ? ? ?为层流火焰?其传播 速度为? ?其前锋面薄且圆滑? 见图? ? ?当? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?时为湍流火焰?火焰前锋面变厚并出现皱 折?见图? ? ? ? ?这时火焰传播速度为? 槡? ?当? ? ? ? ? ?时为强湍流火焰?前锋面的皱折发 展成明显的凹凸不平和扭曲?图? ? ? ? ?其内部分裂 出许多小的未燃混合气区域?这时? ? ?图? ? ?给 出雷诺数? ?和火焰传播速度之间变化规律?显然?提 高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段? ? ?
15、 ? ? ? ?不规则燃烧 汽油机不规则燃烧是指在稳定正常运转的情况下?各循环之间的燃烧变动和各汽缸之 间的燃烧差异?前者称为循环波动?后者称为各缸工作不均匀? ? ?循环波动 燃烧循环波动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征?是指发动机以某一工况稳定运行 时?这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化?具体表现在压力曲线?火焰传播 情况及发动机功率输出均不相同?图? ? ?所示为不同循环的汽缸压力变化情况? 图? ? ? ?汽油机典型的汽缸压力循环变化情况 由于存在循环波动?对于每一循环?点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳 值?因而使发动机油耗上升?功率下降?性能指标得不到充分优化?随
16、着循环波动的加剧? 燃烧不正常甚至失火的循环数逐渐增多?碳氢化合物等不完全燃烧产物增多?动力性?经济 性下降?同时?由于燃烧过程不稳定?也使振动及噪声增大?零部件寿命下降?当采用稀 薄燃烧时?这种循环的波动会加剧?所以循环波动也是汽油机实施稀薄燃烧的难点所在? 导致点燃式发动机燃烧循环变动的原因很多?目前?火花塞附近混合气成分波动和气 体运动状态波动这两个因素被认为是最重要的? ? ?混合气成分波动?尽管汽油机的燃烧方式被称为预制均匀混合气燃烧?但这只是 ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? 相对于柴油机燃烧来说?其宏观是均匀的?实际上?汽缸内燃料?空气及残余废气不可能 在短时间内完
17、全混合均匀?所以混合气成分微观上并不均匀?火花塞附近的混合气成分是 随时间不断变化的?这会导致着火落后期的长短和火焰中心初始生长过程随循环产生 变动? ? ?气体运动状态波动?燃烧室内气体的流场特别是湍流强度分布是极不均匀的?火 花塞附近微元气体的运动速度和方向?影响火花点火后形成的火焰中心的轨迹以及火焰的 初始生长速率?其后的火焰向整个燃烧室发展的进程?如火焰与壁面的关系?火焰前锋面 积的变化以及燃烧速率等?也受燃烧室内微元气体的运动速度和方向的影响?气体运动状 态波动加剧了循环变动? 下列因素或措施影响或改善循环波动? ?一般? ? ? ? ? ? ? ?时循环波动最小?过浓或过稀都会使循
18、环波动加剧?可见过量 空气系数? ?对循环波动的影响很大? ?适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性?进而改善循环波动? ?残余废气系数?过大?则循环波动加剧? ?发动机在低负越?会增大? ?低转速? 湍流程度会降低?时?循环波动加剧? ?多点点火有利于减少循环波动? ?提高点火能量?优化放电方式?采用大的火花塞间隙?有助于减小循环波动? ? ?各缸工作不均匀 各缸工作不均匀是针对多缸发动机而言的?各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀?产 生各缸工作不均匀的主要原因是各缸进气充量的不均匀?混合气成分不均匀等?由于汽油 机是外部混合?在汽油机进气管内存在空气?燃料蒸气?各种浓度的混合气?
19、大小不一的 油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不均的油膜?即进气管内的油气分布是多相和极不均匀 的?要想让它们均匀分配到各个汽缸是很困难的?另外?由于进气系统设计不当?进气管 动态效应以及各缸进气重叠干涉等原因?使得各缸的实际充气系数不均匀?而汽油机进的 是油气混合气?因而进入各缸的燃料绝对量不同?这些原因造成进入各缸的混合气的质和 量都不同?由此造成各缸工作不均匀? 各缸工作不均匀性的存在?使得难以找到对各缸都是最佳的点火提前角和过量空气系 数?动力性?经济性?排放性等整机指标难以优化?振动及噪声也会增加? ? ? ? ? ? ?不正常燃烧 汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当?汽油机偏离正常点火
20、的时间及地点?由此 引起燃烧速率急剧上升?压力急剧增大等异常现象?不正常燃烧可分爆燃和表面点火 两类? ? ?爆燃 爆燃?爆震?是汽油机最主要的一种不正常燃烧?常在压缩比较高时出现?图? ? ?为正 常燃烧与爆燃时? ?图和? ?图的比较?如图所示?爆燃时?缸内压力曲线出现高频 大幅度波动?锯齿波? ?同时发动机会产生一种高频金属敲击声?因此也称爆燃为敲缸?轻 微敲缸时?发动机功率上升?严重敲缸时?发动机功率下降?转速下降?工作不稳定?机 身有较大振动?同时冷却水过热?润滑油温度明显上升? 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? 图? ? ? ?正常燃烧与爆燃时? ?图
21、和? ?图的比较 火花塞点火后?火焰前锋面呈球面波形状以正常传播速度? ? ? ? ?向周围传播? 汽缸内压力和温度都急剧升高?混合气燃烧产生的压力波迅速向周围传播?在火焰前锋面 之前先期到达燃烧室边缘区域?该区域的可燃混合气?即末端混合气?在压缩终点温度的基 础上进一步受到压缩和热辐射?加速其先期反应?并放出部分热量?使本身压力和温度不 断升高?燃前化学反应加速?一般来说?这些都是正常现象?但如果这一反应过于迅速? 以至在火焰锋面到达之前末端混合气即以低温多阶段方式开始自燃?则引发爆燃?爆燃着 火方式类似于柴油机?同时在较大面积上多点着火?所以放热速率极快?局部区域的温度 压力急剧增加?这种
22、类似阶跃的压力变化?形成燃烧室内往复传播的激波?猛烈撞击燃烧 室壁面?使壁面产生振动?发出高频振音?即敲缸声? ?这就是爆燃?爆燃发生时?火焰传 播速度为? ? ? ? ? ? ? ?轻微爆燃?或? ? ? ? ? ? ? ? ?强烈爆燃? ? 爆燃会给汽油机带来很多危害?发生爆燃时?最高燃烧压力和压力升高率都急剧增 大?因而相关零部件所受应力大幅度增加?机械负荷增大?爆燃时压力波冲击缸壁破坏了 油膜层?导致活塞?汽缸和活塞环磨损加剧?爆燃时剧烈无序的放热还使汽缸内温度明显 升高?热负荷及散热损失增加?这种不正常燃烧还使动力性和经济性恶化? 根据末端混合气是否易于自燃来分析?影响爆燃的因素如下
23、? ? ?燃料性质?辛烷值高的燃料?抗爆燃能力强? ? ?末端混合气的压力和温度?末端混合气的压力和温度增高?则爆燃倾向增大?例 如?提高压缩比?则汽缸内压力?温度升高?爆燃易发生? ? ?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?有利于避免爆燃? 从以上的分析可以得出结论?发动机工作是否有爆燃现象?一方面取决于所用燃料? 另一方面取决于发动机的运转条件和燃烧室的设计? ? ?表面点火 在汽油机中?凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面?如排气门头部?火花塞绝 缘体或零件表面炽热的沉积物等?点燃混合气的现象?统称表面点火?表面
24、点火的点火时 刻是不可控制的? 早燃是指在火花塞点火之前?炽热表面就点燃混合气的现象?由于它提前点火而且热 点表面比火花大?使燃烧速率快?汽缸压力?温度增高?发动机工作粗暴?并且由于压缩 ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? 功增大?向缸壁传热增加?致使功率下降?火花塞?活塞等零件过热?图? ? ?所示为汽油 机早燃示功图? 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? 与爆燃不同?表面点火一般是在正常火焰烧到来之前由炽热物点燃混合气所致?没有 压力冲击波?敲缸声比较沉闷?主要是由活塞?连杆?曲轴等运动件受到冲击负荷产生振 动
25、而造成? 凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件?都能促成 表面点火?各种燃烧示功图的比较如图? ? ?所示? 图? ? ? ?汽油机早燃示功图 ? 图? ? ? ?几种非正常燃烧过程的? ?图 ? ? ? ? ? ?运转因素对燃烧的影响 ? ?点火提前角 点火提高角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角?其数值应视燃料性质?转速?负 荷?过量空气系数等很多因素而定? 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?如图? ? ?所示?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
26、油率最低?已经确定?最佳点火提前角 相当于使最高燃烧压力在上止点后? ? ? ? ? ? ?时到达?这时实际示功图与理论示功图最为接 近?时间损失最小? ? 不同点火提前角的? ?图如图? ? ? ?所示?点火过迟?则燃烧延长到膨胀过程?燃烧 最高压力和温度下降?传热损失增多?排温升高?热效率降低?但爆燃倾向减小? ? ?升 高?功率?排放量降低? 点火提前角对汽油机的经济性影响较大?据统计?如果点火提前角偏离最佳值? ?曲轴 转角?热效率下降? ?偏离? ? ?曲轴转角?热效率下降? ?偏离? ? ?曲轴转角?热效率 下降? ? ?影响最佳点火提前角的因素较多?如大气压力?温度?湿度?缸体温
27、度?燃料 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? 辛烷值?空燃比?残余废气系数?排气再循环? ?传统的真空和离心调节装置只能随转速? 负荷的变化对点火提前角作近似控制?传统的点火控制装置只考虑了影响最佳点火提前角 的两个因素?为实现点火提前角的精确控制?近年来发展了一种点火时期电子控制?它大 体上分成两类?一类是计算机开环控制?它是一种预定顺序控制?根据转速传感器和负荷 传感器测得的信号?在存储器中预定的点火? ?图上找出对应于该工况的近似最佳点火 提前角来控制点火系统点火?点火? ?图是事先通过试验得到的近似最佳点火提前角与 转速和负荷的三维曲线图或表格?见第? ?章
28、? ?存储在存储器中?若多加几个传感器还可 监控更多的参数?另一类是闭环控制?闭环控制根据发动机实际运行的反馈信息来控制点 火提前角的?所以又称为反馈控制?反馈控制所用的反馈信息是发动机的爆燃信号?在实 际应用中?一般都是开环控制和闭环控制并用的混合控制方式? 图? ? ? ?点火提前角调整特性 图? ? ? ? ?点火提前角不同时的? ?图 ?分别表示? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?点火提前角 ? ?混合气浓度 在汽油机的转速?节气门开度保持一定?点火提前角为最佳值时调节供油量?记录功 率?燃油消耗率?排气温度随过量空气系数的变化曲线?称为汽油机在某一转速和节气门 开度下的
29、混合气浓度调整特性?如图? ? ? ?所示? ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? 混合气浓度对汽油机动力性?经济性是有影响的?当? ? ? ? ? ?时?由于燃烧温 度最高?火焰传播速度最大?达最大值?但爆燃倾向增大?当? ? ? ? ? ? ? ? ? ?时?由于 燃烧完全? ?最低?使用? ?的浓混合气工作?由于必然会产生不完全燃烧?所以? ? 排放量明显上升?当? ? ? ? ?及? ? ?时?火焰速度缓慢?部分燃料可能来不及完全燃 烧?因而经济性差? ?排放量增多且工作不稳定? 可见?在均质混合气燃烧中?混合气浓度对燃烧影响极大?必须严格控制? ? ?负荷 在汽油机上?转速
30、保持不变?通过改变节气门开度来调节进入汽缸的混合气量?以达 到不同的负荷要求? 当节气门关小时?充量系数急剧下降?但留在汽缸内的残余废气量不变?使残余废气 系数增加?滞燃期增加?火焰传播速率下降?最高爆发压力?最高燃烧温度?压力升高率 均下降?冷却水散热损失相对增加?因而燃油消耗率增加?因此?随着负荷的减小?最佳 点火提前角要提前?如图? ? ? ?所示? ?图? ? ? ? ?汽油机的混合气浓度调整特性 ? 图? ? ? ? ?最佳点火提前角随负荷的变化 ? ?转速 当转速增加时?汽缸中湍流增加?火焰传播速率大体与转速成正比例增加?因而最高 爆发压力?压力升高率随转速的变化不大?此外?在转速
31、升高时?由于散热损失减少?进 气被加热?使汽缸内混合得更均匀?有利于缩短滞燃期?但另一方面?由于残余废气系数 增加?气流吹走电火花的倾向增大?又促使滞燃期增加?以上两种因素使以秒计的滞燃期 与转速的关系不大?但是按曲轴转角计的滞燃期却随转速的增加而增大?因此?转速增加 时?应增大点火提前角? 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?汽油机混合气制备原理 ? ? ? ? ? ?汽油机理想混合气特性 混合气浓度是影响汽油机燃烧的重要因素?图? ? ? ?所示的混合气浓度调整特性表达 了过量空气系数? ?随工况参数转速?和?的变化关系?使动力性?经济性?排放等指
32、标 达到最佳又称为汽油机的理想混合气特性?本节就其制备原理做进一步阐述? ? ?功率混合气与经济混合气 由图? ? ? ?可知?汽油机在转速和节气门开度不变时?随着混合气浓度的加大? ?下 降? ?会增大?但存在一个最大功率的? ?值?以其过量空气系数?表示?此混合气称为 ?功率混合气? ?此时空气能得到充分的利用而发出最大的功率?过稀则燃料量少?功率减 小?过浓则燃烧不完全?燃速会下降?功率也下降?反之?随着? ?的上升?又存在一个最低 燃油消耗率的? ?值?其过量空气系数以?表示?此混合气称为 ?经济混合气? ?此时?燃油 会得到充分的利用?过浓则燃烧效率变低?过稀又会出现燃烧不完全?燃速
33、下降等现象? ? ?理想混合气 汽油机在全负荷运行时?希望获得更大的功率以达到最大的动力性能?此时要求供给 功率混合气?而在其他负荷运行时?则应从经济性要求出发?来选用合适的混合气浓度? ?经济混合气及功率混合气特性线 图? ? ? ?所示为转速不变条件下?不同负荷时的调整特性曲线族?从中可找出?线族 的功率混合气? ?线和?线族的经济混合气?线?可以看出?随着负荷的下降?及? 值都往加浓的方向移动?这是因为负荷愈低?残余废气系数?愈大?燃烧愈不理想?使得 混合气的可燃限变浓?所以? ?及?都只有偏浓一点才能保持前述的最大功率与最经济的 条件?试验结果表明?中?大负荷条件下? ?在? ? ?
34、? ? ? ?而?在? ? ? ? ? ? ?范围内 变动?低于? ? ?节气门开度时? ? ? ? ?启动?怠速条件下? ? ? ? ? ? ? ? ? ?试验结 果还表明?负荷不变而转速变化时? ?及?值的变化都不大? 以图? ? ? ?所示的曲线为基础?可作出经济混合气? ?随节气门开度? 或?的变化特性 线?如图? ? ? ?实线?此外?在图上? ? ? ?节气门开度处取功率混合气? ?值?再从? ? ?开 度起逐步由? ?过渡到?以虚线表示?实际上?这只是一种近似的结果?真正的理想混 合气特性是通过台架试验的全面调整作出来的?见下文? ? ?理想负荷特性线 理想混合气特性是由理想负荷
35、特性曲线转换而得的?负荷特性线是指转速不变时? ? 随负荷而变化的规律?在第? ?章中将详细说明?若负荷特性线在节气门全开时获得功率 混合气?从而达到最大功率?而其他点都达到最经济时?则此线就是理想负荷特性线?通 过发动机台架试验求取理想负荷特性的方法如下? ? ?转速固定时?作出各个节气门位置的调整特性线?图? ? ? ?为其中的一例? ? ?将这些调整特性线转为图? ? ? ?所示的负荷特性线?此线呈鱼钩状?所以称鱼 钩曲线或鱼钩线?其? ? ? ?及? ? ? ? ?两个点分别与图? ? ? ? 的? ?及?对应? ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? 图? ? ? ? ?不同
36、负荷条件下汽油机的调整特性曲线族 ? 图? ? ? ? ? ?及?随节气门开度的变化特性 图? ? ? ? ?理想负荷特性线的制取 ? ?将所有节气门位置的鱼钩曲线统一画在图? ? ? ?的?坐标图上?然后取其外 包络线?它就是该转速的最经济的负荷特性线?因为经过了全面的调整?各负荷的? ?值不 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? 可能再低于此包络线? 如果将各个鱼钩曲线的最低点?即各负荷的经济混合气? ?的?值点连起来?得到虚 线所示的曲线?这正是图? ? ? ?上? ?线对应的负荷特性线?与包络线相比?显然不是最经 济的负荷特性线? ? ?若图? ? ? ?最经
37、济负荷特性线从? ? ?节气门开度到? ? ? ?节气门开度时逐步过 渡调整到? ?功率混合气?则得到最大功率? ? ? ?值?这就得到理想负荷特性线? ?理想混合气特性 ?图? ? ? ? ?理想混合气全特性线族 将上述试验作出的理想负荷特性线?按图? ? ? ? 的相反顺序作图?可得到对应的? ?线或? 节 气门开度线?这就是该转速的理想混合气特性线? 各转速的特性线叠在一起?就是理想混合气的全特 性线族?如图? ? ? ?所示? 理想混合气的特性是所有汽油机供油装置制备 混合气的依据?当然?在此基础上还要考虑排放? 噪声等性能的综合影响?才会成为实用的混合气控 制? ?图?应该指出?这只
38、是汽油机以均匀混合 气工作时的理想特性?并未包括非均匀稀燃混合气 工作时的空燃比范围? ?动态过程对混合气特性的要求 汽车在运行中的主要动态过程过渡工况可分为冷启动?暖机?加速和减速等三种形 式?分述如下? 冷车启动时?由于发动机的转速和燃烧室壁面温度低?空气流速慢?导致汽油蒸发和 雾化条件不好?因此要求发动机供给很浓的混合气?为保证冷启动顺利?要求供给的混合 气空燃比达? ? ?才能在汽缸中产生可燃混合气? 暖车过程中?尽管发动机温度随着转速的提升也在逐步上升?但发动机温度仍然较 低?汽缸内的废气相对较多?混合气受到稀释?对燃烧不利?为保持发动机稳定的运行也 要求浓的混合气?暖车的加浓程度?
39、应在暖车过程中逐渐减小?一直到发动机能以正常的 混合气在稳定工况下运转为止? 汽车在加速时?节气门突然开大?进气管压力随之增加?由于液体燃料流动的惯性和 进气管压力增大后燃料蒸发量减少?大量的汽油颗粒沉积在进气管壁上?形成厚油膜?这 样会造成实际混合气成分瞬间被稀释?使发动机转速下降?为防止这种现象发生?要喷入 进气管附加燃料?才能获得良好的加速性能? 汽车急减速时?驾驶员迅速松开加速踏板?节气门突然关闭?此时由于惯性作用?发 动机仍保持很高的转速?因为进气管真空度急剧升高?进气管内压力降低?促使附着在进 气管壁上燃油加速气化?造成混合气过浓?为避免这一情况发生?在发动机减速时?供给 的燃料应
40、减少? ? ? ? ? ? ?化油器式供油系统混合气的形成原理 ? ?理想化油器特性 图? ? ? ?是化油器制备混合气的原理简图?化油器的喉管?位于空滤器与进气总管之 ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? 间?吸气过程进行中?进气气流流经喉管时?因气流加速而出现一定真空?化油器燃油喷 管?插入喉管?喉管真空度将化油器浮子室?中的燃油吸入喉管?与进入的空气混合形 成可燃混合气再进入汽缸? 图? ? ? ? ?化油器制备混合气的原理简图 ?燃油喷管? ?喉管? ?节气门? ?主量孔? ?浮子室 在化油器和汽油机的结构参数不变的条件下?混合气的? ?值只取决于喉管的真空度 ?或进气流量?
41、 ? ?是喉管最小截面处的绝对压力?为喉管上方?空 ?图? ? ? ? ?理想化油器特性线的制取 滤器之后的压力?一般视为大气压力? ?与? ? ?是和汽油机功率?或节气门开度成正比 的?所以化油器只能调制出一条? ? ? 或? ? ? ? ? 曲线?而图? ? ? ? 的理想混合气特性是? ?的一族曲线?这就意味着化油器调制出的一个点要适应多个工 况的要求?比如?同一进气流量? ? ?既可由高速?小节气门开度工况得到?也可由低速? 大节气门开度工况获得?因此? ?的确定只能是多工况要求的折中?也就是说化油器制备 原理本身就满足不了理想混合气精确调控的 要求? 图? ? ? ?的虚线是由理想混
42、合气全特性线折 中后得到的一条? ? 线?被称为理想化油 器特性线?化油器若能调制出这一条线?则将 达到化油器的最佳水平?此线右方折返的横虚 线?代表各个转速条件下功率混合气? ?值的 连线? ? ?简单化油器特性 简单化油器实际上就是只有主供油系的化油 器?图? ? ? ?中除前已说明的? ?等量 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? 之外? ?是浮子室下部油量孔处的压力?是喷管下部油量孔外的压力?分别 是由油量孔中心算起的到达浮子室油面和喷管口的高度? 简单化油器的进气流量计算式为 ? ? ? ? ? ? 式中? ?为喉口流量系数?为喉口最小截面积? ?为通过喉口
43、的空气密度?为喉口 空气流速? ? ? ? ? 槡?将?代入上式后得 ? ? ? ?槡? ? ? ? 通过喷油口?亦即通过主量孔?的供油率为 ? ? ? ?槡? ? ? ? 式? ? ?中各符号的下标?表示燃油?符号意义与气流相同?为主量孔前后的 压差?因为? ? ? ? ? ? ? ?所以?将? 代入式? ? ?整理后得 ? ? ? ? 槡? ? ? ? 由式? ? ? ?式? ?的? ? ? ? ?可求得?的表达式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?槡 ? ? ?槡? ? ? ? ?图? ? ? ? ?简单化油器特性的校正 根据式? ? ? ?在图? ? ? ?上做出实 线所示
44、的? ?曲线就是简单化油 器特性线?该线有如下特点? ? ?时不供油?此时? 真空度? ?不足以提升?的油柱?致使 油面达不到喷管口? ? ?加大后开始喷油?由?趋于 一个常数?该值由式? ? ?中各参数所决 定?可以按要求选用不同参数来加以调节? ? ?现代化油器特性的获取 在图? ? ? ?上选择此常数为? ? ?再画 上虚线所示的理想化油器特性线?可以明 显看出两条线有很大的差距?为此?要进 行各种校正来接近理想化油器特性的要求?现将曲线分为?三个区段? ? ?低怠速的?区值?过大?即混合气过稀?甚至不出油?为此?要附加怠速油系进 行怠速供油?同时?由怠速圆滑过渡到主喷油段?满足低速供油
45、和平稳过渡的要求? ? ?主供油?区的?值过小?混合气偏浓?一般采用渗气补偿装置?带泡沫管的补偿 油井?来校正? ? ?大负荷?满负荷?区?过大而混合气偏稀?因此要加装机械及真空加浓装置?省 油器? ?使油门开度从? ? ?左右开始逐步加浓到满负荷的? ?值? 经过上述校正?化油器才能满足现代汽油机的稳态运行的基本要求? ? ? ? ? 汽车发动机原理 ? ? ? ? ? ?动态过程的混合气制备 汽车加速时?由于燃油的惯性比空气大得多?燃油量的增加相对于空气量的增加要滞 后?再加上节气门突然加大?进气管真空度陡然下降?管壁的油膜蒸发量立即减少?这些 都造成短时间混合气的过稀?使加速性能下降?甚
46、至发动机灭火?为此?现代化油器上都 加装了加速加浓?加速油泵?装置? 汽车减速时则相反?燃油比空气减得慢?而节气门关小?进气管真空度加大?使管壁 油膜蒸发量快速增多?这些又使混合气短期变浓?造成燃烧恶化?碳氢化合物等有害物质 排放量激增?为此?设置了节气门缓冲器以减慢节气门关闭速度? 启动时由于转速极低?喉管真空度太小?以致连怠速油系都出不了油?为此?要加装 阻风门等各种启动辅助装置?使启动一暖机一怠速过程能正常?迅速地完成? 以上稳态和动态的各种化油器校正与辅助装置?保证了现代化油器能满足汽油机制备 混合气的基本要求? ? ? ? ? ? ?电控燃油喷射式供油系统混合气的形成 ? ?电控汽油
47、喷射供给系统的分类 ?按喷射位置分类 根据汽油的喷射位置?汽油喷射系统可分为缸内喷射和进气管喷射两大类?进气管喷 射又进一步分为单点喷射和多点喷射? ? ?缸内喷射?缸内喷射是将喷油器安装于缸盖上直接向汽缸内喷油?因此需要较高 的喷油压力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?由于喷油压力较高?故对供油系统的要求较高?成本也相应 较高?另外在发动机设计时需保留喷油器的安装位置? ? ?进气管喷射?进气管喷射又分为单点喷射和多点喷射? 单点喷射系统是把喷油器安装在化油器所在的节气门段?它是用一个喷油器将燃油喷 入进气流?形成混合气进入进气歧管?再分配到各缸中?如图? ? ? ? ?所示? 图? ? ? ? ?进气管喷射示意图 ?汽油? ?空气? ?节气门? ?进气歧管? ?喷油器? ?发动机 第?章?汽油机混合气的形成和燃烧? ? ? ? ? ? ? ? ?多点喷射系统是在每缸进气口处装有一只喷油器?由电控单元? ? ? 控制进行顺序喷 射或分组喷射?汽油直接喷射到各缸的进气门前方?再与空气一起进入汽缸形成混合气? 多点喷射系统是目前最普遍的喷射系统?如图? ? ? ? ?所示? ?按喷射方式分类 按喷射