汽油机混合气形成与燃烧.ppt

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：,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),（通常出现在上止点后12-15CA）,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%。,7,2、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,9,2、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。,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。,15,2）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（13.514）,一、空燃比对发动机性能的影响,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（1617）,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,19,2、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）,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。,25,2、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。,27,2、霍尔式,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,29,2、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。,31,32,七、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1M）；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,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。,34,2、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。,35,3、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）。,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。,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,37,2、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）。,（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。,40,（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。,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。,42,c、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（=14.7），以满足经济性和排放需求。,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）,（2）F/V越小，激冷层面积（熄火面积）小，HC排放低；,（3）F/V越小，火焰传播距离越小，爆燃倾向低。,2、具有良好的充气性能,进、排气门流通截面积要大，避免壁面的遮蔽作用。,3、适当的气流运动,加速燃烧、扩大混合气着火界限、降低循环变动和CH排放。,44,（1）缩短火焰传播距离，提高抗暴能力；,4、火花塞位置安排要适当,（2）靠近排气门，使炽热表面加热后的高温混合气尽早燃烧，降低爆燃倾向；,（3）靠近进气门、并远离壁面，便于新鲜充量扫除火花塞附近的废气，保证可靠着火。,（采用双火花塞点火）,5、适当冷却末端混合气,但过度会造成HC排放增加。,45,二、常见的几种汽油机燃烧室,1、楔形燃烧室,楔形燃烧室,结构特点：,结构紧凑（F/V小），挤气效果好，火焰传播距离短；气门倾斜布置，直径大、气道弯道小。,缺点：,初期燃烧速率大、NOx排放高；末端混合气易熄火，HC排放高；不利于采用多气门结构。,优点：,充气效果好，热损失小，效率高，动力性与经济性好。,46,2、浴盆形燃烧室,浴盆形燃烧室,缺点：,抗爆能力差；同时由于燃烧时间长，动力性与经济性差，HC排放多。,优点：,燃烧柔和，NOx排放低，加工简便。,结构特点：,燃烧室高度相同，挤气效果差，火焰传播距离长；气门垂直布置，气道弯道大。,47,3、半球形燃烧室,球形燃烧室,缺点：,初期燃烧速度快，工作粗暴，NOx排放高；末端混合气冷却效果差，且气门驱动机构复杂。,优点：,热损失小，动力性与经济性好，HC排放低；充气效果好，对转速不敏感，适于高转速（6000r/min)。,结构特点：,结构紧凑（F/V小），火焰传播距离最短；气门倾斜布置，气道弯道小。,48,三、稀薄燃烧与缸内直喷,传统汽油机的充量特点：,（2）节气门“量调节”法控制充量，泵气损失大；,缸外混合，均质充量，空燃比范围小（12.6-17)。,（1）爆燃倾向大，故压缩比小，热效率低；,传统汽油机的缺点：,（3）a=1的闭环控制，NOx排放高。,稀薄燃烧：,是指在空燃比17的情况下的正常燃烧。,稀燃种类,非直喷稀燃,缸内直喷稀燃(2550）,均质稀燃（20),分层稀燃(2025),49,可见，与常规汽油机相比，稀燃具有更好的燃油经济性和低排放性。,50,缩短火焰传播距离，可推迟点火和增大压缩比，提高点火时混合气温度与压强，改善着火性。,（1）双火花塞燃烧室：,原理：,双火花塞燃烧室,火花塞,1、均质稀燃（20),利用压缩涡流（预燃室与通道）对火花塞间隙扫气，促进点火和燃烧。,（2）TGP燃烧室：,TGP燃烧室,原理：,51,52,利用进气涡流对混合气进行分层，确保火花塞附近为较易着火的浓混合气。,（1）轴向分层燃烧系统：,工作原理：,2、分层稀燃(2025),轴向分层原理,53,利用隔板使进气滚流进行分层，保证火花塞附近形成浓混合气。,（2）滚流（纵涡）分层燃烧系统：,工作原理：,54,（3）AVL四气门分层燃烧系统：,控制阀部分开启，利用切向进气道产生的进气涡流和中性进气道产生的滚流进行分层。,工作原理：,控制阀全开，两进气道混合气浓度相同，实现均质燃烧。,a、中等负荷,b、满负荷,55,特点：,3、缸内直喷稀燃(2550),1、缸内喷射，燃油蒸发吸热，有助于提高充量并采用大的压缩比（10），降低油耗和HC排放，改善低速扭矩（提高10%）；,2、多采用立式吸气口、弯曲顶面活塞，来组织纵向涡流（滚流），结合高压喷射（5Mp),实现分层稀烧；,3、部分负荷采用分层稀燃，满负荷采用均质燃烧，满足低油耗、低排放和高动力的需求；,4、HC排放较高，而三元催化剂开发难度大，喷油器设计制造复杂，成本高。,56,（1）三菱GDI直喷系统：,工作原理：,a、小负荷,只在压缩终了时喷油，实现分层超稀薄燃烧。,小负荷时工作过程,57,采用两段混合分层燃烧（在进气和压缩过程中进行两次喷油）。,b、中等负荷,中等负荷时工作过程,只在进气过程中进行喷油，实现均质燃烧。,c、满负荷,满负荷时工作过程,58,（2）大众FSI直喷系统：,工作原理：,a、部分负荷,采用两段混合，实现分层稀燃。,部分负荷时工作原理,b、满负荷,只在进气过程中喷油，实现均质燃烧。,满负荷时工作原理,59,（3）本田CIVIC直喷系统：,喷油器,火花塞,活塞,工作原理：,中、小负荷时，在压缩终了时喷射，确保火花塞附近混合气较浓；满负荷时，在进气过程中喷射。,60,本田CIVIC直喷发动机 部分负荷工作视频,本田CIVIC直喷发动机 满负荷工作视频,61,1、说明汽油机燃烧过程的各阶段特点，以及对它们的要求。,复习思考题：,2、什么上爆燃？什么是表面点火？简述它们的区别与联系。,3、可采取哪些措施防止爆燃的产生？,4、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和氧传感器分别起什么作用？发生故障后对发动机使用性能有何影响？,5、什么是稀薄燃烧？它与传统燃烧方式相比有何优点？,