1、第四章 汽油机混合气的形成和燃烧,5-1 汽油机混合气形成及热功转换特点 5-2 汽油机燃烧过程 5-3 汽油机燃料喷射量的控制 5-4汽油机燃烧组织方式及燃烧室 5-4汽油机的有害排放物及其控制,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,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
2、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,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,（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,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
3、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,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
4、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,（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,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
5、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，,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25MPa,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
6、性及A/F的控制精确 缸内雾化、气化吸热有利于 充气效率。,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=1.031.15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。,a1.031.15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。,a =1.31.4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 =0.80.9时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够 燃
7、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,a0.80.9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=0.40.5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=0.41.4,2）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=0.40.6;保证缸内可燃混合气的浓度； 问题
8、：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=0.60.8 怠速稳定。快怠速系统缩短暖车时间，怠速经济性，,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,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=0.80.9对经济性和排放问题暂不予考虑,加减速工况：节气门突变，进气量/进气压力变化影响进气道
9、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。,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15kV30kV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=60
10、00K 辉光放电阶段：离子化气体扩散密度，T ,火焰核形成,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,(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=0.80.9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
11、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 。,(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,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。,第三阶段：后燃期，
12、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。,燃烧过程的主要参数：1pz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,1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：
13、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,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,a =0.850.95时， UT max;功率最大功率混合气 a =1.051.15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 a 1.31.4时，不能传播，下限； a 0.40.5时，严重缺氧，不能传播，上限。,a,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,2湍流火焰传播速
14、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。,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的原因之一,3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，:
15、曲轴角速度,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,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,2. 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
16、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。,4）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。原因：缸壁冷却作用，使链反应中断，生成大量未燃烃HC。 理论混合气时，熄火厚度最小；浓或稀，都增加； 大负荷、燃烧温度压力提高，加强紊流，可减小熄火厚度； 燃烧室的面容比F/V直接影响HC。,三、不正常燃烧,1）爆燃：火花塞点火后，末端气体的自燃现象 原因：点火后，末端气体受火焰面热辐射、压缩，其压力
17、温度，在火焰前锋到达之前自燃。 特证：燃烧速度极快，达数百米/s，造成很大的压力梯度、温度梯度压力冲击波。 危害：严重时动力性/经济性恶化；活塞/气门烧坏;,故汽油机不允许在严重爆振下工作,产生爆振的条件： t1 t2 t1：点火开始到火焰传播末端气体所需时间； t2： 点火开始末端气体自燃所经历时间。 一切使t1延长、t2缩短的因素，均使爆燃倾向,外部现象：金属敲击声冲击波撞击缸壁；冷却系过热破坏缸壁表面附面层,正常燃烧,轻微爆振,严重爆振,影响爆燃因素： 燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强 末端气体状态：p、T高，易自燃爆振倾向 ；如压缩比 负荷转速：n ，传播速度，爆振倾向；低速大负荷相反，
18、爆振倾向 缸径D：D，传播距离长，爆振倾向。,故，汽油机限制大缸径发动机功率覆盖范围受限制。,2）表面点火,炽热表面：排气门/火花塞裙部/积炭等。 特点：点火时刻不可控制。 早燃：表面点火发生在正常点火之前；工作粗暴，诱发爆燃；无压力冲击波，低频沉闷声。 后燃：表面点火发生在正常点火之后。,指不靠火花塞而是由燃烧室内炽热表面点燃的现象。,1）a： a=0.850.95时，燃烧速度最大Pe、Tz、p/Max; a=1.051.15时，完全燃烧，beMin，NOxMax； a1.15时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧;be，HC ,四、使用因素对燃烧过程的影响,结论：均质混合气a对燃烧过程影响
19、很大，必须严格控制。,2）点火提前角：指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。不同点火提前角对燃烧过程影响：即每一工况存在最佳点火提前角随工况变化 最佳点火提前角： Pe Max；be Min；示功图面积最大。,最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。 点火过早：压缩负功，pz ,T ,易爆燃； 点火过迟：燃烧过程在膨胀线上延迟传热，排温热效率,3）负荷增加，节气门开度，m1 ，r减小；燃烧条件得到改善，燃烧所需时间t缩短对应曲轴转角减小最佳点火提前角。 但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。,=6nt,4）转速n：n，缸内湍流强度，火焰传播速度； 燃烧过程所占时间t缩短；爆震倾向。但，由=6n
20、t；随n ，t变化量很小，而；最佳点火提前角。,5.3 汽油机燃料喷射量的控制,混合气形成方式：有化油器，电喷系统： 一、电控汽油喷射系统(EFI) 1） EFI (Electronic Fuel Injection)的分类：根据进气量的测试方式：分为三种：质量流量式速度密度式：节气门-速度式 ：,热线/热膜式卡门涡式板式,直接测量进气质量流量,由n和进气压力推测进气流量,节气门开度和n 推测进气流量,根据喷射位置：分为两种缸内直喷式（GDI）进气管喷射式（PFI）：根据喷油器的安装位置，PFI又分为 单点喷射（SPI）淘汰 多点喷射（MPI） 主流,喷油器受燃气的高温、高压的影响，而且在结构
21、设计以及布置上要求保证喷油器的安装空间,各缸喷油器独立进气管设计自由度大改善各缸均匀性,喷射方式的分类： 根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射 同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定因此与发动机转速同步；包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。 非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一种随机性喷射方式用于起动、怠速或急加速等工况，过渡响应特性 。,根据喷射压力：分为高压喷射: 200kPa 低压喷射：200kPa,2）EFI系统的组成：功用：根据进气量，准确控制喷油器喷油量组成：三个系统空气系统：控制并计量进入气缸的空气量；燃料系统：由ECU指令正确控制喷油量；控制系统：由传感器信息，正确判断工
22、况，并计量控制量；输出给执行器。,空气系统：空气滤器空气流量计节气门体 (空气阀)稳压箱（气缸） 保证一定量的清洁空气进入气缸 。 燃料系统：燃油箱燃油泵滤清器调压器喷油器。将清洁的一定量燃油定时定压地喷入气缸。 控制系统：由传感器、输入/输出电路以及微机等组成控制系统的指挥部。 确定喷油器的开启时刻和关闭时刻控制喷射时刻和喷射脉宽。,量调,喷射压力=250300kPa,二、质量流量式EFI喷射量的控制,1目标空燃比的确定 综合各工况下的动力性、过渡响应性、排气净化特性、燃油消耗率来确定； 采用三效催化器时：目标空燃比理论空燃比。,根据：进入气缸的实际空气流量各工况的目标空燃比,控制喷油量,采
23、用GDI时：目标空燃比取决于稀燃控制技术水平,1)质量流量计：(a)热线式,2进入气缸的空气量的确定,原理：热线产生的热向周围的散热,式中，TH:热线温度;A:热线传热面积;TA:空气温度;I:热线电流;V:热线两端电压,当（TH -TA）保持一定时,即，热线电流的大小与空气质量流量G成比例。由惠斯顿电桥控制热线电流温差（TH - TA）一定，则测量热线电流的大小求得G,(b)卡门涡式：,机理：层流中卡门涡频率与层流速度成正比,St:斯特劳赫尔常数，当雷诺数Re=10104时， St=(0.1380.148)； d:涡发生体的特征尺寸；V:层流速度。,整流器的目的：将进气整流，使Re=1010
24、4,由卡门涡测量频率f求V，则进气流量,标准大气条件：p0,T0时，进气密度：0,进气压力、温度及密度分别为p、T、 的任意条件,3喷油量的控制喷油量:=实际进入气缸的空气量/目标空燃比，即,Gf：取决于喷孔直径、孔数、针阀升程、喷射压力和喷射脉宽(Ti),当喷油器结构确定，喷射压力为常数时：,K0：与喷油器结构有关,喷油量的控制喷射脉宽Ti的控制,Ti的确定：,Tp：基本喷射时间标准条件下由目标空燃比确定；Fc: Tp的修正系数； Tv: 喷油器的无效喷射时间。,由于TO随电源电压而，Tv随电源电压变化，故根据电源电压进行修正Ti。,a) Tp的确定,热线式流量计：,G:单位时间质量流量；
25、K0：常数； G/n：每转进入气缸的空气质量 。,喷油器是按每转喷射,因热线式流量计输出信号响应特性好受到进气压力脉动的影响； 为提高控制精度，以比进气脉动频率更快的采样速度，对空气流量计输出信号进行A/D转换； 按点火间隔时间进行平均化处理求进气行程中平均输出信号。 热线式空气流量计的输出电压与空气质量流量关系为非线性，需先进行线性化处理GL ，然后再求出基本喷射时间。即,卡门涡式流量计： 设 标准大气状态 p=101kPa、T=293K； 由,则，进气温度和大气压力的修正量：,b）Fc的确定根据进气量的测量方式Fc的确定方法有所不同。质量流量式EFI，主要考虑5个方面的因素：,其中，FET
26、：温度修正系数FAD：加减速修正系数FO：氧传感器修正系数FL：学习修正系数FH：大负荷修正系数, FET：温度修正系数 因温度不同，影响雾化质量影响混合气浓度。 低温时，雾化蒸发不良混合气过稀熄火。 高温时，燃油易蒸发“汽阻”现象影响高温再起动性。 起动后增量修正系数 ：低温起动时，着火后数十秒内进行的增量修正 。,主要修正进气门、气缸壁因表面温度低油膜蒸发量的部分,怠速暖车增量修正系数FI：修正起动后，进气门、气缸壁表面温度、冷却水温TW随时间而时，油膜蒸发作用不同造成的混合气偏稀的部分。,与 同时进行修正。但 是在起动后数十秒内修正过程结束；而FI则一直修正到TW达到规定温度为止。,高温
27、修正系数FT： 指汽车大负荷高速行驶后停车1030分钟后再起动的23分钟时间内的加浓修正 原因：高速行驶时，迎面风冷却油温低。但停车后，发动机作为热源而散热却无冷却风发动机室温度，油温达80100；喷咀内“汽泡”a过稀无法再起动。,加浓修正区： TW100,加减速修正系数FAD： 加速修正系数FAC： 原因：加速时，随节气门开度，进气量，进气 压力，管内壁表面油膜蒸发速率；造成缸内a变稀。修正方法：考虑负荷（FDL1）和冷却水温（FTW）两个影响因素，即,FDL1：当进气量/节气门开度变化率设定值时修正。,修正条件,FTW：当负荷变化率相同时，若TW不同，因油膜蒸发量不同， a不同，故，需修正
28、。,减速修正系数 FDC： 原因：减速时，随节气门开度，进气量，进气压力，管内壁表面油膜蒸发， a变浓,修正方法：与FAC相反,修正区及方向,氧传感器反馈修正系数FO：原因：汽油机用三效催化装置只在a=1附近，才能同时净化CO、HC和NOx三项有害排放物。 故，用O2传感器反馈控制a=1，提高a的控制精度。,ZnO2氧传感器输出特性,修正方法：a=1的正确判定ECU反馈控制。,反馈控制,目标A/F, 学习控制修正系数FL：,原因：因发动机长期使用一些零部件磨损等使反馈控制的空燃比偏离目标值的部分，控制精度,修正方法：三过程 a)学习过程：确定量 b)记忆过程：记忆 c)实施过程：修正,学习控制
29、效果：,过渡工况：反馈控制无学习控制时,加学习控制,反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级； 发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能实现理论空燃比的反馈控制。 学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制, 大负荷高转速增量修正系数FH： 原因：大负荷时，要求输出最大转矩需要功率混合气 a=0.850.95 。,修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；开度80%（设定值）时，停止反馈控制；取FH=1.18，并开环控制。,三、速度密度式,1进气量的推测原理由充气效率定义：进入气缸的空气质量：,即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，实时检测进气压力和温度，求得Ga。,2喷油脉宽Ti的确
30、定：,Ka：进气温度修正系数； Kw：怠速暖车修正系数; Kk：加减速修正系数； Kp：节气门开度修正系数； Kf：反馈修正系数； Ks：起动后增量修正及油耗控制修正系数； Ki：怠速稳定修正系数。,1）Tp的确定：三维脉谱法,试验确定各工况下的充气效率；并根据n和进气压力p，标定各工况下的Tp脉谱。,任E点Tp：用4点插值法：,2）FC修正系数的确定 进气温度修正系数Ka：原因：因Tp是在进气温度Ta=20时标定。当Ta变化时，取, 怠速暖车修正系数Kw: 与FI相同,修正范围：TW=-3090 ，一维脉谱形式。一般：TW70 时，Kw=1；TW30 时，Kw=1.2；TW-10 时，Kw=
31、1.5, 加减速修正系数Kk：修正原理基本与FAD相同。,方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。 当其中某一项变化量设定值时，根据超过设定值的该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同时超过设定值时，修正系数取两者较大值。,比较, 节气门开度修正系数Kp： 原因：修正v随节气门开度变化造成a的偏差量 修正方法：Kp=f(节气门开度,n)的三维脉谱形式;设定节点之外，采用4点插值法。又，当节气门开度某一设定值时，表示需要输出大功率此时直接取Kp=1.18。, 反馈修正系数Kf：与FO相同Kf=1.20.8起动、怠速、大负荷修正时,停止；并取Kf=1, 起动后增量修正系数和油耗修正系数
32、Ks： 起动后的增量修正：与 相同以 HC,当nn1(=400r/min)时，由当时的TWFg0=Ks0后，随n，Ks。,油耗修正：指发动机轻负荷状态下运转时，将a控制在比a=1稍微稀薄的范围，以达到改善油耗的目的。Ks=1.030.97范围内时，从Ks=1逐渐减小, 怠速修正系数Ki：速度-密度式特有方式。 原因：这种方式Tp是通过进气压力确定；而在过渡工况下进气压力的变化相对n的变化有迟后现象,当节气门下游进气容积，或怠速n时，这种响应迟后现象更为严重。,措施：由Ks与转矩变动相反方向进行a的修正消除转矩变动,一、对燃烧室的基本要求 燃烧室结构形状: 影响混合气形成、火焰传播、放热规律、传
33、热损失以及爆燃倾向。,5.4 汽油机燃烧组织方式及燃烧室,所以，要求： 1) 结构要紧凑面容比A/V：表征火焰传播距离、散热面积以及熄火面积 ； 2) 良好的充气性能进气门/进气道布置，流通面积，进气阻力,3) 火花塞位置缩短火焰传播距离,排气道,双火花塞，抗爆性,4) 可 组织适当的气流,通过火焰前锋面积，控制燃烧速率和放热速率,进气道,二、燃烧室内的气流特性,燃烧室内宏观气流运动特性的定义：,涡流：绕气缸中心线（z轴）旋转的气流,滚流：绕于气缸中心与缸心距沟成的面(y轴)旋转的气流,侧滚流：绕气缸中心与缸心距构成面的（x轴）旋转的气流,组织燃烧室内气流的方式: 进气系统和燃烧室形状配合进气
34、涡流方式;只通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式,涡流强度螺旋进气道，进气阻力，v为代价， 且在压缩过程中衰减。 故需随负荷可变控制,多气门涡流可变方式,大负荷时,小负荷时,三、典型燃烧室,楔形：结构较紧凑、火焰传播距离短，挤气面较大,半球形：结构紧凑，A/V值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快,浴盆形：椭圆形挤气效果差，A/V值大，火焰传播距离长,碗形：结构紧凑，火焰传播距离短，挤气效果好燃烧室的A/V较大，散热损失,活塞顶上的回转体,四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统,1）分层燃烧 均匀混合燃烧特点：A/F变化范围窄(=12.617)，且在较高温度下易爆燃限制, t ; 分层给气燃烧的特点
35、：缸内形成A/F梯度分布;火花塞附近较浓可靠点燃 ；A/F梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配合实现。,分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为进气道喷射式和缸内直喷式两种 。,（1）进气道喷射式分层给气燃烧方式,根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式 横向分层燃烧方式,1轴向分层稀薄燃烧 关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配A/F可达22 晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布,进气初期只有空气进入气缸强烈涡流,气门达hmax时喷油，靠涡流上浓下稀分层,径向分量轴分量大时轴向分层,2横向分层稀薄燃烧 利用4气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶结构形状，形成滚流。,喷油器安装在进
36、气支管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气缸中央,滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空气，形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布,A/F=23，经济性68%，NOx80%,(2) 缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧,GDI燃烧系统与PFI的比较 PFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范围有限。 GDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内喷油。更容易控制缸内混合气形成。,通过喷射时期的控制可实现均质混合气燃烧、分层稀薄燃烧以及HCCI,1GDI混合气形成机理 关键技术：进气系统和燃烧室形状缸内滚流；高压喷射控制喷雾与缸内气流配合；火花塞及喷射位置匹配,分层混合气的形成方
37、式,3 5MPa,喷油器中央布置+涡流,火花塞中央布置+涡流,滚流为主,挤流为主,2GDI燃烧方式的特点 气缸压力推迟点火提前角，放热速率，放热持续时间质调节，取消节气门泵气损失。 油雾缸内蒸发燃烧室壁面T，传热损失。v，t。 分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，传热损失。 混合气易分层稳定分层稀燃接近空气循环。 A/F控制及过渡工况控制更精确。,因车用发动机不同工况对A/F要求不同：稀燃工况范围只限于中小负荷区。,大负荷或全负荷区：进气行程中喷油目标空燃比实现均匀混合气,在中小负荷区：压缩行程后期喷油上浓下稀的分层混合气。,螺旋进气道或导气屏进气涡流,顺着气流喷油，喷射压力 2MPa
38、,气流外缘形成较浓混合气火花塞安装 位置,3典型的GDI分层稀燃系统 TCCS燃烧系统（Texaco controlled combustion process）,燃气体和未燃气体靠密度差分离, GDI滚流分层稀燃系统,三菱4G型汽油机：,早喷射,晚喷射,纵向直进气道+半球形燃烧室强烈的反滚流与喷雾配合，分层A/F=40，=12,丰田D4型汽油机：,通过喷射方式的有效控制和燃烧室内涡流的优化匹配实现A/F=50稳定燃烧,2）稀薄燃烧控制,主要控制目的：精确控制A/F，使汽车百公里油耗最低；同时降低排放,关键技术：A/F精确控制在Ttq允许的范围内,控制方法 空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈
39、控制。空燃比传感器在ZrO2固体上施加电压时，产生与排气中的O2浓度成比例的O2离子的移动，从而形成电流，即,气缸压力反馈控制法：通过气缸压力传感器检测每循环缸压，求Ttq，A/F反馈控制使Ttq限制在允许范围内,步骤： 规定曲轴位置上测缸压p；N循环 求Ttq 、 Ttq,一、汽油机有害排放物及其产生机理 汽油机的有害排放物：排气中的CO、HC、NOx、CO2；曲轴箱通风向大气排出的HC排放；燃料供给系中燃料蒸发的HC等。 污染物来源不同，措施不同：尾气排放燃烧系统改进+后处理技术；曲轴箱通风PCV阀回流到进气管；燃料供给系蒸发物活性碳罐吸收装置来控制,5.5 汽油机的有害排放物及其控制,活
40、性碳罐吸收装置,用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中随情系空气进入气缸。,活性炭,活性炭罐,单向阀,产生机理：N2和O2在高温下化合的结果 Zeldovich机理:因素及措施：O2浓度，燃烧温度Tz，滞留时间 危害： NO2是刺激性毒气; 破坏O3层平衡 测量方法: 化学发光法(CLD),N2分解需较大活化能决定NO形成的高温条件,O在NO形成中起活化链作用，所需活化能小，反应快,1）NO,2）CO,1产生机理及影响因素C/H不完全燃烧产物受反应速度、温度及a的影响 在a 1下燃烧时局部不均匀局部燃烧不完全CO 排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化少量CO,2危害：与血红素的结合能力强
41、，是氧的300倍；破坏造血功能中毒死亡(0.3%) 3. 测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR）,3）HC,1HC的生成机理及影响因素 来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风 汽油机燃烧过程中HC的生成： 缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用 缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效应， 生成大量HC缝隙：活塞与缸壁间，缸盖、缸垫和缸体间； 进、排气门和气门座间；花塞螺纹和火花塞中心电极周围等处,积碳和壁面油膜的吸附效应：缸壁上的润滑油膜，活塞顶及燃烧室壁面、进排气门上的积碳吸附HC膨胀和排气中释放出来 不完全燃烧：a1状态，怠速时r较大；加减速时混合气瞬间过浓或过稀局部不均匀不完全燃烧
42、HC。 失火：易失火条件混合气局部过稀或过浓，或点火时刻不当以及点火系统出现故障等。 2危害：阳光下与NOx反应光化学烟雾；醛类和多环芳香烃危害大 3. 测量方法：氢火焰离子化法（FID）,二、影响汽油机排放特性的使用因素,排放物是燃烧过程的产物凡是影响混合气形成和燃烧条件的因素影响排放物。 1）a的影响NOx的峰值出现在ab=1.031.16aab虽O2浓度，但Tz 过稀：HC ,2）点火提前角的影响 a一定时，igTz，NOx ； 后燃，排温HC ；e ,3）转速的影响 n燃烧滞留时间,NOx；紊流强度； 紊流过强CO/HC ,4）负荷的影响 中小负荷：随负荷，r , 改善燃烧条件CO/H
43、C ;但，NOx ；大负荷aP NOx ，CO/HC,三、汽油机排放控制技术,机内措施： 燃烧系统的改善 A/F控制精确，GDI技术实现稀燃 可变技术：进气系统、配气相位、进气涡流及排量(休缸) 汽油机增压 。 后处理：两级催化转化器高低温；电加热催化转化器；三效催化器+a=1精确控制；稀燃+NOx还原装置+EGR技术,四、汽油机的增压及米勒循环,1）汽油机增压存在的主要问题 易爆震 热负荷高 汽油机与增压器的匹配困难 2）汽油机与增压器匹配要求： 保证额定功率部分工况下具有良好扭矩特性和动态响应特性；保证转矩储备系数； 3）米勒循环 几何不变，将有效压缩行程缩短1/5，但膨胀比不变; 米勒循环+偶合螺杆压气机，实现增压兼顾高低速。,
