《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 第四章汽油机混合气形成和燃烧 汽油机与柴油机相比主要有如下特点 汽油机 柴油机 1点燃式。 压燃式 2影响小 ;影响大 3进入汽缸的是混合气,混合时间长。进入汽缸的是新鲜空气,混合时间短。 4Tma高,热负荷大。 Pm高,机械负荷大。 5压缩比低,E=6~10 压缩比高,E=12~22 6有爆燃问题。 有工作粗暴问题。 7组织气流运动的目的是为了 组织气流运动的目的是为了 加速火焰传播,防止爆燃。 促进燃油与空气更好地混合。 §4-1汽油机混合气形成 、混合气形成过程 喉口流速↑→P>雾化效果↑ 2节气门开度↑→喉口真空度△pn,进气管真空度△p↓ 3节气门开度一定n7→4个,DBN4 从△pn<△P到△p P 喉口进气管 4.节气门开度↓,n↑→△Pn↑→蒸发性↑ 进气温度↑→蒸发性↑ 阻风门 节气门 主喷口7雾化 理想化油器特性与供油系校正 进气门 (一)理想化油器特性 各种工况下满足最佳性能要求的理想混合比一试验结果。 1影响因素 (1)转速n-影响较小 A/F (2)负荷一影响大。 最大功率混合气 2空燃比A/F 空气质量 13 理论混合比 燃料质量 经济混合气A/F=17 14.8 功率混合气A/F=12~14 怠速混合气A/F=10~124 (1)常用工况一中等负荷要求提供经济混合 负荷百分率(%) (2)负荷>90%以及怠速,低速下一加浓。 (二)简单化油器特性
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 46 ― 第四章 汽油机混合气形成和燃烧 汽油机与柴油机相比主要有如下特点: 汽油机 柴油机 1 点燃式。 压燃式。 2 i 影响小。 i 影响大。 3 进入汽缸的是混合气，混合时间长。 进入汽缸的是新鲜空气，混合时间短。 4 Tmax 高，热负荷大。 pmax 高，机械负荷大。 5 压缩比低，= 6～10。 压缩比高，= 12～22。 6 有爆燃问题。 有工作粗暴问题。 7 组织气流运动的目的是为了 组织气流运动的目的是为了 加速火焰传播，防止爆燃。 促进燃油与空气更好地混合。 §4-1 汽油机混合气形成 一、混合气形成过程 1 喉口流速→ P → 雾化效果 2 节气门开度→ 喉口真空度 pn , 进气管真空度 pi → 从 pn pi 到 pn pi 3. 节气门开度一定, n → pn , pi 4. 节气门开度，n→ pn → 蒸发性 进气温度 → 蒸发性 二、理想化油器特性与供油系校正 （一） 理想化油器特性 各种工况下满足最佳性能要求的理想混合比 — 试验结果。 1 影响因素 （1） 转速 n — 影响较小。 （2） 负荷 — 影响大。 2 空燃比 A / F = 空气质量 燃料质量 经济混合气 A / F = 17 功率混合气 A / F = 12～14 怠速混合气 A / F = 10～12.4 （1） 常用工况 — 中等负荷要求提供经济混合 气。 （2） 负荷 > 90% 以及怠速, 低速下 — 加浓。 （二） 简单化油器特性
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 单纯依靠喉口真空度△pn决定供油量的化油器。 节气门开度变化→AF变化 A/F yn→A/F一混合气浓 理想化油器 与理想化油器有差异,不能满足 汽油机要求。 (三)主供油系校正 简单化油器 渗入空气法: 原因:△n个、 d rn d mA △P 改善措施:△pn↑→m,mA↑(主要方法) 加入泡沫管 开始工作时一简单化油器。之后,△pn↑→泡沫孔起作用 第一排孔一m个→A/F 第二排孔一m→A/F个 AF (四)满负荷加浓与怠速加浓 简单化油器 经主供油系统校正后, 负荷↑→Apn↑→A/F↑。 满负荷时一要求A/F↓ 怠速时一要求A/F 满负荷加浓 加浓装置一机械省油装置和真空省油装置。 △P 节气门开度80~85%,4n一定程度开始起作用 2怠速加浓 怠速加浓系统→可使怠速n↓ 燃料调整特性 在一定节气门开度和一定转速下,有效功率N、有效比油耗g随发动机燃 料消耗量Gr或过空气系数α的变化关系。 调节:化油器主量孔针阀位置或浮子室真空度以改变化油器的供油量 2记录:Gr和N 得:Ne=f(Gr),ge=f(Gr)曲线 4曲线 (1)节气门全开A-功率混合气 B—经济混合气 (2)节气门部分开启 A做出不同节气门开度下的Ne=f1(Gr),8e=f2(G7)曲线
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 47 ― 单纯依靠喉口真空度 pn 决定供油量的化油器。 节气门开度变化 → A/F 变化 pn → A/F — 混合气浓 与理想化油器有差异, 不能满足 汽油机要求。 （三） 主供油系校正 渗入空气法： 原因： pn → d m dt d m dt F A 改善措施: pn → m F , m A （ 主要方法 ） 加入泡沫管 开始工作时 — 简单化油器。之后, pn → 泡沫孔起作用。 第一排孔 — m F → A / F 第二排孔 — m F → A / F （四） 满负荷加浓与怠速加浓 经主供油系统校正后, 负荷 → pn →A / F。 满负荷时 — 要求 A / F 怠速时 — 要求 A / F 1 满负荷加浓 加浓装置 — 机械省油装置和真空省油装置。 节气门开度 80～85%，pn 一定程度开始起作用。 2 怠速加浓 怠速加浓系统 → 可使怠速 n 三 燃料调整特性 在一定节气门开度和一定转速下, 有效功率 Ne 、有效比油耗 ge 随发动机燃 料消耗量 GT 或过空气系数的变化关系。 1 调节：化油器主量孔针阀位置或浮子室真空度以改变化油器的供油量。 2 记录： GT 和 Ne、ge。 3 得： Ne = f GT ( ) , ge = f GT ( ) 曲线 4 曲线： （1） 节气门全开 A— 功率混合气 B— 经济混合气 （2） 节气门部分开启 A 做出不同节气门开度下的 Ne = f1 GT ( ), ge = f 2 GT ( ) 曲线
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 B做两组曲线的包络线一理想负荷特性 B 100% 80% 60% 40% 20% 40%60%80%100% 节气门全开Gr 节气门部分开启Gr 5主量孔、空气量孔的调节和确定 作不同主量孔及空气量孔尺寸的负荷特性试验,选择与理想负荷特性曲线 拟合最好的作为主量孔和空气量孔的定型尺寸(配剂尺寸)。P1l5图4-12。 但转速不同,该配剂尺寸很难保证化油器在所有转速下均与理想负荷特性 拟合好,这是化油器式发动机不能很好地与车用性能匹配的关键所在。 四、化油器变工况运行 1加速过程 (1)急加速 d 节气门突然开大→ dt 油量增大滞后,导致α↑,混合气变稀,Me反而下降,不能满足车用。因此 加设加速系统一加速泵,瞬间向缸内额外喷油。 (2)稳定加速一加速泵不起作用。 2急减速过程 节气门突然关闭→αx,混合气瞬间变浓。设置节气门缓冲器,以减慢节气 门关闭速度 3起动过程 起动需浓混合气,但此时以→△pn√,可能吸不出油,加之喉口速度↓, 雾化差,油滴沉积严重,使α↑,混合气稀。 起动需α=0.4~0.5,A/F=3~9的浓混合气。 设置阻风门一关闭→>△pn↑→主油系,怠速油系,加速油系同时供油 混合气变浓。 4多喉口与多腔化油器 多重喉口,多腔化油器一主副腔 小喉口一雾化好 大喉口一保证进气 主腔一小流量 主、副腔一大流量
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 48 ― B 做两组曲线的包络线 — 理想负荷特性 5 主量孔、空气量孔的调节和确定 作不同主量孔及空气量孔尺寸的负荷特性试验, 选择与理想负荷特性曲线 拟合最好的作为主量孔和空气量孔的定型尺寸（配剂尺寸）。P115 图 4-12。 但转速不同, 该配剂尺寸很难保证化油器在所有转速下均与理想负荷特性 拟合好, 这是化油器式发动机不能很好地与车用性能匹配的关键所在。 四、化油器变工况运行 1 加速过程 （1） 急加速 节气门突然开大 → d m dt d m dt A F 油量增大滞后, 导致, 混合气变稀，Me 反而下降，不能满足车用。因此 加设加速系统 — 加速泵, 瞬间向缸内额外喷油。 （2） 稳定加速 — 加速泵不起作用。 2 急减速过程 节气门突然关闭 → , 混合气瞬间变浓。设置节气门缓冲器, 以减慢节气 门关闭速度。 3 起动过程 起动需浓混合气, 但此时 v → pn , 可能吸不出油, 加之喉口速度, 雾化差, 油滴沉积严重, 使, 混合气稀。 起动需 = 0.4～0.5，A / F = 3～9 的浓混合气。 设置阻风门 — 关闭 → pn → 主油系, 怠速油系, 加速油系同时供油 → 混合气变浓。 4 多喉口与多腔化油器 多重喉口, 多腔化油器 — 主副腔 小喉口 — 雾化好 大喉口 — 保证进气 主腔 — 小流量 主、副腔 — 大流量
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 五、大气条件对化油器使用的影响 海拔高度个→P空气↓→ 海拔高度↑1000m→a56% 大气温度↑→P空气ν→→经济性,排放多。 六、汽油喷射 (一)化油器式发动机的不足之处 1部分负荷时节流损失大 2不可能在各种工况下均提供最佳混合比 对大气条件和环境适应性差 4仅提供均质混合气 5油膜流动一各缸混合气分配不均匀 (二)分类 1缸内喷射 喷咀开启压力3~5[Mpa 进气过程上止之后30~50°一开始喷油。 压缩冲程上止点一停止喷油。 喷油持续近2冲程一火花点火,火焰传播。 2进气管内喷射 (1)单点喷射 大喷咀位于节气门之前的化油器位置,安装空气计量装置和电子控制喷油 装置,可以克服1~4的不足,但5仍存在 (2)多点喷射 小喷咀安装于各个进气歧管之中,可克服1~5的不足,但结构复杂,成本 §4-2汽油机的燃烧过程 、汽油机的正常燃烧 电火花点燃均匀的可燃混合气,形成火焰中心,并且火焰从此中心按一定 的速率(一般为20~60m/s)连续地传播到整个燃烧室空间,在此期间火焰 传播速率,火焰前锋形状均没有急剧的变化,称之为正常燃烧。 正常燃烧分三个阶段。 (一)着火延迟期;(或着火延迟角q;)1-2 从电火花跳火→形成火焰中心 1点以前为压缩过程,缸内压力升高不大。 一火花塞跳火
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 49 ― 五、大气条件对化油器使用的影响 海拔高度→ 空气 → 。 海拔高度1000 m → 5.6 %。 大气温度→ 空气 → → 经济性, 排放多。 六、汽油喷射 （一） 化油器式发动机的不足之处: 1 部分负荷时节流损失大 2 不可能在各种工况下均提供最佳混合比 3 对大气条件和环境适应性差 4 仅提供均质混合气 5 油膜流动 — 各缸混合气分配不均匀 （二） 分类 1 缸内喷射 喷咀开启压力 3～5 [ Mpa ] 进气过程上止之后 30～50 — 开始喷油。 压缩冲程上止点 — 停止喷油。 喷油持续近 2 冲程 — 火花点火, 火焰传播。 2 进气管内喷射 （1） 单点喷射 大喷咀位于节气门之前的化油器位置, 安装空气计量装置和电子控制喷油 装置, 可以克服 1～4 的不足, 但 5 仍存在。 （2） 多点喷射 小喷咀安装于各个进气歧管之中, 可克服 1～5 的不足, 但结构复杂, 成本 高。 §4-2 汽油机的燃烧过程 一、汽油机的正常燃烧 电火花点燃均匀的可燃混合气, 形成火焰中心, 并且火焰从此中心按一定 的速率 （一般为 20～60 m/s ） 连续地传播到整个燃烧室空间, 在此期间火焰 传播速率, 火焰前锋形状均没有急剧的变化, 称之为正常燃烧。 正常燃烧分三个阶段。 （一） 着火延迟期 i （ 或着火延迟角 i ） 1－2 从电火花跳火 → 形成火焰中心。 1 点以前为压缩过程, 缸内压力升高不大。 1 — 火花塞跳火
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 2一缸内压力脱离压缩线开始急骤增高 点火提前角0—1点上止点的曲轴转角。 为什么要提前:因为要使着火在上 止点附近完成,压力最高点出现在上止 点后某一角度。 火花塞在1点跳火之后,并不马上 形成火焰中心(虽然此时着火的物理 压缩线 准备过程已比较充分,但化学准备 氧化反应尚需一定的时间,哪怕这 时间再短)。根据高速摄影表明在1点 出现第一次亮点后(火花),到2点 出第二次亮点(火焰中心已形成,但缸内压力并不是在此时急骤升高),这 段占整个燃烧过程的15%左右。但一般我们是按气缸内的压力线开始与压缩 压力线分离的2点来计算的。2和2点相差甚微,并且和底片的感光性能与测压 仪的灵敏度有关(与测试手段的精密度有关)。所以,我们把2点看做与2 点重合,即在2点才形成火焰中心,并立即使压力脱离压缩线急骤升高。 (二)火焰传播期(急燃期)2-3 这一阶段为燃烧过程的主要阶段。 在此时间内,火焰迅速传遍整个燃烧室,混合气的绝大部分在此时期内完 成燃烧(80%以上),燃料的热能绝大部分在此时间内放出(这与柴油机 不同,柴油机随喷随燃,在上止点以后还在向缸内喷入燃料)。缸内压力、温 度迅速升高,△p=02~04M/ deg CA,2P代表工作粗暴的程度,它与 q 火焰传播速率。有关。 D"√h P AP个→pm个工作粗暴,噪声个 △ 但u↑→不正常燃烧趋势↓。 气流运动↑→个 所以,在汽油机中,火焰传播速率是一个重要参数,它直接影响不正常燃烧 的抑制,从而影响发动机的功率、效率和使用寿命。 3点为Pma点,3点为7max,往往3点与3点重合。 若取放热效率骤然下降的时刻作为急燃期的终点则更合理(3点稍后 点),但这一点不易确定,故我们通常以使Pnax的3点作为急燃期的终点 3点的到来时刻非常重要太早,则压缩负功个→m1太迟,则热量利用↓ 7
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 50 ― 2 — 缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。 点火提前角 — 1 点 → 上止点的曲轴转角。 为什么要提前：因为要使着火在上 止点附近完成, 压力最高点出现在上止 点后某一角度。 火花塞在 1 点跳火之后,并不马上 形成火焰中心 （ 虽然此时着火的物理 准备过程已比较充分, 但化学准备 — 氧化反应尚需一定的时间, 哪怕这一 时间再短 ）。根据高速摄影表明在 1 点 出现第一次亮点后 （ 火花 ）, 到 2’点 出第二次亮点 （ 火焰中心已形成, 但缸内压力并不是在此时急骤升高 ）, 这 一段占整个燃烧过程的 15%左右。但一般我们是按气缸内的压力线开始与压缩 压力线分离的 2 点来计算的。2’和 2 点相差甚微, 并且和底片的感光性能与测压 仪的灵敏度有关 （ 与测试手段的精密度有关 ）。所以, 我们把 2’点看做与 2 点重合, 即在 2 点才形成火焰中心, 并立即使压力脱离压缩线急骤升高。 （二） 火焰传播期 （ 急燃期 ） 2－3 这一阶段为燃烧过程的主要阶段。 在此时间内, 火焰迅速传遍整个燃烧室, 混合气的绝大部分在此时期内完 成燃烧 （ 80%以上 ），燃料的热能绝大部分在此时间内放出 （ 这与柴油机 不同, 柴油机随喷随燃, 在上止点以后还在向缸内喷入燃料 ）。缸内压力、温 度迅速升高, p Mpa CA = 0.2 ~ 0.4 / deg , p 代表工作粗暴的程度, 它与 火焰传播速率 us 有关。 us → p 。 p → pmax →工作粗暴，噪声。 但 us → 不正常燃烧趋势。 气流运动→ us 所以, 在汽油机中, 火焰传播速率是一个重要参数, 它直接影响不正常燃烧 的抑制, 从而影响发动机的功率、效率和使用寿命。 3 点为 pmax 点, 3’点为 Tmax , 往往 3’点与 3 点重合。 若取放热效率骤然下降的时刻作为急燃期的终点则更合理 （ 3 点稍后一 点 ）, 但这一点不易确定, 故我们通常以使 pmax 的 3 点作为急燃期的终点。 3 点的到来时刻非常重要, 太早, 则压缩负功 → t 。太迟, 则热量利用 → t