可燃混合氣成分與汽油機(jī)性能的關(guān)系

可燃混合氣成分與汽油機(jī)性能可燃混合氣是指空氣與燃料的混合物，其成分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與排放性等都有很大的影響。對(duì)于混合氣成分，歐美各國(guó)及日本一般都直接以其中所含空氣與燃料的質(zhì)量比一一空燃比來(lái)表示。理論上，lkg汽油完全燃燒需要空氣14.7kg，故對(duì)于汽油機(jī)而言，空燃比為14.7：1的可燃混合氣可稱為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于有很大的影響。對(duì)于混合氣成分，歐美各國(guó)及日本一般都直接以其中所含空氣與燃料的質(zhì)量比一一空燃比來(lái)表示。理論上，lkg汽油完全燃燒需要空氣14.7kg，故對(duì)于汽油機(jī)而言，空燃比為14.7：1的可燃混合氣可稱為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于14.7：1，則意味著其中汽油含量有余（亦即空氣含量不足），可稱之為濃混合氣。同理，空燃比大于14.7：1的可燃混合氣則可稱為稀混合氣。在我國(guó)除用空燃比表示混合氣成分外，還常用過(guò)量空氣系數(shù)表示混合氣的濃稀程度，常用符1:2371:22.2I1:20.7I1:19.2裳1:17.8玉愜1:163謖1:14.81:13.31:11.51:10.41:8.9燃油/kg 燃燒Ikg燃料實(shí)際供給的空氣質(zhì)量/kg空氣/kg 燃燒1kg燃料理論所需的空氣質(zhì)雖/kg稀混合氣火焰?zhèn)鞑ハ孪蘩硐牖旌蠚?/p>

最高功祁濃混合氣火焰?zhèn)鞑ハ孪?:3 —0.201:3 —0.20|怠迎 ?高轉(zhuǎn)速—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）——圖4-4可燃混合氣成分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，節(jié)氣門全開(kāi)）1—燃油消耗率2—功率號(hào)入表示。X=燃燒1kg燃料實(shí)際進(jìn)入氣缸空氣質(zhì)量/燃燒1kg燃料理論上充滿氣缸空氣質(zhì)量由上面的定義表達(dá)式可知：無(wú)論使用何種燃料，凡過(guò)量空氣系數(shù)X=1的可燃混合氣即為理論混合氣；X<1的為濃混合氣；X>1的則為稀混合氣。O可燃混合氣混合比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響可燃混合氣的比例成分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響是通過(guò)試驗(yàn)得出的。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定和節(jié)氣門全開(kāi)條件下，流經(jīng)化油器的空氣量即為一定值。此時(shí)通過(guò)改變汽油量孔尺寸以改變供油量，即可得到過(guò)量空氣系數(shù)X不同（即濃度不同）的可燃混合氣。分別以不同X值的可燃混合氣供入發(fā)動(dòng)機(jī)，并測(cè)出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃料消耗率。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe和燃料消耗率be都是隨著過(guò)量空氣系數(shù)X而變化的。圖4—4為某汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速不變和節(jié)氣門全開(kāi)條件下試驗(yàn)所得Pe和be隨X值而變化的關(guān)系。圖中縱坐標(biāo)為Pe和be的相對(duì)值（%）。在功率坐標(biāo)上，以使用各種濃度的混合氣所得到的各個(gè)不同的功率值中的最大值為100%；而在燃油消耗率坐標(biāo)上，則以各個(gè)燃油消耗率值中最小值為100%。理論上，對(duì)于X=1的理論混合氣而言，所含空氣中的氧正好足以使其中全部燃料完全燃燒。但實(shí)際上，由于時(shí)間和空間條件的限制，汽油細(xì)粒和蒸氣不可能及時(shí)地與空氣絕對(duì)均勻地混合。因此，即使X=1，汽油也不可能完全燃燒。要使混合氣中的汽油都能完全燃燒，混合氣必須是X>1的稀混合氣。從圖4—4所示的實(shí)例中可以看出，該發(fā)動(dòng)機(jī)在入=1.11時(shí)，燃油消耗率最低，即經(jīng)濟(jì)性最好。此混合氣稱為經(jīng)濟(jì)混合氣。這就說(shuō)明在這種混合氣中，有適量富余的空氣，正好能使汽油完全燃燒。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于不同的汽油機(jī)，相應(yīng)于最低燃油消耗率的混合氣成分一般在入=1.05?1.15的范圍內(nèi)。如果混合氣過(guò)稀(入＞1.05?1.15)，雖然混合氣中的汽油可以保證完全燃燒，但是，由于過(guò)稀的混合氣燃燒速度低，在燃燒過(guò)程中，有很大一部分混合氣的燃燒是在活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，燃燒空間容積很快增大的情況下進(jìn)行的，這部分混合氣燃燒放出的熱量中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的相對(duì)較少，而通過(guò)氣缸壁面?zhèn)鹘o冷卻水而散失的熱量卻相對(duì)增多，使汽油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都相應(yīng)變壞。在混合氣嚴(yán)重過(guò)稀的情況下，燃燒過(guò)程甚至可能拖延到下一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣過(guò)程開(kāi)始以后，此時(shí)殘存在氣缸中的火焰將通過(guò)開(kāi)啟著的進(jìn)氣門，將進(jìn)氣管中的混合氣點(diǎn)燃，造成進(jìn)氣管回火；加之過(guò)稀的混合氣燃燒時(shí)，單位容積的混合氣所能放出的熱量也較少，使汽油機(jī)輸出的功率下降。因此，不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供給這種過(guò)稀的混合氣。實(shí)際上，當(dāng)混合氣稀到入=1.3—1.4時(shí)，燃料分子之間的距離將增大到使混合氣的火焰不能傳播的程度，以致發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至缺火停轉(zhuǎn)；此入值稱為過(guò)量空氣系數(shù)的火焰?zhèn)鞑ハ孪蕖膱D4—4中還可看出，在節(jié)氣門全開(kāi)而轉(zhuǎn)速保持一定的情況下，該發(fā)動(dòng)機(jī)在入=0.88時(shí)，輸出的功率最大。此混合氣稱為功率混合氣。對(duì)不同的汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，一般在過(guò)量空氣系數(shù)入=0.85?0.95的混合氣中，汽油分子相對(duì)較多，混合氣燃燒速度高，熱損失小，如果其它條件相同，用這種成分的混合氣工作的汽油機(jī)所輸出的功率將是最大的。但是，這種混合氣中空氣含量不足，必將有一部分汽油不可能完全燃燒，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性較差?；旌蠚膺^(guò)濃，例如圖4—4中過(guò)量空氣系數(shù)K0.88時(shí)，由于燃燒很不完全，氣缸中將產(chǎn)生大量的一氧化碳甚至是還有游離的碳粒，造成氣缸蓋、活塞頂、氣門和火花塞積炭，排氣管冒黑煙，排氣污染嚴(yán)重。廢氣中的一氧化碳還可能在排氣管中被高溫廢氣引燃，發(fā)生排氣管“放炮”現(xiàn)象。此外，由于這種混合氣的燃燒速度較低，有效功率也將減小，燃油消耗率則將增高。當(dāng)混合氣加濃到入=0.4?0.5左右時(shí)，由于燃燒過(guò)程中嚴(yán)重缺氧，也將使火焰不能傳播。此入值稱為過(guò)量空氣系數(shù)的水焰?zhèn)鞑ド舷?。以上?duì)相應(yīng)于圖4—4所示的試驗(yàn)結(jié)果，所作的分析，可簡(jiǎn)要地總結(jié)于表4—2中。表4-2可燃混合氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響混合氣種類空氣過(guò)度系數(shù)入發(fā)動(dòng)機(jī)功率R油耗率b.備 注火焰?zhèn)鞑ド舷?,4混合氣不燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作過(guò)濃混合氣0.43—0.87減小顯著增大燃燒室積炭，排氣管冒黑煙，消聲器有拍擊聲(放炮)功率混合氣0.88最大增大18%理論混合氣減小2%增大4%經(jīng)濟(jì)混合氣L11減小8%最小過(guò)稀混合氣1-13—1.33顯著減小顯著增大化油器回火和有拍擊聲，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，加速性變壞火焰?zhèn)鞑ハ孪?.4—混合氣不燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作由以上分析可知，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠地穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，汽油機(jī)正常工作時(shí)，其所用混合氣成分入應(yīng)在0.8?1.2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般在節(jié)氣門全開(kāi)條件下，所用可燃混合氣的人=0.85-0.95時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可得到較大的功率。當(dāng)入=1.05?1.15,發(fā)動(dòng)機(jī)可以得到較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。將節(jié)氣門置于各種不同開(kāi)度時(shí)，重復(fù)上述試驗(yàn)便可發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門開(kāi)度越?。òl(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越?。?，則相應(yīng)于最大功率的入值也越小。表示這些變化規(guī)律的圖線即為圖4—5中的虛曲線1。同樣，在各種不同的節(jié)氣門開(kāi)度下（發(fā)動(dòng)機(jī)在各種不同的負(fù)荷下），都存在著一個(gè)燃油消耗率最小的入值，但其數(shù)值也是隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的減小而降低的，如圖4—5中的虛曲線2所示。曲線2說(shuō)明，最經(jīng)濟(jì)的可燃混合氣并不總是稀的。在小負(fù)荷范圍內(nèi)，混合氣也要變得較濃方能保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作最經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，對(duì)于一定的發(fā)動(dòng)機(jī)，相應(yīng)于一定工況，化油器只能供應(yīng)一定入值的可燃混合氣，該入值究竟應(yīng)照顧功率的要求，還是照顧經(jīng)濟(jì)性的要求，或者二者適當(dāng)兼顧，這就要根據(jù)汽車及其發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況進(jìn)行具體分析。O汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況對(duì)可燃混合氣成分的要求由于汽車在使用中的實(shí)際裝載質(zhì)量不是定值，路面性質(zhì)及道路坡度也是多樣化的，路上的車流和人流情況又十分復(fù)雜，這就使得汽車的行駛速度和牽引力經(jīng)常需要作大幅度的變化。因此，作為汽車動(dòng)力的汽油機(jī)的工況（負(fù)荷和轉(zhuǎn)速），不可能如同用作固定動(dòng)力的汽油機(jī)那樣穩(wěn)定，而是要經(jīng)常在最大可能的范圍內(nèi)變化。例如，汽車在起步前或在紅燈信號(hào)下短時(shí)間停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)作怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)負(fù)荷為零（節(jié)氣門開(kāi)度最?。?，轉(zhuǎn)速最低；在汽車滿載爬陡坡時(shí)，節(jié)氣門應(yīng)全開(kāi)（全負(fù)荷），但轉(zhuǎn)速并非最高；在一般道路上行駛時(shí)，行駛阻力不大，節(jié)氣門只須部分開(kāi)啟，即發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷下工作，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也不一定很高；有時(shí)在好路上高速行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)就可能是全負(fù)荷，轉(zhuǎn)速又達(dá)到最大值。總之，汽車用汽油機(jī)工作的特點(diǎn)是：1） 工況變化范圍很大，負(fù)荷可從0變到100%，轉(zhuǎn)速可從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變到最高轉(zhuǎn)速，而且有時(shí)工況變化非常迅速。2） 在汽車行駛的大部分時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)是在中等負(fù)荷下工作的。轎車發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷經(jīng)常是40%—60%，而貨車則為70%—80%。車用汽油機(jī)各種使用工況對(duì)混合氣成分的要求各不相同，現(xiàn)分述如下。1、穩(wěn)定工況對(duì)混合氣成分的要求發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成預(yù)熱，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的突然變化。穩(wěn)定工況又可按負(fù)荷大小劃分為怠速和小負(fù)荷、中等負(fù)荷、大負(fù)荷和全負(fù)荷三個(gè)范圍。（1） 怠速和小負(fù)荷工況怠速一般是指發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)外無(wú)功率輸出的情況下以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)混合氣燃燒后所作的功，只是用以克服發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的阻力，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。汽油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速一般為400—800r/mino怠速工況時(shí)，節(jié)氣門處于接近關(guān)閉位置，吸人氣缸的可燃混合氣不僅數(shù)量極少，且其中的汽油霧化蒸發(fā)也不良，此時(shí)混合氣的燃燒不完全，怠速工況排出的HC與CO很多。此外，由于進(jìn)氣管中的真空度很高，如果當(dāng)進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)氣缸內(nèi)的壓力仍高于進(jìn)氣管壓力，廢氣就可能膨脹而沖入進(jìn)氣管，而后又隨著新鮮混合氣一起被吸入氣缸，因而吸入氣缸中的氣體廢氣含量較大。為保證這種品質(zhì)不良而且被廢氣稀釋過(guò)的混合氣能正常燃燒，化油器提供的混合氣必須較濃，即入應(yīng)為0.6?0.80。當(dāng)節(jié)氣門略開(kāi)而轉(zhuǎn)入小負(fù)荷工況時(shí)，新鮮混合氣的品質(zhì)逐漸改善，廢氣對(duì)混合氣的稀釋作用也逐漸減弱，因而混合氣濃度可以減小至入=0.7?0.9。這一負(fù)荷范圍內(nèi)的理想的混合氣成分變化規(guī)律如圖4—5中曲線3的相應(yīng)區(qū)段。為了減少怠速排氣中的有害成分，宜采用較高的怠速轉(zhuǎn)速。（2） 中等負(fù)荷工況車用發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分工作時(shí)間內(nèi)處于中等負(fù)荷狀態(tài)。在此情況下，節(jié)氣門有足夠的開(kāi)度，廢氣稀釋的影響可以忽略不計(jì)。此時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性要求是首要的，化油器應(yīng)供給接近相應(yīng)于燃油消耗率最小的人=1.0?1.15的混合氣，如圖4—5中曲線3在中等

負(fù)荷范圍內(nèi)的一段。這樣，功率損失不多，節(jié)油的效果卻很明顯。圖4-5理想化油器的特性（轉(zhuǎn)速一定）1—相應(yīng)于最大功率的*值2—相應(yīng)于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性（3）大負(fù)荷和全負(fù)荷當(dāng)汽車需要克服較大的阻力（例如上坡或在艱難的道路上行駛時(shí)）而要求發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)出盡可能大的功率時(shí)，駕駛員往往將加速踏板踩到底，使節(jié)氣門全開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷下工作。這時(shí)，要求化油器能供給相應(yīng)于最大功率的濃混合氣Q=0.85-0.95）。在達(dá)到全負(fù)荷之前的大負(fù)荷范圍內(nèi)，化油器所供給的混合氣應(yīng)從以滿足經(jīng)濟(jì)性要求為主逐漸轉(zhuǎn)到以滿足動(dòng)力性要求為主。即在大負(fù)荷范圍內(nèi)，理想的混合氣成分變化曲線圖4-5理想化油器的特性（轉(zhuǎn)速一定）1—相應(yīng)于最大功率的*值2—相應(yīng)于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性2、過(guò)渡工況對(duì)混合氣成分的要求汽車在運(yùn)行中主要的過(guò)渡工況有冷起動(dòng)、暖機(jī)、加速及急減速等幾種。（1） 冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速極低（只有100r/min左右），因此化油器中的空氣流速非常低，不能使汽油得到良好的霧化，其大部分將呈較大的油粒狀態(tài)，特別是在冷起動(dòng)時(shí)，這種油粒附在進(jìn)氣管壁上，不能及時(shí)隨氣流進(jìn)入氣缸內(nèi)，從而使氣缸內(nèi)混合氣過(guò)稀，以至無(wú)法燃燒。為此，要求化油器供給極濃的混合氣1=0.4?0.6），以保證進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣中有足夠的汽油蒸氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)得以順利起動(dòng)。（2） 曖機(jī)冷起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸上升暖機(jī)），直到接近正常值，發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定地進(jìn)行怠速運(yùn)轉(zhuǎn)為止。在此暖機(jī)過(guò)程中，化油器供出的混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)入值應(yīng)當(dāng)隨著溫度的升高，從起動(dòng)時(shí)的極小值逐漸加大到穩(wěn)定怠速所要求的數(shù)值為止。（3） 加速發(fā)動(dòng)機(jī)的加速是指負(fù)荷突然迅速增加的過(guò)程。當(dāng)加速時(shí)，駕駛員猛踩加速踏板，使節(jié)氣門開(kāi)度突然加大，以期發(fā)動(dòng)機(jī)功率迅速增大。這時(shí)，通過(guò)化油器的空氣流量瞬時(shí)隨之增加，但是，液體燃料的慣性遠(yuǎn)大于空氣的慣性，其燃料流量的增長(zhǎng)比空氣要慢得多，致使混合氣暫時(shí)過(guò)稀。而且，在節(jié)氣門急開(kāi)時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)壓力驟然升高，同時(shí)由于冷空氣來(lái)不及預(yù)熱，使進(jìn)氣管內(nèi)溫度降低。這種條件當(dāng)然不利于汽油蒸發(fā)，致使燃料的蒸發(fā)量相對(duì)減少。因此，除非有額外的燃料添加進(jìn)去，否則將會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)混合氣過(guò)稀現(xiàn)象。這不僅達(dá)不到使發(fā)動(dòng)機(jī)加速的目的，而且還可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象。為了改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能，化油器應(yīng)能在節(jié)氣門突然開(kāi)大時(shí)，額外添加供油量，以便及時(shí)使混合氣加濃到足夠的程度。（4） 急減速當(dāng)汽車急減速時(shí)，駕駛員急速抬起加速踏板，節(jié)氣門迅速關(guān)閉。這時(shí)由于進(jìn)氣管真空度激增而使沿進(jìn)氣管壁面流動(dòng)的油膜迅速蒸發(fā)，使混合氣變濃，燃燒惡化，排氣中HC的含量迅速增加。因此，當(dāng)汽車急減速時(shí)，化油器中的節(jié)氣門緩沖器可以減緩節(jié)氣門關(guān)閉的速度和限制節(jié)氣門開(kāi)度，從而避免混合氣過(guò)濃。綜上所述，車用汽油機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在小負(fù)荷和中負(fù)荷工況下，要求化油器能隨著負(fù)荷的增加供給由較濃逐漸變稀的混合氣成分。當(dāng)進(jìn)人大負(fù)荷范圍直到全負(fù)荷工況下，又要求混合氣由稀變濃，最后加濃到能保證發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大功率。這種在一定轉(zhuǎn)速下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的混合氣成分隨負(fù)荷變化的規(guī)律，稱為理想化油器特性（圖4—5）。將理想化油器特性與圖4—3所示的簡(jiǎn)單化油器特性相比較，可以看出二者截然相反。這是因?yàn)楹?jiǎn)單化油器只是靠喉管真空度吸出汽油，所以在怠