汽車發(fā)動機原理8章2(王建昕)

主要內(nèi)容：汽油機的燃燒過程及其特點汽油機的不正常燃燒汽油機的混合氣形成汽油機燃燒室及其特性汽油機電子控制系統(tǒng)與控制技術稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴式汽油機第8章汽油機的混合氣形成及燃燒過程8.3汽油機混合氣形成8.3.1對汽油機混合氣形成的基本要求：（1）形成均質混合氣（2）具有良好的響應特性（3）適應不同工況的混合氣濃度要求主要的“三種混合氣濃度”

功率混合氣：

φa=0.85～0.95

經(jīng)濟混合氣：

φa=1.1～1.2排放混合氣

：φa=1.0

8.3.2汽油機燃油霧化方式分類化油器式

（1）化油器（Carburetor）（2）進氣道噴射（PFI，PortFuelInjection）（3）缸內(nèi)直接噴射（GDI，GasolineDirectInjection）

多點噴射

缸內(nèi)直噴

8.3.2汽油機燃油霧化方式分類缸內(nèi)直噴（GDI）

進氣道多點噴射（PFI）

以下主要介紹PFI汽油機霧化，GDI汽油機將在下節(jié)課介紹。8.3.4PFI汽油機混合氣形成軸針型噴嘴：錐形噴霧，霧化效果好單孔型噴嘴：單束噴霧，油束錐角小多孔噴嘴：多束噴霧，霧化效果好雙噴霧型噴嘴：噴霧分成兩束，在四氣門發(fā)動機中將燃油分別噴入兩個進氣道中。采用電磁閥噴油器，噴油壓力一般為中低壓力（0.3～1.5MPa），噴射方向一般指向進氣閥背中央。1、噴油器與噴油霧化混合氣形成過程包含噴霧、液滴的破碎-蒸發(fā)、油束碰壁、油膜的蒸發(fā)-剝離-流動，以及混合氣的湍流運動。以最具代表性的進氣門關閉噴射（閉閥噴射）為例，其混合氣形成過程可分為兩個階段：進氣道中的噴油霧化蒸發(fā)缸內(nèi)蒸發(fā)混合

8.3.4PFI汽油機混合氣形成過程進氣道中的噴油霧化蒸發(fā)為延長蒸發(fā)混合時間，在進氣門尚未開啟時就進行汽油噴射，噴油SMD一般在100～400μm范圍；噴射的汽油，一部分在空間直接汽化，一部分沖擊到進氣道壁面和進氣閥背面（溫度＞100℃）形成油膜，油膜蒸發(fā)形成汽油蒸汽；噴油結束至進氣門開啟時期中，進氣閥附近存在大量高濃度汽油蒸汽和油滴。

mK--燃油噴射質量；mD--直接進入氣缸的燃油質量；mF--為壁面油膜質量；mV—由油膜蒸發(fā)的燃油質量8.3.4PFI汽油機混合氣形成過程汽油進氣道油膜蒸發(fā)示意圖

8.3.4PFI汽油機混合氣形成過程汽油機冷啟動前3個循環(huán)中的燃油分布（Takeda等，1995年）

正常工作時的進氣道壁面油膜質量尚未見具體數(shù)據(jù)；以右圖所示的冷啟動時測試結果可知，大部分燃油并未在本循環(huán)內(nèi)進入氣缸（一些資料認為，冷啟動時只有20%左右的燃油直接進入氣缸）。

進氣過程壓縮過程進氣門開啟后，氣門附近的濃混合氣（油蒸汽、小液滴、部分油膜）首先隨進氣流進入缸內(nèi)，缸內(nèi)混合氣濃度分布極不均勻；隨活塞下行和氣門開啟面積增大，進氣流速加快，使進氣道內(nèi)油膜蒸發(fā)速度加快；同時，缸內(nèi)較強氣流運動和較低壓力氛圍促進燃料進一步汽化，并與空氣混合；8.3.4PFI汽油機混合氣形成過程缸內(nèi)蒸發(fā)混合進氣門關閉后，隨活塞上行，吸熱和壓力回升使缸內(nèi)溫度升高，湍流程度也逐漸提高，繼續(xù)促進燃油的蒸發(fā)與混合；壓縮至上止點前，缸內(nèi)混合氣分布基本均勻；在進氣閥附近混合氣稍偏濃，這是由于氣閥周圍存在少量掛壁油膜，在壓縮行程高溫環(huán)境下蒸發(fā)加快引起。不同工況下噴油時刻發(fā)動機MAP中的噴射策略怠速和中小負荷工況時，采用閉閥噴射（圖中①和②），這是混合最均勻的理想方式；在較高轉速和較高負荷時，采用部分閉閥（開閥）噴射，致使缸內(nèi)混合氣不均勻度增加，但有一定的冷卻進氣充量效果，如圖中③；高速大負荷時，噴油器幾乎一直打開，以滿足大噴油量的需求。8.3.4PFI汽油機混合氣形成過程缸內(nèi)蒸發(fā)混合汽油機的燃燒室設計直接影響充氣系數(shù)、燃燒放熱速率、散熱損失、循環(huán)波動以及爆燃等，從而影響動力性、經(jīng)濟性和排放性。

8.4PFI汽油機的燃燒室示例8.4PFI汽油機的燃燒室（a）浴盆形（Bathtubtype）燃燒室形狀像橢圓形浴盆，在雙側或單側（右圖）設置擠氣面；常見汽油機燃燒室

a~d為最常用的燃燒室；

e的“L型”燃燒室是有代表性的舊型燃燒室；

f~h為有特色的燃燒室汽油機為降低排放曾出現(xiàn)過數(shù)十種燃燒室，但TWC普及后，絕大多數(shù)采用d的4氣門蓬型燃室。汽油機的燃燒室設計直接影響充氣系數(shù)、燃燒放熱速率、散熱損失、循環(huán)波動以及爆燃等，從而影響動力性、經(jīng)濟性和排放性。

8.4PFI汽油機的燃燒室8.4.1汽油機燃燒室設計的基本原則1、結構緊湊緊湊性評價指標：F/V（表面積/容積）

F/V越小越好:

火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，避免爆燃，ε可提高；

燃燒放熱速率高，等容度提高，ηi高；

淬熄效應小，HC排放低；

散熱損失小對比：L型燃室ε

＝6~74氣門蓬型燃室ε

＝8~10最不緊湊最緊湊2、合理的幾何形狀適宜的放熱速率（如下圖）廓線圓滑、避免尖凸部，以防止表面點火足夠的進排氣流通截面（如浴盆型與楔型的對比，氣門直徑，氣道形狀）8.4.1汽油機燃燒室設計的基本原則3、火花塞布置合理火花塞至末端混合氣的距離最短，爆燃可能性小（蓬型）；靠近高溫熾熱區(qū)布置，爆燃可能性?。ɑ鹎蛐停?；便于掃氣，以清掃廢氣，有利于起動及低速低負荷的工作穩(wěn)定日本車用汽油中，普通汽油（RON=90）占70%以上，但汽油機壓縮比平均比我國高1～2單位。機械辛烷值提高燃料辛烷值降低8.4.1汽油機燃燒室設計的基本原則(4)組織適當?shù)臍饬鬟\動氣流運動方式：主要是擠流（如圖剖面處，與淬熄層是一對矛盾）；其次是進氣渦流（與柴油機不同，主要用于中低工況時）擠流面8.4.1汽油機燃燒室設計的基本原則目的：微觀油氣混合更均勻形成足夠的湍流強度以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小壁面淬熄層厚度以降低HC排放掃除火花塞處的廢氣注意：氣流運動過強無必要，反而增加流動和散熱損失，使著火困難。(5)足夠的進排氣門流通截面

以使提高ηv（提高功率），降低進氣阻力（降低油耗）8.4.1汽油機燃燒室設計的基本原則8.4.2典型燃燒室分析(1)浴盆形（Bathtubtype）

特點形狀像橢圓形浴盆，在雙側（上圖6-8）或單側（右圖）設置擠氣面；性能：

F/V較大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，ε<7.5be較高，pme不高，NOx排放低工作柔和，制造工藝好。

應用機型：曾在我國廣泛應用，北內(nèi)492Q(ε=7.2)、6100Q(ε=6.75)、桑塔納轎車JV型汽油機，奧迪100轎車發(fā)動機等(2)楔型燃燒室（wedgetype）

特點楔型空間與擠氣面配合，可形成較強氣流運動和掃氣，氣門傾斜布置，流動截面大，氣道阻力小

性能：

F/V較小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較短，ε可達9.5，動力經(jīng)濟性較高，低速低負荷性能穩(wěn)定，dp/dφ較高，工作較粗暴，HC排放高。應用機型：491(4Y)、489(GM2.0)、486(3Y)、CA-72轎車發(fā)動機8.4.2典型燃燒室分析（3）多球形（蓬型）燃燒室特點：多球形—頂部呈半球形，進排氣門和火花塞周圍均分別呈球形；蓬型—頂部由若干平面構成帳篷形；4氣門，火花塞中央布置，擠流較弱，可利用雙進氣道形成渦流。性能：F/V最小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短，充氣系數(shù)高，動力經(jīng)濟性好，高速適應性強；但dp/dφ高，工作較粗暴。應用：

目前已成為國際主流形式，其中蓬型又具多（日產(chǎn)公司，壓縮比10，雙頂置凸輪）8.4.2典型燃燒室分析典型汽油機燃燒室性能對比特征浴盆型楔形多球形火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長較長短面容比大中小進排氣門截面積小中大擠流強度較強強弱（但可利用渦流）充氣系數(shù)低中高壓縮比低(6.5~7.5)較高（8～10）最高（9～11）典型汽油機燃燒室性能對比特征浴盆型楔形多球形熱效率低較好好dp/dφ及pmax低較高高NOx低高高HC高高低制造工藝性好較差差（難）現(xiàn)代汽油機燃燒系統(tǒng)特征緊湊（蓬形）燃燒室高壓縮比（9－11）火花塞中心布置、高能點火4氣門與雙頂