汽油机工作原理及 电控喷射技术,天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 汪洋,目录,汽油机的燃烧过程 汽油机的电控喷射技术,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,1、汽油机的燃烧过程,内燃机燃烧过程的分类 按照着火方式分为： 1）压缩自燃式——柴油机 2）火花点燃式——汽油机 3）喷雾火焰点燃——双燃料发动机 4）热面点燃式——微型甲醇发动机 按照混合气的组织方式分为： 1）均质混合气燃烧——汽油机 2）扩散燃烧—————柴油机 3）准均质燃烧————GDI汽油机,汽油机的燃烧过程分为三个阶段： 1）滞燃期（或者着火延迟期） 2）急燃期 3）后燃期,,100 0 100,,,,,,,,,,,,,,,,θ,I,III,II,,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,二、汽油机点火过程,（一）火核形成及其初期发展 Emin=4-7mJ 实际点火能量为40－100mJ,高能点火到100－300mJ 火花塞间隙0.6-1.2ms,电感式点火系统的火花塞放电分为三个阶段 1、击穿阶段 几个纳秒，1－3万伏特 2、电弧阶段 温度达到60000K,0.5ms 之后，火核达到 0.4mm, 3、辉光放电阶段 点火失败的几个原因： 1、击穿电压不够－－－断火现象 2、点火能量太小——小于临界火核直径－失火现象,（二）点火界限 几个影响因素： 1、混合气浓度；2、进气温度；3、进气压力；4、流动速度,,,,,,着火区,,λ,Emin,（三）点火提前角 轿车汽油机范围： 30°－ 20 °CA 摩托车汽油机：40 °－10 °CA 偏离最佳提前角10 °，热效率损失5％ 最佳提前角的调整规律： 1、转速越大，提前角越大 2、负荷越小，提前角越大,点火提前角MAP图,（四）汽油机点火系统 分类： 1、电感式点火系统,2、电容式点火系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,充电信号,触发信号,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,三、滞燃期及其影响因素,一般把滞燃期定义为点火开始到燃烧完5％或10％的循环燃料所需的时间 滞燃期的波动是造成汽油机循环波动的主要原因之一 滞燃期的长短取决于：火花放电的能量、火花塞的形式、混合气的成分、流动状态,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,四、火焰结构与火焰传播速度,层流火焰速度：,,式中：vL0为基准层流速度，T=298K,P=101325Pa;Tu未燃混合气温度； Φm最高vL0时的当量比， Φ ＝1.21；B＝30.5cm/s; Bm=-54.9cm/s,影响火焰传播速度的因素：1、 Φ，当Φ ＝1.21(λ=0.83)时火焰传播速度最大 2、Tu越大， vL越大。
3、P,当Φ大于1.4时，P越大vL越大当火焰静止时，或湍流很小，V为几cm/s到几m/s之间 实际火焰传播速度达到15－70米/秒 原因是湍流运动 其中的K,是与湍流强度有关的系数 湍流对火焰燃烧区厚度的影响：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1mm,,,,,2mm,,,,,20mm,,,,,层流,弱湍流,强湍流,更强湍流,汽油机缸内湍流场实际测量 （600r/min,160°CA),速度矢量分布图 涡量分布图,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构及缸内直喷技术,五、循环变动,各循环缸内燃烧的不稳定现象叫循环波动； 与柴油机相比，汽油机的循环变动较大，这是提高汽油机性能的障碍之一；,循环波动的表达方法: 其中： 循环波动的危害： 1、当循环变动δs大于10％时，动力性，经济性明显下降 2、噪声增大 实际情况： 点火正时偏差＋－（5－10）°CA 最高压力偏差0.5-1.2MPa; 最高压力对应曲轴角度偏差8－10°CA,造成汽油机循环波动的主要原因： 1、火核成长到扩展早期的变化（滞燃期中从火花塞放电到燃烧1％充量的阶段） 这阶段占整个燃烧持续期的1/4—1/3 最大值可以是最小值的三倍 其根本原因是： 火花塞放电间隙中混合气状态的不稳定性，包括：浓度、废气、湍流（微观） 2、其次是进气充量（油、气）的各循环波动（宏观）,汽油机运行参数对循环波动的影响： 1、空然比的影响。
当混合气浓度在最大火焰传播速度浓度时（λ＝0.83)时，循环波动最小，当混合气过稀时，循环波动变大 2、汽油机转速的影响循环变动随着转速的提高而降低 3、点火提前角的影响最佳点火提前角对应的循环波动最小 4、循环水温的影响水温越高，循环变动越小 5、压缩比的影响压缩比越大，循环变动越小 6、燃料品质的影响六、各缸充量的不均匀性,化油器汽油机，各缸不均匀性达到5％－15％ 气道口喷射汽油机，各缸不均匀性可以控制在3％－5％ 各缸不均匀性的表达方式：,式中：Φ1为充量最浓气缸的空燃比， Φ2为充量最稀气缸的空燃比， Φa为各缸平均空燃比,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,七、汽油机的非正常燃烧,（一）爆震或爆燃 正常火焰传播速度15－70米/秒 轻微爆燃波传播速度150－300m/s 严重爆燃波传播速度1000－2000m/s,,,,,正常,,爆燃,,爆燃的危害 1、高频噪音，敲缸 2、破坏附面层，导致机体温度剧烈升高 3、导致活塞和缸头金属局部融化 4、拉缸 5、传动系统机械负荷增大，裂纹。
但是轻微爆燃，不但没有害处，还有利于提高燃烧速度，降低燃油消耗影响爆燃的因素： 1、火焰传播的最长距离 紧凑型燃烧室，双火花塞 2、压缩比 压缩比提高0.6－1个单位，热效率提高7－10％ 3、汽油的辛烷值 辛烷值提高10个单位，压缩比允许提高0.6-1个单位 3、点火提前角 4、混合气浓度 浓度影响火焰传播速度，过稀，容易爆燃 5、燃烧室的温度,（二）早燃 在火花塞放电之前，混合气被热点提前点燃，叫早燃； 现象：敲缸（声音沉闷）；负功多，功率下降；基体温度上升； 与爆燃的最大区别是发生在点火之前，爆燃发生在燃烧后期，而且缸内有强烈压力波振荡早燃的原因和防治 1、火花塞热值过高 2、燃烧室表面积碳 3、炽热表面,火花塞的热值,,早燃与爆燃的关系,早燃,爆燃,燃烧室温度升高,表面热点,,,,,一、汽油机的燃烧过程,汽油机的燃烧过程 点火过程 滞燃期及其影响因素 火焰结构与火焰传播过程 循环变动及各缸充量不均匀性 非正常燃烧 燃烧室结构,七、燃烧室结构,燃烧室的设计的主要原则 1、紧凑，面容比小缩短火焰传播距离，利于防止爆震，提高压缩比 2、具有良好的充气性能适合组织缸内大尺度气体流动（涡流、滚流） 3、火花塞位置适当 4、组织适当气流运动,典型燃烧室 1、侧置气门燃烧室－L型燃烧室,缺点是： 1、燃烧室的形状决定了火焰传播距离长， 汽油机爆燃倾向大， 压缩比e很难提 高， 一般在7以下； 2、燃烧室不紧凑， 面容比F／V大， 散热面积大； 3、气门大小受结构限制， 可燃混合气充入燃烧室要几经周折， 阻力大。
2、楔型燃烧室 优点： 1、气门稍有倾斜，气道转弯较小，可提高充量系数； 2、活塞顶有一定的挤气面积， 产生的挤气涡流与燃烧室配合 挤气效果较好 3、这种燃烧室结构紧凑， 动力性和经济性都 不错， 压缩比可以提高到9－10.5； 缺点： 1、燃烧室中燃烧速度快， 初期平均压力增长率dp／dΦ 较高， 工作显得有些粗暴； 2、 燃烧温度也较高， 生成的N0 较多 3、只适合2气门,3、浴盆型燃烧室． 特点： 1、火花塞在进、排气门之间， 位置较好； 2、 浴盆型燃烧室具有一定的挤气面积， 但挤流效果并不理想； 3、由于火焰传播距离较长， dp／dΦ 较低， 工作比较柔和; 3、工艺性好， 也便于维修， 较广泛地用于载重汽车上3、半球型燃烧室 特点： 1、结构紧凑，火花塞位于燃烧室中央，火焰传播距离短， 可考虑采用高压缩比； 2、进、排气门倾斜布置， 气道圆滑， 气流进入燃烧室的阻力小， 充量系数较高， 用于高速汽油机仍能得到满意的充量系数； 3、由于面容比F／V小， 散热损失小，HC排放很低 4、但燃烧速率大， dp／dΦ高， 工作比较粗暴; 5、 因最高燃烧温度高， 促使NO 排放增加。
其它燃烧室,1、碗型燃烧室 特点： 1、燃烧室可由机加工制成， 表面光滑， 结构也紧凑； 2、压缩比ε可提高到11，可形成较强的挤气紊流而且效果好； 3、但由于燃烧室在活塞顶上， 活塞重量约增加1O％,2、挤压射流燃烧室 加拿大不列颠哥伦比亚大学R.Evens教授设计 湍流强度增加50％，油耗下降5％，排放也明显下降,,,,,,,,,,,2、May氏火球燃烧室 实验室用97号汽油时压缩比可以达到16,节油40％ 实际压缩比11.5-12.5,4、天津大学的射流燃烧室 压缩比提高到9.2,1．射流室；2.射流孔；3.主室; 4. 活塞; 5. 气缸; 6.主通道; 7.火花塞; 8.排气门；9．进气门,二,,汽油机的电喷技术,汽油机的电喷系统介绍,电喷系统的功能和组成 电喷系统的特点 电喷系统的分类,一、电喷技术的功能和组成,1、 电喷系统的功能 燃油喷射量、喷射定时的控制 点火定时的控制 2、电喷系统的组成 传感器（发动机温度、进气温度、节气门位置、同步信号传感器、进气流量或进气压力传感器、电控单元ECU） 执行器（油泵、电控喷油器、火花塞）,火花塞,,,,,,常规电喷系统的基本组成,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4,,,节气门体,,,,,,ECU,,,电控喷油器,发动机温度传感器,点火模块,,,角度传感器,进气温度传感器,角标信号,回油,调压器,,,,,,转子式汽油泵,,,,氧浓度传感器,进气压力传感器,,,二、电喷技术的特点,电喷的优势 ECU根据发动机的各工况点，实现混合气浓度、喷射定时的精确控制 燃油直接喷射到进气门位置，供油量响应迅速，加速性好 ECU根据发动机的各工况点，实现点火定时的精确控制,电喷的缺点,进气门容易结胶 活塞顶容易积碳 节气门阀片的下游容易受污染 解决办法：汽油中加入清洁剂。
电喷的分类,1)按喷油器数量分： ① 单点喷射，即几个气缸共用一个喷油器，因喷油器装在节气门体上，因而又称节气门体喷射．也称中央喷射； ② 多点喷射，每个气缸有一个喷油器，安置在进气门附近2)按喷油地点分： ① 喷在节气门上方，喷油器 在节气门上方，用于单点喷射系统；② 喷在进气门前，喷油器装在进气管上，只用于多点喷射系统； ③缸内喷射GDI，在压缩行程开始前或刚开始时将汽油喷入气缸内，用于稀薄燃烧的汽油机3)按进气量检测方法分： ① 速度密度法，通过测量进气歧管内的真空度和温度，计算每循环吸入的空气量，由于空气在进气管内的压力波动，测量精度较差； ② 质量流量法，用空气流量计直接测量单位时间内吸人进气歧管的空气量，再根据转速算出 每循环吸气量，这种测量方法比速度密度法准确，因而能精确控制混合气的空燃比4)按喷油时间间隔分： ① 连续喷射，常见于机械喷射装置； ② 间歇喷射，在一定的曲轴转角内喷射，又细分为同时喷射、分组喷射、顺序喷射 5)按控制方式分：① 开环控制；② 闭环控制 两者的差别是闭环控。