汽车发动机原理与汽车理论基本课件第七章.pptx

第一节化油器的工作原理一、可燃混合气的成分 1kg汽油在理论上完全燃烧约需15kg空气，此时过量空气系数为，但在发动机中，因混合气不能达到理想的均匀，要使1kg汽油完全燃烧必须要有1718kg空气，此时过量空气系数为1.13-1.2，多余的空气增加了燃料完全燃烧的程度，使发动机的经济性提高，但使混合气的含热量降低并减慢了燃烧速度，也降低了发动机的功率。为使发动机得到最大功率，必须增加混合气中汽油的含量，当过量空气系数为0.867时，燃烧速度最大，可此时发动机的经济性差。所以，混合气的成分影响发动机的动力性和经济性，应按照发动机的不同工况来确定所用的成分。图-化油器式内燃机燃油供应系统示意图主量孔浮子室燃油喷管喉管节气门二、简单化油器特性与理想化油器特性.简单化油器特性图-2简单化油器节气门主量孔浮子室进油阀门浮子浮子室通气孔喉管主喷口图7-简单化油器特性.理想化油器特性图7-理想化油器的特性最大功率最低油耗率理想化油器特性三、补偿系统工作原理.主供油系统的校正图7-5主供油系的校正原理主量孔空气量孔主油井主喷管2.满负荷加浓 主供油系校正的结果，使化油器可以在部分负荷情况符合要求，但当发动机在全负荷运行时，需要另外设置功率加浓系统，提供浓的功率混合气，以获取最大功率。满负荷加浓装置的作用是在汽油机处于大负荷或全负荷工作时，使化油器额外供给一部分汽油，获得0.80.9浓度的混合气，保证汽油机发出最大功率。这种将主供油系统与加浓系统分开，必要时予以加浓的做法，相对说来，起到了确保部分负荷时省油的作用，故加浓系统又称为省油系。图7-7化油器的两种省油器)机械省油器)真空省油器进气管喉口节气门节气门操纵杆主量孔省油器阀门弹簧省油器阀门省油器量孔浮子室杆操纵杆气道真空室活塞活塞杆弹簧.怠速加浓图7-9怠速油系怠速喷口、3量孔调节螺钉过渡喷口.加速装置 加速装置的作用是在节气门急剧开大时，利用加速泵额外地供给一部分汽油，短期内将混合气加浓，以适应汽油机加速的需要。当节气门缓开时，加速泵下的燃油经进油阀返回浮子室，不起加浓作用。图-是常用机械加速装置的工作原理。图7-10加速装置的工作原理摇臂活塞活塞杆弹簧出油阀6气道加速量孔联结板拉杆联杆单向进油阀.起动装置图7-11起动装置示意图阻风门自动阀弹簧节气门一、正常燃烧过程：一、正常燃烧过程：汽油机正常燃烧过程汽油机正常燃烧过程是由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室的过程。第二节汽油机的燃烧过程(一一)正常燃烧过程进行情况正常燃烧过程进行情况将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明着火落后期、明显燃烧期显燃烧期和和补燃期补燃期。1、着火落后期、着火落后期 从火花塞点火到火焰从火花塞点火到火焰核心核心形成形成的阶段。的阶段。为了提高效率，希望为了提高效率，希望尽量缩短着火落后期。为尽量缩短着火落后期。为了发动机运转稳定，希望了发动机运转稳定，希望着火落后期保持稳定。着火落后期保持稳定。2、明显燃烧期、明显燃烧期 指指火火焰焰由由火火焰焰中中心心烧烧遍遍整整个个燃燃烧烧室室的的阶阶段段，因此也可称为火焰因此也可称为火焰传播阶段。传播阶段。在示功图上指气在示功图上指气缸压力线脱离压缩线缸压力线脱离压缩线开始急剧上升（图中开始急剧上升（图中2点）到压力达到最点）到压力达到最高点高点(图中图中3点点)止。止。燃燃烧的主要时期。烧的主要时期。明显燃烧期的火焰传播明显燃烧期的火焰传播 在在均均值值混混合合气气中中，当当火火焰焰中中心心形形成成之之后后，火火焰焰向向四四周周传传播播，形形成成一一个个近近似似球球面面的的火火焰焰层层，即即火火焰焰前前锋锋，从从火火焰焰中中心心开开始始层层层层向向四四周周未未燃燃混混合合气气传传播播，直直到到连连续续不不断断的的火火焰焰前前锋锋扫过整个燃烧室。扫过整个燃烧室。补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活补燃期中，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点塞向下止点加速移动，使气缸中压力从点3开始下降，开始下降，在后燃期中主要是湍在后燃期中主要是湍流火焰前锋后面没有完全流火焰前锋后面没有完全燃烧掉的燃料，以及附在燃烧掉的燃料，以及附在气缸壁面上的混合气层继气缸壁面上的混合气层继续燃烧。续燃烧。为了保证高的循环热为了保证高的循环热效率和循环功，应使补燃效率和循环功，应使补燃期尽可能短。期尽可能短。3、补燃期、补燃期 从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。为补燃期。（二）燃烧速度（二）燃烧速度(率率)火焰传播方式可分为火焰传播方式可分为层流火焰传播层流火焰传播和和湍流火湍流火焰传播焰传播。1.层流火焰燃烧速率层流火焰燃烧速率 层流火焰层流火焰图图6-2 层流火焰与火层流火层流火焰与火层流火焰前锋面形状的关系焰前锋面形状的关系 层流火焰传播速度远层流火焰传播速度远远不能满足实际发动机燃远不能满足实际发动机燃烧的要求。烧的要求。实际发动机中的火焰传实际发动机中的火焰传播是以湍流火焰方式进行播是以湍流火焰方式进行的。的。层流火焰燃烧速率层流火焰燃烧速率 燃烧速度燃烧速度(率率)是指单位时间燃烧的混合气量，是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为可以表达为未燃混合气密度火焰前锋面积火焰传播速度 2.湍流火焰燃烧速率湍流火焰燃烧速率 湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无湍流是指由流体质点组成的微元气体所进行的无规则的脉动运动。这些由气体质点所组成的小气团大规则的脉动运动。这些由气体质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。这种湍流运动使火焰前锋表面出现皱向则是一致的。这种湍流运动使火焰前锋表面出现皱折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成折，强湍流运动使火焰前锋面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加。湍许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加。湍流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加流运动使火焰前锋表面积明显增大，火焰传播速度加快。快。湍流强烈湍流强烈湍流较弱湍流较弱湍湍流流火火焰焰湍流火焰燃烧速率湍流火焰燃烧速率未燃混合气密度火焰前锋面积火焰传播速度 提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃提高混合气的湍流程度是改善汽油机燃烧的有效手段。烧的有效手段。二、汽油机的不规则燃烧二、汽油机的不规则燃烧 汽汽油油机机的的不不规规则则燃燃烧烧是是指指在在稳稳定定正正常常运运转转情情况况下下，循循环环变变动动和和各各缸缸工工作不均匀。作不均匀。（一）循环变动（一）循环变动指指发发动动机机以以某某一一工工况况稳稳定定运运行行时时，这这一一循循环环和和下下一一循循环环燃燃烧烧过过程程的的进进行行情情况况不不断断变变化化，具具体体表表现现在在压压力力曲曲线线、火火焰焰传传播播情情况况及及发发动动机机功功率率输出均不相同输出均不相同。这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，使汽油机性能下降。产生这种现象的主要原因是：1）混合气成分波动；混合气成分波动；2）气体运动状态波动。气体运动状态波动。下列因素或措施影响或改善循环波动下列因素或措施影响或改善循环波动:：（1）过量空气系数）过量空气系数=0.8-0.9时循环波动最小，时循环波动最小，过浓或过稀都会使循环波动加剧。过浓或过稀都会使循环波动加剧。（2）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善）适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，进而改善循环波动。混合气的均匀性，进而改善循环波动。（3）残余废气系数过大，则循环波动加剧。）残余废气系数过大，则循环波动加剧。（4）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加）发动机在低负荷、低转速时，循环波动加剧。剧。（5）多点点火有利于减少循环波动。多点点火有利于减少循环波动。（6）提高点火能量、优化放电方式、采用大的）提高点火能量、优化放电方式、采用大的火花塞间隙火花塞间隙,有助于减小循环波动。有助于减小循环波动。（二）（二）各缸之间的燃烧差异各缸之间的燃烧差异各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。各缸间燃烧差异称为各缸工作不均匀。各各缸缸之之间间的的燃燃烧烧差差异异主主要要是是由由于于燃燃料料分分配配不不均使空燃比不一致造成的。均使空燃比不一致造成的。影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零件的与进气系统所有零件的设计和安装位置都有关设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。最大的是进气管的设计。三、不正常燃烧三、不正常燃烧汽油机的不正常燃烧是指设计或控制不当，汽油机偏离正常点火时间及地点，由此引起的燃烧速率急剧上升，压力急剧增大等异常现象。汽油机的不正常燃烧主要是爆燃爆燃和和表面点表面点火火。1、爆燃的外部特征、爆燃的外部特征 爆爆燃燃时时，缸缸内内压压力力曲曲线线出出现现高高频频大大幅幅度度波波动动(锯锯齿齿波波)，同同时时发发动动机机会会产产生生一一种种高高频频金金属属敲敲击击声声，因因此此也也称称爆爆燃燃为为敲敲缸缸。轻轻微微敲敲缸缸时时，发发动动机机功功率率上上升升，严严重敲缸时，发动机重敲缸时，发动机功率下降，转速下功率下降，转速下降，工作不稳定，降，工作不稳定，机身有较大振动，机身有较大振动，同时冷却水过热，同时冷却水过热，润滑油温度明显上润滑油温度明显上升。升。（一一）爆燃（爆燃（爆震燃烧爆震燃烧）a)正常燃烧正常燃烧 b)爆燃爆燃2 2、爆燃产生的原因、爆燃产生的原因 末端混合气自燃末端混合气自燃 正正常常燃燃烧烧：有有明明显显的的火火焰焰前前锋锋，且且逐逐层层向向外外传传播播，直至燃烧完毕。直至燃烧完毕。爆爆燃燃：火火焰焰前前锋锋未未到到，未未燃燃混混合合气气的的温温度度达达到到其其自自燃燃温温度度而而着着火火燃燃烧烧，形形成成新新的的火火焰焰中中心心，产产生生新新的的火火焰焰传传播播。在在较较大大面面积积上上多多点点着着火火，局局部部区区域域的的温温度度压压力力急急剧剧增增加加。这这种种类类似似阶阶跃跃的的压压力力变变化化，形形成成燃燃烧烧室室内内往往复复传传播播的的激激波波，猛猛烈烈撞撞击击燃燃烧烧室室壁壁面面，使使壁壁面面产生振动，发出高频振音产生振动，发出高频振音(即敲缸声即敲缸声)，产生爆燃。，产生爆燃。（1）机件过载）机件过载（2 2）活塞、气缸和活塞环磨损加剧；活塞、气缸和活塞环磨损加剧；（3）动力性和经济性恶化）动力性和经济性恶化；（4）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度）排气冒黑烟，补燃增加，排气温度 增加。增加。3、爆燃的危害爆燃的危害 4、影响爆燃的因素、影响爆燃的因素（1）燃料性质）燃料性质 辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。辛烷值高的燃料，抗爆燃能力强。（2）末端混合气的压力和温度）末端混合气的压力和温度 末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。向增大。（3）火焰前锋传播到末端混合气的时间）火焰前锋传播到末端混合气的时间 提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。有利于避免爆燃。（二）表面点火与早燃（二）表面点火与早燃 1 表面点火表面点火在在汽汽油油机机中中，凡凡是是不不靠靠电电火火花花点点火火而而由由燃燃烧烧室室内内炽炽热热表表面面（如如排排气气门门头头部部、火火花花塞塞绝绝缘缘体体或或零零件件表表面面炽炽热热的的沉沉积积物物等等）点点燃燃混混合合气气的的现现象，统称表面点火。象，统称表面点火。表面点火时刻是不可控制。表面点火时刻是不可控制。炽热表面炽热表面 2早燃早燃 指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象合气的现象。早早燃燃使使功功率率下下降降，火火花花塞塞、活活塞塞等等零零件件过热。过热。图图67 汽油机早燃示功图汽油机早燃示功图 早燃会诱发爆燃，早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促热表面温度升高，促使更剧烈的表面点使更剧烈的表面点火，两者互相促进，火，两者互相促进，危害可能更大。危害可能更大。各种燃烧示功图的比较各种燃烧示功图的比较 图图68 几种非正常燃烧过程的几种非正常燃烧过程的图图四、使用因素对燃烧过程的影响四、使用因素对燃烧过程的影响1、点火提前角点火提前角对对应应于于每每一一工工况况都都存存在在一一个个最最佳佳点点火火提提前前角角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。这时汽油机功率最大，耗油率最低。图图69 点火提前特性点火提前特性 点火提前角过大，则大部分混合气在压点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降。加，发动机容易过热，有效功率下降。点点火火提提前前角角过过小小，则则燃燃烧烧延延长长到到膨膨胀胀过过程程，燃燃烧烧最最高高压压力力和和温温度度下下降降，传传热热损损失失增增多多，排排气温度升高，功率下降，耗油量增多。气温度升高，功率下降，耗油量增多。图图610 点火提前角不同时点火提前角不同时p-的图的图 影影响响最最佳佳点点火火提提前前角角的的因因素素较较多多(如如大大气气压压力力、温温度度、湿湿度度、缸缸体体温温度度、燃燃料料辛辛烷烷值值、空空燃比、残余废气系数、排气再循环等燃比、残余废气系数、排气再循环等).传传统统的的真真空空和和离离心心调调节节装装置置只只能能随随转转速速、负荷的变化对点火提前角作近似控制。负荷的变化对点火提前角作近似控制。传传统统的的点点火火控控制制装装置置只只考考虑虑了了影影响响最最佳佳点点火提前角的两个因素火提前角的两个因素.在在aa=0.80.9时时，PePe达达最最高高值，且爆燃倾向最大。值，且爆燃倾向最大。在在aa=1.031.1时，时，be最低。最低。当当aa0.80.8及及aa1.21.2时时，经经济济性性差差，HOHO排排放放量量增增多多且且工工作作不稳定。不稳定。2、混合气浓度、混合气浓度3 3、负荷、负荷 随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。4 4、发动机转速发动机转速 转速增加时转速增加时，应当相应加大点火提前角应当相应加大点火提前角1、总体目标 (1)经济性好；(2)排放性能好；(3)动力性满足需要；(4)不出现不正常燃烧。2、技术要求 (1)结构紧凑，面容比小；(2)充气效率高；(3)组织适当气流运动；(4)火焰传播距离短。第三节汽油机的燃烧室一、对燃烧室的要求3、考虑因素 (1)结构紧凑，面容比小 有利之处：传热损失小；不易爆震；压缩比高；HC排放少。A、压缩比 B、燃烧室型式 C、火花塞位置 面容比对HC排放的影响如下图。3、考虑因素 (2)充气效率高 有利之处：燃烧完全，经济性好；升功率大；排放性能好。A、气门数量、大小与布置 B、进、排气道结构与布置 C、冷却系统 D、组织气流运动3、考虑因素 (3)组织气流运动 有利之处：火焰传播快，着火界限宽，燃烧完全，经济性好；升功率大；排放性能好。不利之处：气流过强使热损失增加，着火初期可能吹熄火焰 A、气门数量、大小与布置 B、进、排气道结构与布置汽油机气流运动如下内燃机缸内气体运动方式涡流涡流挤流挤流滚流滚流紊流紊流进气过程中形成绕气缸轴线的气流运动压缩过程后期形成的径向或横向气流运动进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线气流运动气缸内形成的无规则的气流运动进气涡流产生办法a.导气屏 b.切向气道 c.螺旋气道挤流与逆挤流缩口型燃烧室缩口型燃烧室缩口型燃烧室缩口型燃烧室滚流和紊流3、考虑因素 (4)火焰传播距离短 有利之处：火焰传播快，着火界限宽，压缩比大，经济性好；升功率大。不利之处：排放性能降低。A、气门数量、大小与布置 B、进、排气道结构与布置 C、火花塞位置 D、燃烧室结构 E、着火延迟 不同火花塞位置对燃料辛烷值要求也不同，反映火花塞位置对爆震的影响。1.楔型燃烧室楔型燃烧室 楔形燃烧室楔形燃烧室侧剖面为楔型侧剖面为楔型.结构较紧凑，火焰传播距离较短；结构较紧凑，火焰传播距离较短；燃烧室气门直径较大，充气性能较燃烧室气门直径较大，充气性能较好；好；楔形燃烧室的火花塞布置在楔形高处，楔形燃烧室的火花塞布置在楔形高处，对着进、排气门之间，有利于新鲜混对着进、排气门之间，有利于新鲜混合气扫除火花塞附近的废气；合气扫除火花塞附近的废气；混合气过分集中在火花塞处，使得初混合气过分集中在火花塞处，使得初期燃烧速度大，工作粗暴，期燃烧速度大，工作粗暴，NOx排出排出量较高。由于挤气面积内的熄火现象，量较高。由于挤气面积内的熄火现象，废气中废气中HC的含量亦较多。的含量亦较多。图图661 楔形燃烧室楔形燃烧室 二、常用典型燃烧室2.浴盆型浴盆型燃烧室燃烧室浴盆形燃烧室的特点是：浴盆形燃烧室的特点是：有一定的挤气面积，有一定的挤气面积，但挤流效果差；但挤流效果差；火焰传播距离较长，火焰传播距离较长，燃烧速度较低，燃烧时燃烧速度较低，燃烧时间长，经济性、动力性间长，经济性、动力性不高，不高，HC排量多。但排量多。但NOx的排量较少，工艺的排量较少，工艺性好。性好。图图662汽车发动机的浴盆形燃烧室汽车发动机的浴盆形燃烧室3.半球型半球型燃烧室燃烧室 半球形燃烧窒结构紧凑，半球形燃烧窒结构紧凑，火焰传播距离也是最短的。火焰传播距离也是最短的。气门直径较大，气道转弯气门直径较大，气道转弯较小，充气效率高，且对较小，充气效率高，且对转速变化不敏感。有较好转速变化不敏感。有较好的动力性和经济性，的动力性和经济性，HC排放量低。排放量低。缺点是由于火花塞附近缺点是由于火花塞附近有较大容积，使燃烧速率有较大容积，使燃烧速率大，压力升高率大，工作大，压力升高率大，工作粗暴。粗暴。NOx排放较多。排放较多。图图663 半球形燃烧窒半球形燃烧窒第四节工程应用实例(文摘)一、浴盆形燃烧室的概况与分析表7-表7-2燃烧过程主要参数图7-7原气缸盖在最大转矩时示功图()一)、选择合适的压缩比二)、合理设计燃烧室三)、正确选用燃料四)、保持发动机正常的工作温度五)、精确控制混合气的形成（图3-20）六)、精确控制点火提前角二、浴盆形燃烧室的改进与试验u过量空气系数at0.850.95时，混合气稍浓，燃烧速度最快u当过量空气系数at=1.051.15时，混合气稍稀，但火焰传播速仍比较高 u采用at0.850.95的过浓混合气时，火焰传播速度显著降低 u采用过量空气系数at1.051.15的过稀混合气时，火焰传播速度也会明显降低 精确控制点火提前角1点火提前角对发动机性能的影响点火提前角大小对汽油机爆燃倾向、示功图上最高压力点的位置有很大影响。汽油机不同点火提前角时的示功图如图3-21所示。精确控制点火提前角2点火提前角的控制电控点火系统的基本组成如图3-22所示，主要由电源、传感器、ECU、点火器、点火线圈、分电器（有分电器电控点火系统）、火花塞等组成。（1）怠速工况基本点火提前角的确定（2）非怠速工况基本点火提前角的确定（3）发动机起动后对点火提前角的修正方法 修正系数法。如在日本日产车系ECCS系统中，实际点火提前角等于基本点火提前角与点火提前角修正系数之积，即实际点火提前角=基本点火提前角点火提前角修正系数修正点火提前角法。如在日本丰田车系TCCS系统中，实际点火提前角等于初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角之和，即实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角（4）起动后点火提前角的修正项目冷却水温修正 怠速稳定修正 空燃比反馈修正 精确控制点火提前角3爆燃的控制（图3-29和图3-30）