第1章 汽油机燃烧基本知识

第一章汽油机燃烧基本知识第一节汽油的使用性能汽车燃油有汽油和柴油。我们在此简单讨论汽油的使用性能。1.汽油的蒸发性汽油机要求汽油能在极短时间(0.001～0.010s)内汽化并与空气充分混合，使每一汽油分子都被空气中的氧包围以便可以充分燃烧。所以汽油的蒸发性对汽油机的工作影响很大。2.汽油的抗爆性与标号汽油在发动机中正常燃烧时，火焰的传播速率约为30～70m／s。但当混合气已燃烧2／3～3／4时，未燃烧的混合气由于压力和温度的急剧升高，尽管未被点燃，却产生了高度密集的过氧化物。它的分解使混合气中出现了许多燃烧中心，燃烧速率猛增，产生强大的压力脉冲，火焰的传播速率可达800～1000m／s，甚至高达3000m／s。这种情况下气缸内产生清脆的金属敲击声。这种燃烧就是爆燃。爆燃会使发动机过热，活塞、气阀和轴承等冲击变形损坏。爆燃的程度与燃料的组成有关。已经知道，异辛烷(2，2，4—三甲基戊烷)的抗爆性极高，将它的“辛烷值”定为100；正庚烷的抗爆性极低，将它的“辛烷值”定为0。将二者按一定比例配成混合液，便可得到辛烷值(即异辛烷的体积百分数)为0～100的“燃料”，这就是燃料辛烷值的标准,即汽油标号。辛烷值是汽油抗爆性的定量指标。我国汽油机用汽油的牌号就是根据辛烷值确定的。例如：某汽油的辛烷值是93(即93＃汽油)，表明这种汽油在燃烧时，其爆燃噪声强度与7份正庚烷和93份异辛烷的混合物在相同条件下的爆燃噪声强度相同。燃油标号选择过低会使发动机产生爆震而加剧磨损。为了提高汽油的抗爆性，常向汽油中添加抗爆剂。其中四乙基铅是最有效的添加剂，这就是含铅汽油。四乙基铅的作用是破坏生成的过氧化物，使爆燃不能发生。然而，汽车尾气中的铅是大气铅污染的主要来源。从环保出发，我国早已淘汰含铅汽油而大力发展无铅汽油，已经禁止加油站供应含铅汽油。可通过重整或加入高辛烷值组分的方法来获取高辛烷值燃料：所谓重整，就是把馏分中烃类分子的结构进行重新排列，使辛烷值高的组分含量增加，且保证所含碳原子数仍在汽油组分范围内，因而辛烷值大大提高。其他高辛烷值的化合物如甲醇、MTBE（甲基叔丁基醚，是一种高辛烷值汽油添加剂）等添加剂加入后也可显著提高抗爆性，而无需加入四乙基铅了。为了便于区分含铅汽油，无铅汽油不添加着色染料。补充材料：乙醇汽油：车用乙醇汽油是指在不含MTBE含氧添加剂的专用汽油组分油（由炼油厂或石油化工厂生产的用于调合车用乙醇汽油的调合油）中，按体积比加入一定比例（我国目前暂定为10%）的变性燃料乙醇，由车用乙醇汽油定点调配中心按国标GB18351—2004的质量要求，通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料。乙醇汽油的腐蚀性和溶胀性：车用乙醇汽油的腐蚀性与无铅汽油相当，但对少量橡胶、塑料件有溶胀现象。乙醇对金属的腐蚀性大于汽油，但添加一定量的金属腐蚀抑制剂后，对黄铜、铸铁、钢、锌和铝等金属进行腐蚀试验结果表明，未发现有明显的腐蚀现象。对橡胶件的浸泡实验表明，车用乙醇汽油对绝大多数橡胶件无溶胀现象，只有少数几种不适应，但溶胀作用缓慢，只需一次性更换耐溶胀的橡胶件即可。车用乙醇汽油有哪些主要特性：（1）增氧性强，助燃效果好。燃料乙醇按10%的比例混配入汽油中，可使氧含量达到3.5%，助燃效果好，汽油燃烧充分，使汽车的有害尾气排放总量降低33%以上。并可使辛烷值提高2—3个单位，提高了油品的抗爆性。（2）溶解性好，清洁油路。车用乙醇汽油中的燃料乙醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除汽车油箱及油路系统中沉淀和凝结的杂质，具有使油路疏通的作用。（3）燃烧充分，减少积炭。由于车用乙醇汽油燃烧充分，可有效地预防和消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器等部位积炭的形成，延长发动机和主要部件的使用寿命。（4）亲水性强，使用不当会分层。乙醇是亲水性液体，易与水互溶，如果油箱中沉积有水分或在车用乙醇汽油中混入水分，使油品水分超标，会出现燃料乙醇与调和组分油分层现象，影响发动机正常工作。因此，首次使用时，应对油箱进行一次检查。3．汽油的化学安定性和物理稳定性汽油中若含大量不饱和烃，在储存、运输、加注及其他作业中，会因空气中氧、较高温度及光的作用而氧化生成胶质。胶质在汽油中溶解度小，会黏附在容器壁上，给汽油机的工作带来害处，降低汽油的化学安定性。知识点滴：不饱和烃氧化生成胶质，胶质在汽油中溶解度小，会黏附在汽油供给系统，所以到一定时间必须清洗发动机的汽油供给系。提高化学安定性的方法，一是通过炼制工艺，使易氧化的活泼烃类、非烃类组分尽量减少；二是向汽油中添加抗氧化添加剂，如酚类(2，6—二叔丁基—4—甲酚)、胺基酚类及胺类等物质。汽油在储藏、运输、加注和其他作业时，保持不被蒸发损失的性能叫物理安定性。汽油的物理安定性主要由汽油中的低温馏分决定。4.汽油中腐蚀性物质的影响汽油中水溶性酸和碱(H2S04、NaOH、磺酸及酸性硫酸酯)等对所有的金属都有强烈的腐蚀性；环烷酸对有色金属，特别是铅和镁有强的腐蚀性。氧化生成的有机酸，特别是有水存在时，对黑色金属也有腐蚀性。汽油中的含硫化合物，特别是SO2和噻吩，不仅有腐蚀性，还会使汽油产生恶臭，促使汽油产生胶质。硫化物燃烧后生成的SO2、SO3与水反应生成H2SO3、H2SO4，能直接与金属作用，使气缸和活塞受到强烈腐蚀。5．汽油中机械杂质和水分的影响新出厂的汽油完全没有机械杂质和水分。由于运输、倒装、用小容器向汽油箱加注，到达使用者手中时，常将机械杂质(锈、灰尘、各种氧化物)及水分落入其中。机械杂质会堵塞电喷系统的喷油嘴和汽油滤清器等；机械杂质若进入燃烧室会使燃烧室沉积物增多，加速气缸、活塞和活塞环的磨损。水分在冬季结冰，冰粒堆积在汽油滤清器中会堵塞油路，严重时会终止供油。水分还会引起加速腐蚀，加速汽油氧化生胶，破坏汽油中的添加剂等不良作用。所以汽油规格中规定不允许有机械杂质和水分存在。第二节电控汽油喷射系统的优点我国从2001年9月1日起禁止销售化油器车。化油器车维修配件的供应时间为10年，化油器车不久将在市面上全部消失。目前，汽车用燃油喷射装置来替代化油器，多采用缸外喷射。通过缸外喷射，在燃烧室外、进气门前就形成了可燃混合气。近几年，大众汽车正在推广缸内喷射技术。单点喷射（SPI）：喷油器的位置位于节气门之前，各缸共用一个喷油器(双腔节气门体采用两个喷油器)。此种喷油又称为节气门体喷射，即单点喷射，已经淘汰。多点喷射（MPI）：多点喷射系统是在每缸进气口处装有一只喷油器，直接向进气门前方喷射(节气门之前和进气门之前位置不同)。由电控单元（ECU）控制进行分缸单独喷射或分组喷射，汽油直接喷射到各缸的进气前方，再与空气一起进入汽缸形成混合气。多点喷射也是目前最为普遍的喷射系统。SPIMPI电控汽油喷射系统的优点：（1）能提供发动机在各种运行工况下最合适的混合气浓度，使发动机在各种工况条件下保持最佳的动力性、经济性和排放性能。（2）电控燃油喷射系统配用排放物控制系统后，大大降低了HC、C0和N0X三种有害气体的排放。（3）增大了燃油的喷射压力，因此雾化好；由于每个气缸均安装一个喷油器(多点喷射系统)，所以各缸的燃油分配比较均匀，有利于提高发动机运转的稳定性。（4）当汽车在不同地区行驶时，对大气压力或外界环境温度变化引起的空气密度的变化，发动机控制电脑(ECU)能及时准确地作出补偿。（5）在汽车加减速行驶的过渡运转阶段，燃油控制系统能够迅速的作出反应，使汽车加速、减速性能更加良好。外)在进气门处喷油，所以进气管壁面的燃料沉积减少。（6）具有减速断油功能，既能降低排放，也能节省燃油。减速时，节气门关闭，发动机仍以高速运转，进入气缸的空气量减少，进气歧管内的真空度增大。在化油器系统中，此时会使粘附于进气歧管壁面的燃油由于进气歧管内真空度骤升而蒸发后进入气缸．他混合气变浓，燃烧不完全，排气中HC和CO的含量增加。而在电控燃油喷射发动机中，当节气门关闭而发动机转速超过预定转速时，喷油就会减少或停止，使排气中HC和CO的含量减少，降低燃油消耗。（7）在进气系统中，由于没有像化油器那样的喉管部位，因而进气阻力减小。再加上进气管道的合理设计，就能充分利用吸入空气惯性的增压作用，增大充气量，提高发动机的输出功率，增加动力性。（8）在发动机起动时，可以用发动机控制模块(ECU)计算出起动时所需的供油量，使发动机起动容易，暖机更快，暖机性能提高。第三节电控发动机的基本组成发动机控制系统的组成如图所示，主要由信号输入装置、电子控制单元（ECU）、执行器等组成。一、信号输入装置及输入信号发动机控制系统的信号输入主要是通过各种传感器或其他控制装置将各种控制信号输入ECU的。发动机控制系统用的传感器和输入信号主要有下列种类。l．空气流量计（MAF）--在L型EFI中，由空气流量计测量发动机吸入空气量，并将信号输入ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。2．进气（歧管绝对）压力传感器（MAP）--在D型EFI中，由进气压力传感器测量进气管压力（真空度），并将信号输入ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。3．转速和曲轴位置传感器--检测曲轴（或活塞）位置信号和曲轴转角信号（转速信号）输入ECU，作为点火和燃油喷射的主控制信号。4．凸轮轴位置传感器--也叫同步信号传感器，它是一个气缸判别定位装置，向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控制信号。5．冷却水温度传感器--检测发动机冷却水温度，向ECU输入温度信号，作为燃油喷射和点火正时的修正信号，同时也是其他控制系统的控制信号。6．进气温度传感器--检测进入进气歧管的空气温度，向ECU输入进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时的修正信号。7．节气门位置传感器--节气门位置传感器检测节气门的开度状态，如怠速（全关）、全开及节气门开、闭的速率信号，输入ECU，控制燃油喷射及其他控制系统，如EGR，开、闭环控制等。8．氧传感器--检测排气中氧的含量，向ECU输入空燃比的反馈信号，进行喷油量的闭环控制。9.爆震传感器--爆震传感器向ECU输入爆震信号，经ECU处理后，控制点火提前角，抑制爆震产生。10．大气压力传感器--检测大气压力，向ECU输入大气压力信号，修正喷油和点火控制。11.车速传感器--检测车速，向ECU输入车速信号，控制发动机转速，实现超速断油控制。在发动机和自动变速器共同控制时，也是自动变速器的主控制信号。12.起动信号--发动机起动时，由起动系向ECU提供一个起动信号，作为喷油量、点火提前角的修正信号。13．空调作用信号（A／C）--当空调开关打开，空调压缩机进入工作，发动机负荷加大时，由空调开关向ECU输入空调作用信号，作为对喷油量及点火提前角控制的修正信号。14．挡位开关信号和空挡位置开关信号--自动变速器由P/N挡挂入其他挡位时，发动机负荷将有所增加，挡位开关向ECU输入信号，作为对喷油量及点火提前角的修正信号。当挂入P或N挡时，空挡位置开关提供P/N挡位置信号，防止不在P或N挡时发动机起动。15．蓄电池电压信号--当ECU检测到蓄电池和电源系的电压过低时，将对供油量进行修正，以补偿由于电压过低，造成喷油持续时间短所带来的影响。16．离合器开关信号--在离合器接合和分离过程中，由离合器开关向ECU输入离合器工作状态信号，作为喷油量及点火提前角控制的修正信号。17．刹车开关信号--在制动时，由刹车开关向ECU提供制动信号，作为对喷油量、点火提前角、自动变速器等的控制信号。随着控制功能的扩展，输入信号也将不断增加。从上述所列传感器及输入信号中可以看出，发动机集中控制系统所用的传感器及输入信号有很多都是相同的。这就意味着，在发动机集中控制系统中，可以减少大量的传感器数目，一个传感器或一个输入信号，可以多次重复使用，作为几个控制系统的输入信号。二、电子控制单元（ECU）的功能与组成1、传感器或其它装置输入的信息，给传感器提供参考（基准）电压：2V（伏）、5V、9V、12V；将输入的信息转变为微机所能接受的信号。2、存储、计算、分析处理信息；计算输出值所用的程序；存储该车型的特点参数；