08第八章 汽油机的混合气形成与燃烧过程

掌握SI-ICE的燃烧过程以及特性掌握SI-ICE的不正常燃烧现象、特征、分类及控制措施掌握SI-ICE的不规则燃烧现象、特征、分类及控制措施了解燃料调整特性和理想混合气特性的制备了解PFI的燃料喷射和混合气形成过程及控制策略掌握SI-ICE典型燃烧室的性能了解SI-ICE的稀燃技术火花点火火核形成均质透明前锋皱着的火焰一、SI-ICE的燃烧过程pTDCig压缩线缸压线明显燃烧期后燃期i着火落后期A跳火BCDmaxp%95XSI-ICE的燃烧过程分期：着火落后期、明显燃烧期和后燃期着火落后期定义从火花塞跳火到缸压线脱离压缩线经历的时间或曲轴转角。要求循环间一致性要好（低循环波动）；着火落后期尽量短（过长稳定性差，最大爆发压力偏移大）。用或表示;°CAii20~10i明显燃烧期定义从着火落后期终点到最高压力出现经历的时间或曲轴转角。要求受机械和热负荷限制MPa；5maxp压力升高率MPa/(°CA)；4.0~2.0ddp明显燃烧期内放热量达到90%以上。出现在TDC之后10～15°CA。maxpTDC1ig2ig3ig3maxp2maxp1maxpig靠近TDCmaxp时间、后燃损失tt远离TDCmaxptig时间、后燃损失t大、等容度高且传热损失小maxp小、等容度低且传热损失大maxp后燃期从最高压力到放热率达到90%经历的时间或曲轴转角。后燃期尽量短，降低后燃损失。当最大爆发压力出现在10～15°CAATDC性能最佳二、SI-ICE的放热规律控制放热始点控制用点火提前角控制放热始点niin360maxp远离TDCnig转速一定时crLvmaxp远离TDCcaci油门开度一定时负荷ig节气门开度tqoptigTnf,.早期的化油器ICE采用离心提前和真空提前。现代EFI内燃机用点火提前角MAP控制提前角。放热曲线形状控制缩短着火落后期，速燃期不太急，加快缓燃期，缩短后燃期三、SI-ICE与CI-ICE燃烧特性比较曲轴转角/°CATDC示压图CI-ICE具有更高的压缩和燃烧压力压力升高率CI-ICE压力升高率大，振动噪声高曲轴转角/°CATDCCI-ICESI-ICE放热速率CI-ICE放热率曲线形状——先急后缓；曲轴转角/°CACI-ICESI-ICESI-ICE为“单峰”，CI-ICE为“双峰”SI-ICE放热率曲线形状——先缓后急；负荷变化对燃烧持续期的影响EQ491SI-ICE随着负荷的增大，SI-ICE燃烧持续期缩短随着负荷的增大，CI-ICE喷油量增大，燃烧持续期加长对比项目SI-ICECI-ICE着火点燃，高温单阶段着火，单点着火压燃，低温多阶段着火，多点同时着火燃烧火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长放热规律燃烧放热先缓后急，“等腰三角形”放热曲线，燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线，持续期较长性能噪声振动小，基本不产生碳烟排放，热效率较低热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放SI-ICE异常燃烧（一）爆燃（爆震燃烧，knocking，detonation）特征示功图压力波动严重；正常燃烧轻微爆燃严重爆燃不正常燃烧不规则燃烧——爆燃、表面点火——循环波动、各缸工作不均匀一、不正常燃烧/°CA/bar发动机：EQ491压缩比：9.0汽油：90(RON)SI-ICE爆燃实例2000r/minBMEP=0.9MPa24ig°CA19ig°CAFuelInjectionsparkCI-ICE工作粗暴SI-ICE爆燃SI-ICE爆燃的压力升高率峰值，远远高于CI-ICE3000～7000Hz的高频金属震音；轻微爆震，性能提高；严重爆震，性能下降幅值很大的压力波冲击缸壁冷却系过热燃烧速度快，温度高；压力波击破油膜，加速传热；冒烟严重爆震，油膜燃烧，排气冒烟机器损坏严重爆震，活塞烧顶、断环、拉缸爆燃的机理火花塞点火压力波传播满足着火条件末端混合气压力温度升高低温多阶段着火激波冲击燃烧室壁面100Lvm/s1000~800nvm/s65ddpMPa/(°CA)压力波压缩热辐射正常燃烧爆震燃烧爆燃的危害1、热负荷大、散热损失大燃烧速度快，温度高；压力波击破油膜，加速传热；2、机械负荷大过高的压力升高率，机械摩擦损失大3、性能下降散热大循环效率下降机械负荷大机械效率下降4、磨损加剧油膜波坏，润滑不良；机械负荷过大；5、排放异常烧机油，冒烟，积碳严重影响因素和控制措施火焰传播时间1t自燃着火时间2t21tt不会产生爆燃2t1t气缸跳火减小1t增大2t降低爆燃的可能性火花塞中置—缩短火焰传播距离控制措施降低压缩比—增大自燃着火时间紧凑燃烧室结构—减小火焰传播时间推迟点火—降低最大爆发压力，减小压力波峰值稀薄燃烧—增大低温多阶段着火的着火落后期提高湍流强度—减小火焰传播时间采用高辛烷值的燃料采用可变压缩比VCR（VariableCompressionRatio）技术SI-ICE高速大负荷工况，燃烧室内温度、压力高，容易产生爆燃，低速小负荷工况，不易爆燃，可用高压缩比。转速转矩14118不变压缩比11高速、大负荷中速、中负荷低速、小负荷（二）表面点火（SurfaceIgnition）燃烧室内炽热表面点燃混合气形成的着火。燃烧室内炽热表面：排气门头部、火花塞裙部、燃烧室内部突起、积碳（deposit）等。分类早火（早燃，Pre-ignition）：着火在火花塞点火之前后火（后燃，After-ignition）：着火在火花塞点火之后后火可提高燃烧速度，得到高等容度，但ICE温度高，增大爆燃倾向，且会形成“续走”（Running-on）。为什么有的SI-ICE无法停机，且会出现高速反转现象？燃料添加催化剂，会降低积碳的着火温度特征着火早，且多位置着火压力升高率大，对活塞连杆形成冲击，形成600～1200Hz低频震音。ICE过热燃烧速度快，发热速率高，温度高，传热量大。性能下降传热量大，压缩行程功高，使循环效率低；机械负荷大，机械效率低。危害激爆（爆燃性表面点火）早火燃烧室压力、温度高形成爆燃爆燃加剧早火激爆ICE损坏表面点火控制措施防止高温—降低压缩比、推迟点火、冷却火花塞和气门合理设计燃烧室形状—减少突起、合理布置水套防止积碳—控制机油消耗、采用清积碳添加剂采用高辛烷值燃料（一）循环波动不规则燃烧使SI-ICE转速稳定性差ICE各工作循环一致性程度。现象工作循环间示功图差异大；内燃机转速、转矩波动大。CI-ICE转速波动：±2r/minSI-ICE转速波动：±10r/min波动2.5~3.5MPamaxpmax)(ddp波动达到2倍二、不规则燃烧评价指标循环波动率：maxppp标准偏差NipppN12maxmax1采样循环40～100个循环波动率要小于10%表达循环波动率的其它参数：maxpddpmax)(ddpmip、、、危害性能不佳—点火提前角不是最优值；HC高排放—点火提前角不是最优值。振动噪声大；%/IMEP允许范围n=1200r/minTPS=7.8%IMEPR—RelativeIndicatedMeanEffectivePressureTPS—ThrottlePositionSensor原因火花塞附近混合气成分不一致；增大1个%点，IMEP下降1.5%进气动态效应使循环充量不一致；活塞平均速度不一致，使湍流强度分布不一致。循环数空燃比n=1500r/min=MBTigIMEP=314kPaMBT:MaximumBrakeTorque电极处影响因素及控制措施优化进气系统—优化匹配进气管长度。混合气浓度影响大0.1~8.0a时，最小p提高点火能量、采用多火花塞点火；大，高pr—加强对火花塞的扫气；—优化燃烧室结构；湍流强度高，低p小负荷、低转速，高；p（大众Touran，2.0L汽油机，n=2000r/min）BMEP=0.19MPaBMEP=0.88MPa曲轴转角/°CA气缸压力/MPa（491汽油机实例）n=3000r/minTtq=53.2N·mMAP=56kPaα=14.550个循环MAP:ManifoldAbsolutePressure气缸压力/MPa曲轴转角/°CAn=3000r/minTtq=53.2N·mMAP=56kPaα=14.550个循环（二）各缸工作不均匀性现象各缸之间示功图差异大。原因各缸充量不一致—进气动态效应；各缸成分不一致—EGR使各缸废气量有差异；评价各缸工作不均匀度：%100cmcmciciDiDDmaxmax整机工作不均匀度：可表达不同参数的不均匀度，如、等。amaxp（四）控制措施优化进气系统；精确控制EGR—最好分缸控制。注意：EFI相对于化油器气液两相的影响很小，没有提及！一、对汽油机混合气形成的基本要求形成均质混合气具有良好的响应特性适应不同工况的混合气浓度要求喷油器气缸进气门降低循环波动良好的工况变化跟随性二、理想混合气制备当ICE的油门和转速均不变时，性能指标和特性参数随混合气浓度的变化规律。燃料调整特性功率混合气：燃料调整特性中有效功率最大值对应的混合气浓度。aP经济混合气：燃料调整特性中最低有效燃油消耗率对应的混合气浓度。ab排气混合气：使TWC具有高转化率的混合气浓度。0.1a0.1a负荷降低负荷降低负荷降低，SI-ICE的功率混合气和经济混合气浓度均增大，小于40%负荷后，经济混合气浓度小于1.0。理想混合气特性理想混合气制备原则全负荷时用功率混合气，其它负荷用经济混合气。以此构建的负荷特性称为理想负荷特性。理想混合气特性制取制作燃料调整特性eP1eb2eb图形转换eP（，）ebeP1eb2eb负荷特性鱼钩线n=c对应线ab对应点aP切点包络线从85%油门开度的经济线逐步过渡到100%油门开度的功率混合气点，构成了理想负荷特性。85%油门开度由理想负荷特性线的（，）回推，在燃料调整特性上得到（，），构成了理想混合气全特性。ePebePa由此可得到基于性能的混合气浓度基础MAP。实际ICE运行中需考虑排放问题。三、SI-ICE汽油雾化方式分类主量孔喉口空气空气空气燃料燃料燃料节气门节气门化油器：Carburetor单点喷射TBI：ThrottleBodyInjection多点喷射MPI：MultipointInjection（PFI：PortFuelInjection）缸内直喷GDI：GasolineDirectInjection（稀燃，LeanBurn）缸内分层直喷GSI：GasolineStratifiedInjection（化学计量比）化油器MPIGDI四、进气道喷射PFI及混合气形成喷油器和喷油雾化采用电磁阀喷油器；喷油压力一般为中低压力（0.3～1.5MPa）；喷射方向一般指向进气门背中央。轴针喷油器单孔喷油器多孔喷油器双喷束喷油器轴针型喷嘴：锥形喷雾，雾化效果好；单孔型喷嘴：单束喷雾，油束锥角小；多孔喷嘴：多束喷雾，雾化效果好；双喷雾型喷嘴：喷雾分成两束，在四气门发动机中将燃油分别喷入两个进气道中。混合气的形成过程喷雾油束碰壁成膜液滴破碎、蒸发油膜的蒸发、剥离、流动混合气湍流运动进气道中的喷油雾化蒸发燃油喷射速率Km进入气缸的燃油速率cylKm,壁面油膜质量Fm燃油蒸发速率Vm为延长蒸发混合时间，在进气门尚未开启时就进行汽油喷射，喷油SMD一般在100～400μm范围；喷射的汽油，一部分在空间直接汽化，一部分冲击到进气道壁面和进气门背面（温度＞100℃）形成油膜，油膜蒸发形成汽油蒸汽；喷油结束至进气门开启时期中，进气门附近存在大量高