第4章--汽油机燃料供给系统

第4章汽油机燃料供给系统学习目标●知道汽油机燃料供给系统的作用和组成●掌握汽油发动机各种工况对混合气成分的要求●理解电控汽油喷射系统的分类、组成和工作原理●掌握进气系统主要零部件的构造和工作原理及检测方法●掌握排气系统主要零部件的构造和工作原理及检测方法●掌握燃油供给系统主要零部件的构造和工作原理及检测方法●学会运用故障诊断仪检测发动机故障的方法第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.1汽油机燃料供给系统的作用和类型汽油机燃料供给系统的作用是贮存、输送、清洁燃料，根据发动机不同工况的要求，配制一定数量和浓度的可燃混合气进入气缸，并在燃烧作功后，将燃烧产生的废气排至大气中。汽油机燃料供给系统有化油器式燃料供给系统和电控喷射式燃料供给系统两大类型。化油器式燃料供给系疑难已逐渐退出历史舞台，目前汽车发动机广泛采用电控喷射式燃料供给系统。本章着重介绍电控喷射式燃料供给系统。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.2车用汽油机对可燃混合气浓度的要求1、可燃混合气浓度汽油在燃烧前必须与空气形成可燃混合气。可燃混合气是按一定比例混合的汽油与空气的混合物。可燃混合气中燃料含量的多少称为可燃混合气浓度。可燃混合气浓度有两种表示方法：过量空气系数α和空燃比A/F。过量空气系数是理论上燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与理论上完全燃烧时所需要的空气质量之比。由此可知，α=1的可燃混合气称为标准混合气；α＜1的可燃混合气称为浓混合气；α＞1的可燃混合气称为稀混合气。空燃比是燃烧时空气质量与燃料质量之比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要14.7kg空气，故空燃比A/F=14.7的可燃混合气称为标准混合气；A/F＜14.7的可燃混合气称为浓混合气；A/F＞14.7的可燃混合气称为稀混合气。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.2车用汽油机对可燃混合气浓度的要求2、可燃混合气浓度对发动机性能的影响（1）标准混合气这只是理论上完全燃烧的混合比，实际上这种成分的混合气在气缸中不能得到完全的燃烧，因为：①气缸中混合气的浓度，由于混合时间和空间的限制，不可能是均匀的分布，有可能使部分燃料来不及和空气混合就排出气缸。②由于气缸中总有一小部分的废气排不出去，它阻碍了汽油分子与空气分子的结合，影响了火焰中心的形成和火焰的传播。（2）稀混合气为实际上可能完全燃烧的混合气，它可保证所有汽油分子获得足够的空气而完全燃烧。因而经济性最好，故称经济成分混合气，值多在1.05～1.15范围内。但是空气过量后燃烧速度放慢，热量损失加大，平均有效压力和汽油机功率稍有下降。若混合气过稀时（＞1.05～1.15），因空气量过多，燃烧速度过慢，热量损失过大，导致汽油机过热、加速性能变坏。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.2车用汽油机对可燃混合气浓度的要求（3）浓混合气（＜1）因汽油的含量较多，汽油分子密集，火焰传播快，它可保证汽油分子迅速找到空气中的氧分子并与其相结合而燃烧。值在0.85～0.95范围内时，燃烧速度最快，热量损失小，平均有效压力和汽油机功率大。因此，又称功率成分混合气。但是，浓混合气燃烧不完全，经济性降低。过浓的混合气（＜0.88），由于燃烧不完全，产生大量的一氧化碳，在高温高压的作用下桥出自由碳，导致汽油机排气冒烟、放炮、燃烧室积碳、功率下降、耗油量显著增大，排放污染严重。3、车用汽油机对混合气浓度的要求①冷起动工况发动机冷起动时，混合气得不到足够地预热，汽油蒸发困难。同时，发动机曲轴转速低，雾化及汽化条件不好，大部分混合物在进气管内形成油膜，不能随气流进入气缸，因而使气缸内的混合气过稀，无法引燃。因此，要求化油器供给极浓的混合气进行补偿，从而使进入气缸的混合气有足够的汽油蒸汽，以保证发动机得以起动。冷起动工况要求供给的混合气成分为α=0.2～0.6。②暖机工况暖机是指发动机冷起动后，各气缸开始依次点火而自行继续运转，使发动机的温度逐渐升高到正常值，发动机能稳定地进行怠速运转的过程。在此期间，混合气的浓度随温度升高而减小，从起动时的极浓减小到稳定怠速运转所要求的浓度为止。③怠速工况怠速是指发动机对外无功率输出，作功行程产生的动力只用以克服发动机的内部阻力，使发动机保持最低转速稳定运转。汽油机怠速转速一般为400～800r/mm，转速很低，空气流速也低，使得汽油雾化不良，与空气的混合也很不均匀。另一方面，节气门开度很小，吸入气缸内的可燃混合气量很少，同时又受到气缸内残余废气的冲淡作用，使混合气的燃烧速度变慢，因而发动机动力不足、燃烧不良甚至熄火。因此要求提供较浓的混合气α=0.6～0.8。④小负荷工况发动机负荷在25％以下称为汪负荷。小负荷时，节气门开度较小，进入气缸内的可燃混合气量较少，而上一循环残留在气缸中的废气在气缸内气体中气占的比例相对较多，不利于燃烧，因此必须供给较浓的可燃混合气α=0.7～0.9。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.2车用汽油机对可燃混合气浓度的要求⑤中等负荷工况发动机负荷在25％～85％之间称为中等负荷。发动机大部分工作时间处于中等负荷工况，所以经济性要求为主。中等负荷时，节气门开度中等，故应供给接近于相应耗油率最小的α值的混合气，即α=0.9～1.1，这样，功率损失不多，节油效果却很显著。⑥大负荷及全负荷工况发动机负荷在85％～100％之间称为大负荷及全负荷。此时应以动力性为前提，要求发出最大功率Pemax，故要求化油器供给Pemax时的混合气成分α=0.85～0.95。⑦加速工况发动机的加速是指负荷突然迅速增加的过程。当驾驶员猛踩踏板时，节气门开度突然加大，此时空气流量和流速随之增大，致使混合气过稀。另外，在节气门急开时，进气管内压力骤然升高，同时由于冷空气来不及预热，使进气管内温度降低，不利于汽油的蒸发，致使汽油的蒸发量减少，造成混合气过稀。结果就会导致发动机不能实现立即加速，甚至有时还会发生熄火现象。为了改善这种情况，必须在节气门突然开大时，强制多供油，额外增加供油量，及时使混合气加浓到足够的程度。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.2车用汽油机对可燃混合气浓度的要求1．可燃混合气的形成（1）均质混合气电控喷射式汽油机燃料供给系统的可燃混合气形成是在进气管或气缸中进行的。喷油器将来自供油系统、具有一定压力的汽油以雾状喷到进气道的进气门前，或直接喷入气缸，与来自空气供给系统的新鲜空气在缸外（进气管喷射）或缸内（缸内喷射）相混合，初步形成可燃混合气。在排气行程末了，进气门打开，可燃混合气在进气吸力的作用下被吸入气缸；在压缩过程中，由于气流运动，在气缸内进一步形成均匀的可燃混合气。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程（2）分层燃烧目前，采用缸内直喷技术可以实现混合气分层燃烧。分层燃烧技术在气缸内所形成的混合气浓度并不是均匀的，在靠近火花塞的内层空间混合气偏浓，在远离火花塞的外层空间（靠近气缸壁与活塞顶部）混合气则偏稀。这样混合气就形成了由内及外、由浓到稀的状态。在进气行程活塞下行时，发动机电脑会控制喷油嘴先进行一次少量的喷油，使气缸内形成稀薄混合气，此时混合气的浓度为λ1。而在压缩行程，活塞上行时会进行第二次喷油，利用活塞顶部的特殊结构或者喷油嘴的喷射角度让火花塞附近出现混合气相对较浓的区域（λ1），然后利用这部分较浓的混合气来引燃汽缸内的稀薄混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能地实现稀薄燃烧。在分层燃烧模式下，整个过量空气系数λ=1.6～3（空气过量），这就可以用更少的燃油达到同样的燃烧效果，使得发动机的油耗更低。同时在分层燃烧状态下，只有火花塞附近的区域进行燃烧，最外侧极为稀薄的混合气相当于一个隔热棉，可以将通过缸壁传导所损失的热量降到最低，提高了发动机整体的热效率。分层燃烧技术存在着一个目前难以得到综合性解决的问题——氮氧化物排放过高。2．汽油机的燃烧过程（1）正常燃烧火花塞跳火点燃可燃混合气，形成火焰中心，火焰按一定速度连续地传播到整个燃烧室的空间。在此期间，火焰传播速度以及火焰前锋的形状均没有急剧变化，这种状况称为正常燃烧。通常根据高速摄影摄取的燃烧图或激光吸收光谱仪来分析燃烧过程。但最简便的方法是测取燃烧过程的展开示功图，如图4-1所示。图中虚线表示只压缩不点火的压缩线，在燃烧压力线上，1点为火花塞跳火点。2点为燃烧压力线脱离压缩压力线点，3点为最高压力点。燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为三个阶段。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程①着火延迟期从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间，称为着火延迟期。如图4-1中阶段1所示。从火花塞跳火开始到上止点的曲轴转角称为点火提前角，用θ表示。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合气氧化反应需要一定时间，当火花能量使局部混合气温度迅速升高，以及火花放电时两极电压在15000伏以上时，混合气局部温度可达200℃，加快了混合气的氧化反映速度。这种反应达到一定的程度（所需要时间约占整个燃烧时间的15%左右）时出现发光区，形成火焰中心。此阶段压力无明显升高。着火延迟期的长短与燃料本身的分子结构和物理化学性质、过量空气系数、开始点火时气缸内温度和压力、残余废气量、气缸内混合气的运动、火花能量大小等因素有关。汽油机燃烧过程中，着火延迟期的影响不如柴油机大。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程②明显燃烧期从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止这段时间称为明显燃烧期。图4-1中第Ⅱ阶段。当火焰中心形成后，火馅前锋以20～30m/s的速度从火焰中心开始逐层向四周的未燃混合气传播，直到连续不断扫过整个燃烧室。混合气的绝大部分（约80%以上）在此期间内燃烧完毕、压力、温度迅速升高，出现最高压力点3。最高压力点3出现的时刻对发动机功率、燃油消耗有很大影响。过早，混合气点火早，使压缩功增加，热效率下降；过迟，燃烧产物的膨胀比减小，燃烧在较大容积下进行，散热损失增加，热效率也下降。实践证明，最高压力出现在上止点后120～150曲轴转角时，示功图面积最大，循环功最多。此时对应的点火提取前角为最佳点火捉前角。因而，可以通过调整点火提前角，使最高燃烧压力出现在适宜的位置。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程③补燃期从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是明显燃烧期火焰前锋扫过的区域，部分未燃饶的燃料继续燃烧；吸附在缸壁上的混合气层继续燃烧；部分高温分解产物（H2、O2、CO等），因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧，放热。由于活塞下行，压力降低，散热面积增大，使补燃期内燃烧放出的热量不能有效地转变为功。同时排气温度增加，热效率下降，影响发动机动力性和经济性。因此，应尽量减少补燃。正常燃烧时汽油机补燃现象比柴油机轻得多。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程（2）爆震燃烧通过高速摄影研究汽油机爆震时发现，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度因热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心。即在正常火焰传播到达以前先行发火自燃，发出极强的火光，燃烧温度常在4000℃以上，火焰传播速度达200～1000米／秒以上,比正常燃烧的火焰传播速度高几十倍。高速传播的爆震燃烧使气缸内产生压力冲击波,并在气缸壁面上反射和反复冲击,造成强制振动并产生高频噪声，即敲缸现象。压力波的冲击使壁面的气膜减薄，向气缸壁的传热损失增大，结果功率下降，燃料消耗率上升，汽油机过热，冷却水和机油温度增高。持久的爆震破坏气缸壁油膜，加剧气缸壁的磨损，严重时会使机件损坏。第4章汽油机燃料供给系统4.1概述4.1.3可燃混合气形成和燃烧过程第4章汽油机燃料供给系统4.2电控汽油喷射式发动机燃料供给系统概述4.2.1