汽车发动机-汽油机混合气的形成和燃烧课件

第四章第四章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧5-1 汽油机混合气形成及热功转换特点汽油机混合气形成及热功转换特点5-2 汽油机燃烧过程汽油机燃烧过程5-3 汽油机燃料喷射量的控制汽油机燃料喷射量的控制5-4汽油机燃烧组织方式及燃烧室汽油机燃烧组织方式及燃烧室5-4汽油机的有害排放物及其控制汽油机的有害排放物及其控制吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院内燃机实现热功转换的关键问题内燃机实现热功转换的关键问题：混合气形成方式：混合气形成方式 着火方式着火方式 石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源 汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式挥发性好挥发性好外部混合气形成法外部混合气形成法均匀可燃混合气均匀可燃混合气 点燃温度低点燃温度低强制点强制点燃燃火焰传播燃烧火焰传播燃烧方式方式 问题：限制压缩比问题：限制压缩比过高均匀混合气易爆燃；过高均匀混合气易爆燃；所以，热效率低所以，热效率低 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院一、外部混合气形成特点一、外部混合气形成特点燃料供给方式分为：化油器和电控喷射两种方式燃料供给方式分为：化油器和电控喷射两种方式1）化油器式混合气形成原理及特点）化油器式混合气形成原理及特点混合气形成基本原理：混合气形成基本原理：利用空气动力学。利用空气动力学。设置喉管设置喉管加快气流速度加快气流速度 产生喉管真空度产生喉管真空度喷油；喷油；高速空气高速空气冲散、雾化、蒸发冲散、雾化、蒸发 喉管喉管浮子室浮子室高速气流高速气流吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院这种混合气形成方式存在的问题：这种混合气形成方式存在的问题：喉管节流：进气阻力喉管节流：进气阻力，泵气损失，泵气损失 ，v，结冰；，结冰；多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各多缸机一个化油器：各缸进气支管不等长，造成各缸不均匀性较大；缸不均匀性较大；空然比控制精度空然比控制精度 不能满足现代节能与排放法规的要求不能满足现代节能与排放法规的要求淘汰淘汰 被电控汽油喷射技术替代被电控汽油喷射技术替代吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院（1）汽车电子技术发展背景）汽车电子技术发展背景 社会要求：社会要求：2）电控汽油喷射（）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成）式混合气形成航空技术的发展航空技术的发展化油器结冰成为致命缺陷化油器结冰成为致命缺陷1930年德国因战争需要着手开发机械式喷射系统年德国因战争需要着手开发机械式喷射系统 但燃料系统改成机械喷射式成本高，安装不方便但燃料系统改成机械喷射式成本高，安装不方便 为降低成本着手开发电控式汽油喷射系统为降低成本着手开发电控式汽油喷射系统 1945年洛杉矶烟雾事件；年洛杉矶烟雾事件；1960年制定年制定/1965年实施排放年实施排放法规法规重视排放控制技术重视排放控制技术空燃比的控制精度空燃比的控制精度 1883年戴姆勒发明年戴姆勒发明 轻便快速汽油机轻便快速汽油机广泛应用广泛应用吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 技术支撑：技术支撑：半导体技术的发展及应用半导体技术的发展及应用1948年晶体管发明，年晶体管发明，1957年使用化；年使用化；1958年发明集年发明集成（成（IC）电路）电路促进汽车电子技术的发展促进汽车电子技术的发展 1970年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规；年后基于美国发布安全、排放、油耗三大法规；1971年微机问世年微机问世使汽车电子控式技术迅速发展使汽车电子控式技术迅速发展 1972年波许公司开发年波许公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统型质量流量式电控汽油喷射系统 1976年年GM公司开发应用应用点火时期的微机控制技术公司开发应用应用点火时期的微机控制技术控制技术由模拟控制向数字控制化发展控制技术由模拟控制向数字控制化发展 1977年日产年日产/丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制丰田实现用氧传感器对空燃比的反馈控制 1980年三菱推出卡门涡式空气流量计；年三菱推出卡门涡式空气流量计；1981年波许年波许/日日立制作所推出热线式空气流量计立制作所推出热线式空气流量计 电电控控汽汽油油喷喷射射技技术术逐逐渐渐成成熟熟吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院电控汽油喷射的主要优点：电控汽油喷射的主要优点：1 提高了控制自由度，提高了控制自由度，减小进气阻力，改善各减小进气阻力，改善各缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计，缸均匀性；进气管设计可按动力性要求设计，最大限度地提高充气效率。最大限度地提高充气效率。2提高空燃比的控制精度，提高空燃比的控制精度，改善经济性，且配改善经济性，且配合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。合三效催化转化器的应用，有效净化尾气排放。3因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件，故提因汽油喷射雾化，改善混合气形成条件，故提高发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。高发动机加减速等过渡工况响应性和冷起动性。成为现代汽车的主导地位成为现代汽车的主导地位吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院（2）电控汽油喷射（）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点）式混合气形成特点进入气缸的空气量和燃料量分别控制：进入气缸的空气量和燃料量分别控制：空气量空气量空气流量计空气流量计驾驶员控制；驾驶员控制；燃料喷射量燃料喷射量目标空然比目标空然比ECU控制。控制。电控汽油喷射的主要问题：电控汽油喷射的主要问题：根据不同工况下进入气缸的空气量，如何精根据不同工况下进入气缸的空气量，如何精确控制燃料喷射量确控制燃料喷射量控制最佳混合气浓度。控制最佳混合气浓度。关键问题：关键问题：确定不同工况下的目标空燃比；确定不同工况下的目标空燃比；精确控制燃料喷射量。精确控制燃料喷射量。需要精确测量进入气缸的空气量需要精确测量进入气缸的空气量 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 电控汽油喷射系统的混合气控制特点：电控汽油喷射系统的混合气控制特点：由台架试验由台架试验,事先确定不同工况对应的最佳空然比及其事先确定不同工况对应的最佳空然比及其影响因素影响因素制成控制脉谱图，存储于制成控制脉谱图，存储于ECU的的ROM中。中。由专门进气流量测量装置，测量每一工况进入气缸的由专门进气流量测量装置，测量每一工况进入气缸的空气量，作为控制喷油量的主要依据。空气量，作为控制喷油量的主要依据。ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、燃油喷射量；燃油喷射量；控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压控制喷油器通电脉宽，按一定喷射压力喷射雾化，完成混合气的形成过程。力喷射雾化，完成混合气的形成过程。质量流量计、进气压力传感器质量流量计、进气压力传感器/温度传感器以及转速传感器，温度传感器以及转速传感器，吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院二、缸内直喷（二、缸内直喷（GDI）式混合气形成：）式混合气形成：由控制目的不同，由控制目的不同，GDI系统混合气形成特点不同：系统混合气形成特点不同：用三效催化装置降低排放角度用三效催化装置降低排放角度均质的理论空燃均质的理论空燃比为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用缸比为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用缸内适当气流形成均匀混合气。内适当气流形成均匀混合气。控制法与控制法与PFI同同以节能排放为目的的稀薄燃烧过程时，需要在气以节能排放为目的的稀薄燃烧过程时，需要在气缸内形成缸内形成A/F的梯度分布的梯度分布 缸内滚流缸内滚流+喷射时刻喷射时刻（压缩）；喷射压力为（压缩）；喷射压力为25MPa GDI混合气形成特点：混合气形成特点：无气道黏附油膜现象，无气道黏附油膜现象，节省额外耗油，节省额外耗油，起动性、响应性及起动性、响应性及A/F的控制精确的控制精确 缸内雾化、气化吸热缸内雾化、气化吸热有利于有利于 充气效率。充气效率。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院三、混合气浓度与发动机性能的关系三、混合气浓度与发动机性能的关系 1）混合气浓度对发动机性能的影响）混合气浓度对发动机性能的影响理论上：理论上：a=1时完全燃烧，时完全燃烧，实际上：实际上：a=1.031.15时接近完全燃烧时接近完全燃烧 因缸内混因缸内混 合气非均匀；残余废气稀释作用直接影响燃烧。合气非均匀；残余废气稀释作用直接影响燃烧。称此混合气为经济混合气称此混合气为经济混合气 ab。a1.031.15时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，时：富氧，可完全燃烧；但燃料密度小，放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度放热少，燃烧压力和温度低，燃烧速度动力性、动力性、经济性下降，经济性下降，NOx排放也降低。排放也降低。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 a=1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；时：混合气过稀，燃料分子间距增大；氧化速率氧化速率，放热，放热散热散热 热量不能积累；热量不能积累；火焰难传播而熄火。火焰难传播而熄火。称该混合气浓度为着火下限。称该混合气浓度为着火下限。a=0.80.9时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够时：燃料密度相对较高，氧气浓度足够 燃烧速率最快，热损失最小燃烧速率最快，热损失最小 动力性最好。动力性最好。称此混合气为功率混合气称此混合气为功率混合气 aP。但但因不完全燃烧因不完全燃烧be、CO、HC 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 a40mJ;作用：形成火焰中心作用：形成火焰中心使火焰传播。使火焰传播。要求：尽可能短、稳定。要求：尽可能短、稳定。影响因素：影响因素：a，缸内，缸内T、p，气流运动，火花能，气流运动，火花能，残气等残气等 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院(1)燃料特性和燃料特性和 a：碳链长的烷烃类成分越多自然碳链长的烷烃类成分越多自然性越好，性越好，i越短。当越短。当 a=0.80.9时时，反应速率最，反应速率最快，快，i最短。最短。(2)点火时刻气缸内的点火时刻气缸内的p和和T：越高，越高，p()和和T越高越高反应速度越快反应速度越快 i。但。但 受爆震限制。受爆震限制。(3)r：残余废气是惰性气体其热容高。残余废气是惰性气体其热容高。r，化学，化学反应速度反应速度，i 。(4)缸内气流强度：缸内气流缸内气流强度：缸内气流使使火焰中心偏离电火焰中心偏离电极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损失就增加，失就增加，i 。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院(5)点火能量：点火能量：点火能量，电极间隙处的混合气更点火能量，电极间隙处的混合气更容易击穿而导通，容易击穿而导通，i。p 蓄电池蓄电池-点火线圈式点火系统的点火能量：与初级点火线圈式点火系统的点火能量：与初级电流切断之前初级线圈所储蓄的能量电流切断之前初级线圈所储蓄的能量E成正比。即成正比。即 其中，其中，L1：初级线圈自感系数；：初级线圈自感系数；i1：初级电流：初级电流；V：线圈两端电压，：线圈两端电压，R1：初级线圈的阻抗；：初级线圈的阻抗；t：通电时间：通电时间 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院第第II阶段：明显燃烧期，从阶段：明显燃烧期，从2点点p最高最高(3)点点 特点：特点：火焰传遍整个燃烧室火焰传遍整个燃烧室 火焰传播速度取决于：层流火焰速度；火焰传播速度取决于：层流火焰速度；混合气紊流状态；混合气紊流状态；燃烧室形状。燃烧室形状。压力急剧升高，用平均压力上升速度评价：压力急剧升高，用平均压力上升速度评价：明显燃烧期越短，燃烧越快明显燃烧期越短，燃烧越快(等容等容)，经济性动力性愈，经济性动力性愈好；但好；但 p/高高噪声振动大，粗暴。噪声振动大，粗暴。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院第三阶段：后燃期，第三阶段：后燃期，3点点4点，前阶段未燃分解物点，前阶段未燃分解物在膨胀过程中再次氧化的过程。在膨胀过程中再次氧化的过程。来源：缸壁附近，缝隙处，高温分解物等来源：缸壁附近，缝隙处，高温分解物等 后燃越多，排温越高；热效率后燃越多，排温越高；热效率 要求：尽量减少。要求：尽量减少。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院p燃烧过程的主要参数：燃烧过程的主要参数：1pz及其对应曲轴转角及其对应曲轴转角&Tz及其对应曲轴转角：及其对应曲轴转角：pz和和Tz代表燃烧过程中的机械负荷和热负荷；代表燃烧过程中的机械负荷和热负荷；对应曲轴转角位置对应曲轴转角位置评价燃烧过程组织是否及时评价燃烧过程组织是否及时2(dp/d)max及其对应曲轴转角及其对应曲轴转角&(dQ/d)max及及其对应曲轴转角：主要表明燃烧速率的控制情况。其对应曲轴转角：主要表明燃烧速率的控制情况。3放热率曲线面心对应的曲轴转角：表明放热规律放热率曲线面心对应的曲轴转角：表明放热规律的控制情况。即的控制情况。即越小越小燃烧越靠近燃烧越靠近上止点，定容度和上止点，定容度和热效率就越高热效率就越高吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院1层流火焰传播速率层流火焰传播速率SL：指火焰前锋面相对未燃混合气的速度指火焰前锋面相对未燃混合气的速度影响混合影响混合气的质量燃烧速率。气的质量燃烧速率。p 质量燃烧速率定义：单位时间燃烧的混合气量，质量燃烧速率定义：单位时间燃烧的混合气量，即即 主要控制明显燃烧期。主要控制明显燃烧期。2）火焰传播速率）火焰传播速率吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院p影响影响SL的主要因素：的主要因素：燃料特性、气缸内压力和温度状态。燃料特性、气缸内压力和温度状态。用经验公式表示，即用经验公式表示，即 其中，其中，a：过量空气系数；：过量空气系数；p,Tu:分别为火焰前锋面前未燃气体压力和温度分别为火焰前锋面前未燃气体压力和温度 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 a=0.850.95时，时，UT max;功率最大功率最大功率混合气功率混合气 a=1.051.15时，时，UT降低不多降低不多 且有足够氧，促进完全燃烧且有足够氧，促进完全燃烧 经济性最好经济性最好经济混合气经济混合气 a过大，过大，UT太慢，热效率低太慢，热效率低 a 1.31.4时，不能传播，下限；时，不能传播，下限；a t2t1：点火开始到火焰传播末端气体所需时间；点火开始到火焰传播末端气体所需时间；t2：点火开始末端气体自燃所经历时间。点火开始末端气体自燃所经历时间。一切使一切使t1延长、延长、t2缩短的因素，均使爆燃倾向缩短的因素，均使爆燃倾向 外部现象：金属敲击声外部现象：金属敲击声冲击波撞击缸壁；冲击波撞击缸壁；冷却系过热冷却系过热破坏缸壁表面附面层破坏缸壁表面附面层正常燃烧正常燃烧轻微爆振轻微爆振严重爆振严重爆振吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院影响爆燃因素：影响爆燃因素：燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强末端气体状态：末端气体状态：p、T高，易自燃高，易自燃爆振倾向爆振倾向 ；如压缩比如压缩比 负荷转速：负荷转速：n ，传播速度传播速度，爆振倾向爆振倾向；低速大负荷低速大负荷相反，相反，爆振倾向爆振倾向 缸径缸径D：D，传播距离长，传播距离长，爆振倾向爆振倾向。故，汽油机限制大缸径发动机故，汽油机限制大缸径发动机 功率覆盖范围受限制。功率覆盖范围受限制。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2）表面点火）表面点火炽热表面：排气门炽热表面：排气门/火花塞裙火花塞裙部部/积炭等。积炭等。特点：点火时刻不可控制。特点：点火时刻不可控制。早燃：表面点火发生在正常早燃：表面点火发生在正常 点火之前；点火之前；工作粗暴，诱发爆燃；工作粗暴，诱发爆燃；无压力冲击波，低频沉闷声。无压力冲击波，低频沉闷声。后燃：表面点火发生在正常后燃：表面点火发生在正常 点火之后。点火之后。指不靠火花塞而是由燃烧室内炽热表面点燃的指不靠火花塞而是由燃烧室内炽热表面点燃的现象。现象。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院1）a：a=0.850.95时，燃烧速度最大时，燃烧速度最大 Pe、Tz、p/Max;a=1.051.15时，完全燃烧，时，完全燃烧，beMin，NOxMax；a1时时，O2不足，不足，CO；a1.15时，燃烧速度慢，时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧部分燃料来不及完全燃烧;be，HC 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结论：均质混合气结论：均质混合气 a对对燃烧过燃烧过程影响很大，必须严格控制。程影响很大，必须严格控制。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2）点火提前角：）点火提前角：指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。不同点火提前角对燃烧过程影响：不同点火提前角对燃烧过程影响：即每一工况存在最佳点火提前角即每一工况存在最佳点火提前角随工况变化随工况变化最佳点火提前角：最佳点火提前角：Pe Max；be Min；示功图面积最大。示功图面积最大。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院最佳点火时刻的确定方法最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。点火调整特性。点火过早点火过早：压缩负功：压缩负功，pz ,T ,易爆燃；易爆燃；点火过迟点火过迟：燃烧过程在膨胀线上延迟：燃烧过程在膨胀线上延迟传热传热，排温排温 热效率热效率 3）负荷增加，节气门开度）负荷增加，节气门开度，m1 ，r减小；减小；燃烧条件得到改善，燃烧所需时间燃烧条件得到改善，燃烧所需时间t缩短缩短 对应曲轴转角减小对应曲轴转角减小最佳点火提前角最佳点火提前角。但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。但随负荷增大，缸压和温度升高，爆燃倾向增加。=6nt吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院4）转速）转速n：n，缸内湍流强度，缸内湍流强度，火焰传播速度，火焰传播速度；燃烧过程所占时间燃烧过程所占时间t缩短；缩短；爆震倾向爆震倾向。但，由但，由=6nt；随；随n ，t变化量很小，而变化量很小，而 ；最佳点火提前角最佳点火提前角。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院5.3 汽油机燃料喷射量的控制汽油机燃料喷射量的控制混合气形成方式：有化油器，电喷系统：混合气形成方式：有化油器，电喷系统：一、电控汽油喷射系统一、电控汽油喷射系统(EFI)1）EFI(Electronic Fuel Injection)的分类：的分类：根据进气量的测试方式：分为三种：根据进气量的测试方式：分为三种：质量流量式质量流量式 速度密度式：速度密度式：节气门节气门-速度式速度式：热线热线/热膜式热膜式 卡门涡式卡门涡式 板式板式直接测量进直接测量进气质量流量气质量流量由由n和进气压力推和进气压力推测进气流量测进气流量 节气门开度和节气门开度和n推测进气流量推测进气流量 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院根据喷射位置：分为两种根据喷射位置：分为两种 缸内直喷式（缸内直喷式（GDI）进气管喷射式（进气管喷射式（PFI）：）：根据喷油器的安装位置，根据喷油器的安装位置，PFI又分为又分为 单点喷射（单点喷射（SPI）淘汰淘汰 多点喷射（多点喷射（MPI）主流主流 喷油器受燃气的高温、喷油器受燃气的高温、高压的影响，而且在结高压的影响，而且在结构设计以及布置上要求构设计以及布置上要求保证喷油器的安装空间保证喷油器的安装空间各缸喷油器独立各缸喷油器独立进气管设计自进气管设计自由度大由度大改善各缸均匀性改善各缸均匀性 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院喷射方式的分类：喷射方式的分类：根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射根据喷射时期：分为同期喷射和非同期喷射 p同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定因此因此与发动机转速同步；与发动机转速同步；包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。p非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一非同期喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关的一种随机性喷射方式种随机性喷射方式用于起动、怠速或急加速等用于起动、怠速或急加速等工况，工况，过渡响应特性过渡响应特性。根据喷射压力：分为高压喷射根据喷射压力：分为高压喷射:200kPa 低压喷射：低压喷射：设定值时修正。设定值时修正。修正条件修正条件吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院FTW：当负荷变化率相同：当负荷变化率相同时，若时，若TW不同，因油膜不同，因油膜蒸发量不同，蒸发量不同，a不同，不同，故，需故，需修正。修正。减速修正系数减速修正系数 FDC：原因：减速时，随节气门开度原因：减速时，随节气门开度，进气量，进气量，进气压力，进气压力，管，管内壁表面油膜蒸发内壁表面油膜蒸发，a变浓变浓 修正方法：与修正方法：与FAC相反相反修正区及方向修正区及方向吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院氧传感器反馈修正系数氧传感器反馈修正系数FO：原因：汽油机用三效催化装置只在原因：汽油机用三效催化装置只在 a=1附近，才能附近，才能同时净化同时净化CO、HC和和NOx三项有害排放物。三项有害排放物。故，用故，用O2传感器反馈控制传感器反馈控制 a=1，提高，提高 a的控制精度的控制精度。ZnO2氧传感氧传感器输出特性器输出特性 修正方法：修正方法：a=1的正确判定的正确判定ECU反馈控制。反馈控制。反馈控制反馈控制目标目标A/F吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 学习控制修正系数学习控制修正系数FL：原因：因发动机长原因：因发动机长期使用一些零部件磨期使用一些零部件磨损等使反馈控制的空损等使反馈控制的空燃比偏离目标值的部燃比偏离目标值的部分，分，控制精度控制精度 修正方法：三过程修正方法：三过程a)学习过程：确定学习过程：确定量量b)记忆过程：记忆记忆过程：记忆c)实施过程：修正实施过程：修正吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院学习控制效果：学习控制效果：过渡工况：反馈控制过渡工况：反馈控制无学习控制时无学习控制时加学习控制加学习控制反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级；反馈控制响应性慢：积分速率百分之几秒数量级；发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能发动机高速过渡工况以几十毫秒数量级变化；不能实现理论空燃比的反馈控制。实现理论空燃比的反馈控制。学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 大负荷高转速增量修正系数大负荷高转速增量修正系数FH：原因：大负荷时，要求输出最大转矩原因：大负荷时，要求输出最大转矩需要功率需要功率混合气混合气 a=0.850.95。修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；开度开度80%（设定值）时，停止反馈控制；（设定值）时，停止反馈控制；取取FH=1.18，并开环控制。，并开环控制。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院三、速度密度式三、速度密度式 1进气量的推测原理进气量的推测原理 由充气效率定义：进入气缸的空气质量：由充气效率定义：进入气缸的空气质量：即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，即，通过台架试验确定各工况下的充气效率，实实时检测时检测进气压力和温度，进气压力和温度，求得求得Ga。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2喷油脉宽喷油脉宽Ti的确定：的确定：Ka：进气温度修正系数；：进气温度修正系数；Kw：怠速暖车修正系数：怠速暖车修正系数;Kk：加减速修正系数；：加减速修正系数；Kp：节气门开度修正系数；：节气门开度修正系数；Kf：反馈修正系数；：反馈修正系数；Ks：起动后增量修正及油耗控制修正系数；：起动后增量修正及油耗控制修正系数；Ki：怠速稳定修正系数。：怠速稳定修正系数。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院1）Tp的确定：三维脉谱法的确定：三维脉谱法 试验确定各工况下的充气效试验确定各工况下的充气效率；并根据率；并根据n和进气压力和进气压力p，标定各工况下的标定各工况下的Tp脉谱。脉谱。任任E点点Tp：用：用4点插值法：点插值法：吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2）FC修正系数的确定修正系数的确定 进气温度修正系数进气温度修正系数Ka：原因：因原因：因Tp是在进气温度是在进气温度Ta=20时标定。时标定。当当Ta变化时，取变化时，取 怠速暖车修正系数怠速暖车修正系数Kw:与与FI相同相同修正范围：修正范围：TW=-3090 ，一维脉谱形式。，一维脉谱形式。一般：一般：TW70 时，时，Kw=1；TW30 时，时，Kw=1.2；TW-10 时，时，Kw=1.5吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 加减速修正系数加减速修正系数Kk：修正原理基本与：修正原理基本与FAD相同。相同。方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。方法：同时监测每转进气压力和节气门开度变化量。当其中某一项变化量当其中某一项变化量设定值时，根据超过设定值的设定值时，根据超过设定值的该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同该参数来确定修正系数。当进气压力和节气门开度同时超过设定值时，修正系数取两者较大值。时超过设定值时，修正系数取两者较大值。比较比较吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 节气门开度修正系数节气门开度修正系数Kp：原因：修正原因：修正 v随节气门开度变化随节气门开度变化造成造成 a的偏差量的偏差量修正方法：修正方法：Kp=f(节气门开度节气门开度,n)的三维脉谱形式的三维脉谱形式;设定节点之外，采用设定节点之外，采用4点插值法。点插值法。又，当节气门开度又，当节气门开度某一设定值时，表示需要输出某一设定值时，表示需要输出大功率大功率此时直接取此时直接取Kp=1.18。反馈修正系数反馈修正系数Kf：与：与FO相同相同 Kf=1.20.8 起动、怠速、大负荷修正时起动、怠速、大负荷修正时,停止；并取停止；并取Kf=1吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 起动后增量修正系数和油耗修正系数起动后增量修正系数和油耗修正系数Ks：起动后的增量修正：与起动后的增量修正：与 相同相同以以 HC当当nn1(=400r/min)时，由当时的时，由当时的TWFg0=Ks0 后，随后，随n，Ks。油耗修正：指发动机轻负油耗修正：指发动机轻负荷状态下运转时，将荷状态下运转时，将 a控制控制在比在比 a=1稍微稀薄的范围，稍微稀薄的范围，以达到改善油耗的目的。以达到改善油耗的目的。Ks=1.030.97范围内时，范围内时，从从Ks=1逐渐减小逐渐减小 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 怠速修正系数怠速修正系数Ki：速度：速度-密度式特有方式。密度式特有方式。原因：这种方式原因：这种方式Tp是通过进气压力确定；而在过是通过进气压力确定；而在过渡工况下进气压力的变化相对渡工况下进气压力的变化相对n的变化有迟后现象的变化有迟后现象 当节气门下游进气当节气门下游进气容积容积，或怠速，或怠速n 时，时，这种响应迟后现象更这种响应迟后现象更为严重。为严重。措施：由措施：由Ks与转与转矩变动相反方向矩变动相反方向进行进行 a的修正的修正消除转矩变动消除转矩变动 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院一、对燃烧室的基本要求一、对燃烧室的基本要求燃燃烧烧室室结结构构形形状状:影影响响混混合合气气形形成成、火火焰焰传传播播、放放热规律、传热损失以及爆燃倾向。热规律、传热损失以及爆燃倾向。5.4 汽油机燃烧组织方式及燃烧室汽油机燃烧组织方式及燃烧室所以，要求：所以，要求：1)结构要紧凑结构要紧凑面容比面容比A/V：表征火焰传播距离、：表征火焰传播距离、散热面积以及熄火面积散热面积以及熄火面积；2)良好的充气性能良好的充气性能进气门进气门/进气道布置，进气道布置，流通流通面积，面积，进气阻力进气阻力吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院3)火花塞位置火花塞位置缩短火焰传播距离缩短火焰传播距离排气道排气道双火花塞，双火花塞，抗爆性抗爆性4)可可 组织适当的气流组织适当的气流通过火焰前锋面积，通过火焰前锋面积，控制燃烧速率和放控制燃烧速率和放热速率热速率 进气道进气道吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院二、燃烧室内的气流特性二、燃烧室内的气流特性p燃烧室内宏观气流运动特性的定义：燃烧室内宏观气流运动特性的定义：涡流：绕气缸中心线涡流：绕气缸中心线（z轴）旋转的气流轴）旋转的气流滚流：绕滚流：绕于气缸于气缸中心与缸心距沟成的中心与缸心距沟成的面面(y轴轴)旋转的气流旋转的气流侧滚流：绕侧滚流：绕气气缸中心与缸心距构缸中心与缸心距构成面的（成面的（x轴）旋轴）旋转的气流转的气流吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院p组织燃烧室内气流的方式组织燃烧室内气流的方式:进气系统和燃烧室形状配合进气系统和燃烧室形状配合进气涡流方式进气涡流方式;只通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式只通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式 涡流强度涡流强度螺旋进气道，螺旋进气道，进气阻力，进气阻力，v为代价，为代价，且在压缩过程中衰减。且在压缩过程中衰减。故需随负荷可变控制故需随负荷可变控制 多气门涡流多气门涡流可变方式可变方式大负荷时大负荷时小负荷时小负荷时吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院三、典型燃烧室三、典型燃烧室楔形：结构较紧楔形：结构较紧凑、火焰传播距离凑、火焰传播距离短，挤气面较大短，挤气面较大半球形：结构紧凑，半球形：结构紧凑，A/V值小火焰传播距离值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快最短初期燃烧速率快 浴盆形：椭圆形挤浴盆形：椭圆形挤气效果差，气效果差，A/V值大，值大，火焰传播距离长火焰传播距离长 碗形：结构紧凑，火焰传碗形：结构紧凑，火焰传播距离短，挤气效果好燃播距离短，挤气效果好燃烧室的烧室的A/V较大，散热损失较大，散热损失 活塞顶上的回转体活塞顶上的回转体 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统1）分层燃烧）分层燃烧均匀混合燃烧特点：均匀混合燃烧特点：A/F变化范围窄变化范围窄(=12.617)，且在较高温度下易爆燃且在较高温度下易爆燃限制限制,t ;分层给气燃烧的特点：缸内形成分层给气燃烧的特点：缸内形成A/F梯度分布梯度分布;火花塞附近较浓火花塞附近较浓可靠点燃可靠点燃；A/F梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式梯度分布：靠燃烧室内组织的气流与喷射方式配合实现。配合实现。分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为分层燃烧方式分类：根据燃料喷射方式分为 进气道喷射式和缸内直喷式两种进气道喷射式和缸内直喷式两种。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院（1）进气道喷射式分层给气燃烧方式）进气道喷射式分层给气燃烧方式根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式根据缸内气流特性分为：轴向分层燃烧方式 横向分层燃烧方式横向分层燃烧方式 1轴向分层稀薄燃烧轴向分层稀薄燃烧 关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配A/F可达可达22 晚喷，配合缸内强列涡流，实现晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布的轴向梯度分布 进气初期只有进气初期只有空气进入气缸空气进入气缸强烈涡流强烈涡流 气门达气门达hmax时喷油，靠时喷油，靠涡流涡流上浓下稀分层上浓下稀分层 径向分量径向分量轴分量轴分量大时大时轴向分层轴向分层 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2横向分层稀薄燃烧横向分层稀薄燃烧利用利用4气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶气门机构，采用滚流式进气道，配合活塞顶结构形状，形成滚流。结构形状，形成滚流。喷油器安装在进气支喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气喷油，火花塞布置在气缸中央缸中央 滚流的引导下浓混合气经过滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空火花塞；而火花塞两侧为纯空气，气，形成以火花塞为中心的形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布横向混合气浓度梯度分布 A/F=23，经济性，经济性 68%，NOx 80%吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院(2)缸内直接喷射（缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧）式稀薄燃烧GDI燃烧系统与燃烧系统与PFI的比较的比较 pPFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范围有限。围有限。pGDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内喷油。喷油。更容易控制缸内混合气形成。更容易控制缸内混合气形成。通过喷射时期的通过喷射时期的控制可实现均质控制可实现均质混合气燃烧、分混合气燃烧、分层稀薄燃烧以及层稀薄燃烧以及HCCI吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院1GDI混合气形成机理混合气形成机理关键技术：进气系统和燃烧室形状关键技术：进气系统和燃烧室形状缸内滚流；缸内滚流；高压喷射高压喷射控制喷雾与缸内气流配合；控制喷雾与缸内气流配合；火花塞及喷射位置匹配火花塞及喷射位置匹配 分层混合气的形成方式分层混合气的形成方式3 5MPa喷油器中央布置喷油器中央布置+涡流涡流火花塞中央布置火花塞中央布置+涡流涡流滚流为主滚流为主挤流为主挤流为主吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2GDI燃烧方式的特点燃烧方式的特点 气缸压力气缸压力推迟点火提前角，放热速率推迟点火提前角，放热速率，放热，放热持续时间持续时间 质调节，取消节气门质调节，取消节气门泵气损失泵气损失。油雾缸内蒸发油雾缸内蒸发燃烧室壁面燃烧室壁面T，传热损失，传热损失。v，t。分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，传热损失。传热损失。混合气易分层混合气易分层稳定分层稀燃稳定分层稀燃接近空气循环。接近空气循环。A/F控制及过渡工况控制更精确。控制及过渡工况控制更精确。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院p因车用发动机不同工况对因车用发动机不同工况对A/F要求不同：要求不同：稀燃工稀燃工况范围只限于中小负荷区。况范围只限于中小负荷区。大负荷或全负荷大负荷或全负荷区：进气行程中喷区：进气行程中喷油油目标空燃比目标空燃比实现实现均匀混合气均匀混合气 在中小负荷区：压在中小负荷区：压缩行程后期喷油缩行程后期喷油上浓下稀的分层混上浓下稀的分层混合气。合气。吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院螺旋进气道螺旋进气道或导气屏或导气屏进气涡流进气涡流 顺着气流喷油，喷顺着气流喷油，喷射压力射压力 2MPa气流外缘形成较浓混合气流外缘形成较浓混合气气火花塞安装火花塞安装 位置位置3典型的典型的GDI分层稀燃系统分层稀燃系统 TCCS燃烧系统（燃烧系统（Texaco controlled combustion process）燃气体和未燃气体和未燃气体靠密燃气体靠密度差分离度差分离吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院 GDI滚流分层稀燃系统滚流分层稀燃系统三菱三菱4G型汽油机：型汽油机：早喷射早喷射晚喷射晚喷射纵向直进气道纵向直进气道+半球形半球形燃烧室燃烧室强烈的反滚流强烈的反滚流与喷雾配合，分层与喷雾配合，分层A/F=40，=12 丰田丰田D4型汽油机：型汽油机：通过喷射方式的有效控制通过喷射方式的有效控制和燃烧室内涡流的优化匹和燃烧室内涡流的优化匹配配实现实现A/F=50稳定燃烧稳定燃烧 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2）稀薄燃烧控制）稀薄燃烧控制主要控制目的：主要控制目的：精确控制精确控制A/F，使，使汽车百公里油耗最汽车百公里油耗最低；同时降低排放低；同时降低排放 关键技术：关键技术：A/F精精确控制在确控制在 Ttq允许允许的范围内的范围内 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院控制方法控制方法p空燃比反馈控制法：由空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈控制。传感器反馈控制。空燃比传感器空燃比传感器在在ZrO2固体上施加电压时，固体上施加电压时，产生与排气中的产生与排气中的O2浓度成比例的浓度成比例的O2离子的移离子的移动，从而形成电流，即动，从而形成电流，即 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院p气缸压力反馈控制法：气缸压力反馈控制法：通过气缸压力传感器通过气缸压力传感器检测每循环缸压，检测每循环缸压，求求 Ttq，A/F反馈控制反馈控制使使 Ttq限制在允许范围内限制在允许范围内 步骤：步骤：规定曲轴位置上测缸压规定曲轴位置上测缸压p；N循环循环求求Ttq、Ttq吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院一、汽油机有害排放物及其产生机理一、汽油机有害排放物及其产生机理汽油机的有害排放物：排气中的汽油机的有害排放物：排气中的CO、HC、NOx、CO2；曲轴箱通风向大气排出的；曲轴箱通风向大气排出的HC排放；燃料供排放；燃料供给系中燃料蒸发的给系中燃料蒸发的HC等。等。污染物来源不同，措施不同：污染物来源不同，措施不同：尾气排放尾气排放燃烧系统改进燃烧系统改进+后处理技术；后处理技术；曲轴箱通风曲轴箱通风PCV阀阀回流到进气管；回流到进气管；燃料供给系蒸发物燃料供给系蒸发物活性碳罐吸收装置来控制活性碳罐吸收装置来控制 5.5 汽油机的有害排放物及其控制汽油机的有害排放物及其控制吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院活性碳罐吸收装置活性碳罐吸收装置用活性碳罐吸附燃用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；油系统的蒸发物；在进气过程中随情在进气过程中随情系空气进入气缸。系空气进入气缸。活性炭活性炭活性活性炭罐炭罐单向阀单向阀吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院产生机理：产生机理：N2和和O2在高温下化合的结果在高温下化合的结果 Zeldovich机理机理:因素及措施：因素及措施：O2浓度，燃烧温度浓度，燃烧温度Tz，滞留时间，滞留时间 危害：危害：NO2 是刺激性毒气是刺激性毒气;破坏破坏O3层平衡层平衡 测量方法测量方法:化学发光法化学发光法(CLD)N2分解需较大活分解需较大活化能化能决定决定NO形形成的高温条件成的高温条件 O在在NO形成中起活形成中起活化链作用，所需活化链作用，所需活化能小，反应快化能小，反应快 1）NO吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院2）CO1产生机理及影响因素产生机理及影响因素 C/H不完全燃烧产物不完全燃烧产物受反应速度、温度及受反应速度、温度及 a的的影响影响在在 a 1下燃烧时局部不均匀下燃烧时局部不均匀局部燃烧不完全局部燃烧不完全CO排气中，未燃碳氢化合物排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化不完全氧化少量少量CO 2危害：与血红素的结合能力强，是氧的危害：与血红素的结合能力强，是氧的300倍；倍；破坏造血功能破坏造血功能中毒中毒死亡死亡(0.3%)3.测量方法：不分光红外线分析仪（测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR）吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院3）HC1HC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风来源：尾气、燃油供给系统以及曲轴箱通风汽油机燃烧过程中汽油机燃烧过程中HC的生成：的生成：缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用缸内壁面淬冷效应：壁面对火焰的冷却作用缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效缝隙效应：火焰无法传入缝隙；壁面冷却淬冷效应应，生成大量生成大量HC 缝隙：活塞与缸壁间，缸盖、缸垫和缸体间；缝隙：活塞与缸壁间，缸盖、缸垫和缸体间；进、排气门和气门座间；进、排气门和气门座间；花塞螺纹和火花塞中心电极周围等处花塞螺纹和火花塞中心电极周围等处吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院积碳和壁面油膜的吸附效应：缸壁上的润滑油膜，活积碳和壁面油膜的吸附效应：缸壁上的润滑油膜，活塞顶及燃烧室壁面、进排气门上的积碳塞顶及燃烧室壁面、进排气门上的积碳吸附吸附HC膨胀和排气中释放出来膨胀和排气中释放出来不完全燃烧：不完全燃烧：a1状态，怠速时状态，怠速时 r较大；加减速时混较大；加减速时混合气瞬间过浓或过稀合气瞬间过浓或过稀局部不均匀局部不均匀不完全燃烧不完全燃烧HC。失火：易失火条件失火：易失火条件混合气局部过稀或过浓，或点火混合气局部过稀或过浓，或点火时刻不当以及点火系统出现故障等。时刻不当以及点火系统出现故障等。2危害：阳光下与危害：阳光下与NOx反应反应光化学烟雾；醛类和多光化学烟雾；醛类和多环芳香烃危害大环芳香烃危害大 3.测量方法：氢火焰离子化法（测量方法：氢火焰离子化法（FID）吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院二、影响汽油机排放特性的使用因素二、影响汽油机排放特性的使用因素p排放物是燃烧过程的产物排放物是燃烧过程的产物凡是凡是影响混合气形成影响混合气形成和燃烧条件的因素和燃烧条件的因素影响排放物。影响排放物。1）a的影响的影响 NOx的峰值出现在的峰值出现在 ab=1.031.16 a ab虽虽O2浓度浓度，但，但Tz 过稀：过稀：HC 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院NOxHCbe2）点火提前角的影响）点火提前角的影响 a一定时，一定时，igTz，NOx ；后燃后燃，排温，排温HC ；e 3）转速的影响）转速的影响n燃烧滞留时间燃烧滞留时间,NOx；紊流强度紊流强度；紊流过强紊流过强CO/HC 4）负荷的影响）负荷的影响中小负荷：随负荷中小负荷：随负荷，r ,改善燃烧条件改善燃烧条件CO/HC ;但，但，NOx ；大负荷；大负荷 aP NOx ，CO/HC 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院三、汽油机排放控制技术三、汽油机排放控制技术p机内措施：机内措施：燃烧系统的改善燃烧系统的改善 A/F控制精确，控制精确，GDI技术实现稀燃技术实现稀燃可变技术：进气系统、配气相位、进气涡流及排可变技术：进气系统、配气相位、进气涡流及排量量(休缸休缸)汽油机增压汽油机增压。p后处理：后处理：两级催化转化器两级催化转化器高低温；高低温；电加热催化转化器；电加热催化转化器；三效催化器三效催化器+a=1精确控制；精确控制；稀燃稀燃+NOx还原装置还原装置+EGR技术技术 吉吉林林大大学学汽汽车车学学院院四、汽油机的增压及米勒循环四、汽油机的增压及米勒循环1）汽油机增压存在的主要问题）汽油机增压存在的主要问题 易爆震易爆震热负荷高热负荷高汽油机与增压器的匹配困难汽油机与增压器的匹配困难 2）汽油机与增压器匹配要求：）汽油机与增压器匹配要求：保证额定功率保证额定功率部分工况下具有良好扭矩特性和动态部分工况下具有良好扭矩特性和动态响应特性；保证转矩储备系数；响应特性；保证转矩储备系数；3）米勒循环）米勒循环几何几何 不变，将有效压缩行程缩短不变，将有效压缩行程缩短1/5，但膨胀比不变，但膨胀比不变;米勒循环米勒循环+偶合螺杆压气机，实现增压兼顾高低速。偶合螺杆压气机，实现增压兼顾高低速。