第五章汽油机混合气的形成和燃烧课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 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,5-2 汽油机燃烧过程,5-3 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,5-,5,汽油机的有害排放物及其控制,第五章 汽油机混合气的形成和燃烧5-1 汽油机混合气形成及,1,内燃机实现热功转换的关键问题 ：混合气形成方式,着火方式,石油能源的发现和应用，为内燃机提供了能源,汽油的特点，确定其混合气形成方式和着火方式,挥发性好,外部混合气形成法均匀可燃混合气,点燃温度低,强制点,燃,火焰传播燃烧,方式,问题：限制压缩比,过高均匀混合气易爆燃；,所以，热效率低,内燃机实现热功转换的关键问题 ：混合气形成方式 石油能源的发,2,一、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,1）化油器式混合气形成原理及特点,混合气形成基本原理：,利用空气动力学。,设置喉管,加快气流速度,产生喉管真空度,喷油；,高速空气,冲散、雾化、蒸发,喉管,浮子室,高速气流,一、外部混合气形成特点1）化油器式混合气形成原理及特点设置喉,3,这种混合气形成方式存在的问题：,喉管节流：进气阻力,，泵气损失,，,c,，结冰；,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；,空,燃,比控制精度,不能满足现代节能与排放法规的要求,淘汰,被电控汽油喷射技术替代,这种混合气形成方式存在的问题：不能满足现代节能与排放法规的要,4,（1）汽车电子技术发展背景,社会要求：,2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成,航空技术的发展,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,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,1945年洛杉矶烟雾事件；1960年制定/1965年实施排放法规,重视排放控制技术,空燃比的控制精度,1883年戴姆勒发明 轻便快速汽油机,广泛应用,（1）汽车电子技术发展背景2）电控汽油喷射（EFI）式混合气,5,技术支撑：,半导体技术的发展及应用,1948年晶体管发明，1957年使用化；1958年发明集成（IC）电路,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； 1971年微机问世,使汽车电子控式技术迅速发展,1972年波许公司开发L-J型质量流量式电控汽油喷射系统,1976年GM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,1977年日产/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；1981年波许/日立制作所推出热线式空气流量计,电控汽油喷射技术逐渐成熟,技术支撑：半导体技术的发展及应用1948年晶体管发明，19,6,电控汽油喷射的主要优点：,1 提高了控制自由度，,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，,最大限度地提高充气效率。,2提高空燃比的控制精度，,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。,3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。,成为现代汽车的主导地位,电控汽油喷射的主要优点：成为现代汽车的主导地位,7,（2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点,进入气缸的空气量和燃料量分别控制：,空气量,空气流量计驾驶员控制；,燃料喷射量目标空然比ECU控制。,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，如何精确控制燃料喷射量,控制最佳混合气浓度。,关键问题：,确定不同工况下的目标空燃比；,精确控制燃料喷射量。,需要精确测量进入气缸的空气量,（2）电控汽油喷射（EFI）式混合气形成特点进入气缸的空气量,8,电控汽油喷射系统的混合气控制特点：,由台架试验,事先确定不同工况对应的最佳空然比及其影响因素,制成控制脉谱图，存储于ECU的ROM中。,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。,ECU根据传感器信息，判断演算工况、目标空燃比、燃油喷射量；,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。,质量流量计、进气压力传感器/温度传感器以及转速传感器，,电控汽油喷射系统的混合气控制特点： 由台架试验,事先确定,9,二、缸内直喷（GDI）式混合气形成：,由控制目的不同， GDI系统混合气形成特点不同：,用三效催化装置降低排放角度,均质的理论空燃比为控制目的时：进气过程某一时刻喷油，利用缸内适当气流形成均匀混合气。,控制法与PFI同,以节能排放为目的的稀薄燃烧过程时，需要在气缸内形成A/F的梯度分布,缸内滚流+喷射时刻（压缩）；喷射压力为25MPa,GDI混合气形成特点：,无气道黏附油膜现象，节省额外耗油，,起动性、响应性及A/F的控制精确,缸内雾化、气化吸热,有利于,充气效率。,二、缸内直喷（GDI）式混合气形成：用三效催化装置降低排放角,10,三、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,理论上：,a,=1时完全燃烧，,实际上：,a,=1.031.15时接近完全燃烧,因缸内混,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,ab,。,a,1.031.15,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,动力性、经济性下降，NOx排放也降低。,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,11,a,=1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大；,氧化速率,，放热散热,热量不能积累；,火焰难传播而熄火。,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,燃烧速率最快，热损失最小,动力性最好。,称此混合气为功率混合气,a,P,。,但,因不完全燃烧,be,、CO、HC,a =1.31.4时：混合气过稀，燃料分子间距增大； ,12,a,0.80.9时：混合气过浓，氧气不够；,燃料不完全燃烧,放热,，燃烧速率,；,动力性/经济性,；,缸内易积碳，CO,，冒烟,。,a,=0.40.5时：严重缺氧，大部分燃料不能燃烧；,火焰不能传播而熄火。,称此混合气为着火上限。,对应最佳动力性和最佳经济性的A/F不一致；,存在混合气浓度的着火界限范围。汽油,a,=0.41.4,a40mJ;,作用：形成火焰中心,使火焰传播。,要求：尽可能短、稳定。,影响因素：,a,，缸内,T,、,p,，,气流运动，火花能，,残气等,二、正常燃烧过程 1）正常燃烧过程,19,(1) 燃料特性和,a,：,碳链长的烷烃类成分越多自然性越好，,i,越短。当,a,=0.80.9时,，反应速率最快，,i,最短。,(2)点火时刻气缸内的,p,和,T,：,越高，,p,(,)和,T,越高,反应速度越快,i,。但,受爆震限制。,(3),r,：,残余废气是惰性气体其热容高。,r,，化学反应速度,，,i,。,(4)缸内气流强度：缸内气流,使,火焰中心偏离电极间隙处。火花塞附近气流过强，火焰中心散热损失就增加，,i,。,(1) 燃料特性和a： 碳链长的烷烃类成分越多自然性越好，,20,(5)点火能量：,点火能量，电极间隙处的混合气更容易击穿而导通，,i,。,蓄电池-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,E,成正比。即,其中，,L,1,：初级线圈自感系数；,i,1,：初级电流 ；,V,：线圈两端电压，,R,1,：初级线圈的阻抗；,t,：通电时间,(5)点火能量：点火能量，电极间隙处的混合气更容易击穿而导,21,第II阶段：明显燃烧期，从2点,p,最高(3)点,特点： 火焰传遍整个燃烧室,火焰传播速度取决于：层流火焰速度；,混合气紊流状态；,燃烧室形状。,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(等容)，经济性动力性愈,好；但,p/高噪声振动大，粗暴。,第II阶段：明显燃烧期，从2点p最高(3)点,22,第三阶段：后燃期，3点4点，前阶段未燃分解物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,后燃越多，排温越高；热效率,要求：尽量减少。,第三阶段：后燃期，3点4点，前阶段未燃分解物在膨胀过程中再,23,燃烧过程的主要参数：,1,p,z,及其对应曲轴转角&Tz及其对应曲轴转角：,p,z,和Tz代表燃烧过程中的机械负荷和热负荷；,对应曲轴转角位置,评价燃烧过程组织是否及时,2(d,p,/d,),max,及其对应曲轴转角& (d,Q,/d,),max,及其对应曲轴转角：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：表明放热规律的控制情况。即,越小,燃烧越靠近上止点，定容度和热效率就越高,燃烧过程的主要参数：越小燃烧越靠近上止点，定容度和热效率就,24,1层流火焰传播速率,S,L,：,指火焰前锋面相对未燃混合气的速度,影响混合气的质量燃烧速率。,质量燃烧速率定义：单位时间燃烧的混合气量，即,主要控制明显燃烧期。,2）火焰传播速率,1层流火焰传播速率SL：2）火焰传播速率,25,影响,S,L,的主要因素：,燃料特性、气缸内压力和温度状态。,用经验公式表示，即,其中，,a,：过量空气系数；,p,T,u,:分别为火焰前锋面前未燃气体压力和温度,影响SL的主要因素：其中，a：过量空气系数；,26,a,=0.850.95时，,S,L,max;,功率最大功率混合气,a,=1.051.15时，,S,L,降低不多,且有足够氧，促进完全燃烧,经济性最好,经济混合气,a,过大，,S,L,太慢，热效率低,a,1.31.4时，不能传播，下限；,a,t,2,t,1,：点火开始到火焰传播末端气体所需时间；,t,2,： 点火开始末端气体自燃所经历时间。一切使,t,1,延长、,t,2,缩短的因素，均使爆燃倾向,外部现象：金属敲击声,冲击波撞击缸壁；,冷却系过热,破坏缸壁表面附面层,正常燃烧,轻微爆振,严重爆振,产生爆振的条件： t1 t2t1：点火开始到火焰传播末端,37,影响爆燃因素：,燃料的性质：辛烷值高，抗爆性强,末端气体状态：,p,、,T,高，易自燃,爆振倾向,；如压缩比,负荷转速：,n,，传播速度，,爆振倾向,；,低速大负荷相反，,爆振倾向,缸径D：D，传播距离长，,爆振倾向,。,故，汽油机限制大缸径发动机,功率覆盖范围受限制。,影响爆燃因素：故，汽油机限制大缸径发动机,38,2）表面点火,炽热表面：排气门/火花塞裙部/积炭等。,特点：点火时刻不可控制。,早燃：表面点火发生在正常,点火之前；,工作粗暴，诱发爆燃；,无压力冲击波，低频沉闷声。,后燃：表面点火发生在正常,点火之后,，火焰前锋正常,。,指不靠火花塞而是由燃烧室内炽热表面点燃的现象。,2）表面点火炽热表面：排气门/火花塞裙部/积炭等。 指不靠火,39,1）,a,：,a,=0.850.95,时，燃烧速度最大,P,e,、,T,z,、,p,/,Max;,a,=1.051.15,时，完全燃烧，,b,e,Min，NOxMax；,a,1时,，O,2,不足，CO；,a,1.15,时，燃烧速度慢，部分燃料来不及完全燃烧;,b,e,，HC ,四、使用因素对燃烧过程的影响,结论：均质混合气,a,对,燃烧过程影响很大，必须严格控制。,1）a：四、使用因素对燃烧过程的影响结论：均质混合气a对,40,ig1,过大(点火过早),经过着火落后期后，最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前。最高压力及压力升高率过大，活塞上行消耗的压缩功增加、发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。,ig2,过小,(,点火过迟,),经过着火落后期后，燃烧开始时，活塞已向下止点移动相当距离，使混合气燃烧在较大容积下进行，炽热的燃气与缸壁接触面积大，散热损失增多。最高压力降低，且膨胀不充分，使排气温度过高，发动机过热，功率下降，耗油量增多。,ig3,比较适当。压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内。,p-v,示,功图,中,1比3多做了一部分压缩功又减少了一部分膨胀功,；,2的膨胀线虽然比3的高些，但最高压力点低，只有3的面积最大，完成的循环最多，发动机的动力性、经济性最好。,2）点火提前角：,指火花塞跳火时刻到上止点的曲轴转角。,ig1过大(点火过早),经过着火落后期后，最高燃烧压力出现,41,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,随工况变化,最佳点火提前角：,Pe,Max；,be,Min；,示功图面积最大。,第五章汽油机混合气的形成和燃烧课件,42,最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。,点火过早,：压缩负功,，pz ,T ,易爆燃；,点火过迟,：燃烧过程在膨胀线上延迟传热，,排温,热效率,3）负荷增加，节气门开度，,m,1,，,r,减小；,燃烧条件得到改善，燃烧所需时间,t,缩短,对应曲轴转角减小,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。,=6,nt,最佳点火时刻的确定方法点火调整特性。3）负荷增加，节气门,43,4）转速,n,：,n,，缸内湍流强度，火焰传播速度；,燃烧过程所占时间,t,缩短；,爆震倾向。,但，由,=6,nt,；随,n,，,t,变化量很小，而,；,最佳点火提前角。,4）转速n：n，缸内湍流强度，火焰传播速度；,44,5.3 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：,一、电控汽油喷射系统(EFI),1） EFI (Electronic Fuel Injection)的分类：,根据进气量的测试方式：分为三种：,质量流量式,速度密度式：,节气门-速度式,：,热线/热膜式,卡门涡式,板式,直接测量进气质量流量,由,n,和进气压力推测进气流量,节气门开度和,n,推测进气流量,5.3 汽油机燃料喷射量的控制混合气形成方式：有化油器，电,45,根据喷射位置：分为两种,缸内直喷式（GDI）,喷油器受燃气的高温、高压的影响，而且在结构设计以及布置上要求保证喷油器的安装空间,根据喷射位置：分为两种喷油器受燃气的高温、高压的影响，而且在,46,进气管喷射式（PFI）：,根据喷油器的安装位置，PFI又分为,单点喷射（SPI）,淘汰,多点喷射（MPI）,主流,各缸喷油器独立,进气管设计自由度大,改善各缸均匀性,进气管喷射式（PFI）：各缸喷油器独立进气管设计自由度大,47,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,同期喷射：喷射时刻由曲轴转角位置确定,因此与发动机转速同步；,包括：顺序喷射、同时喷射、分组喷射。,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,用于起动、怠速或急加速等工况，过渡响应特性,。,根据喷射压力：分为高压喷射:,200kPa,多点,低压喷射：200k,48,2）EFI系统的组成：,功用：根据进气量，准确控制喷油器喷油量,组成：三个系统,空气系统,：控制并计量进入气缸的空气量；,燃料系统,：由ECU指令正确控制喷油量；,控制系统,：由传感器信息，正确判断工况，,并计量控制量；,输出给执行器。,2）EFI系统的组成：,49,空气系统：空气滤器,空气流量计,节气门体,(,空气阀),稳压箱,（气缸）,保证一定量的清洁空气进入气缸 。,燃料系统：燃油箱,燃油泵,滤清器,调压器,喷油器。,将清洁的一定量燃油定时定压地喷入气缸。,控制系统：由传感器、输入/输出电路以及微机等组成,控制系统的指挥部。,确定喷油器的开启时刻和关闭时刻,控制喷射时刻和喷射脉宽。,量调,喷射压力=250300kPa,空气系统：空气滤器空气流量计节气门体 量调喷射压力=25,50,二、质量流量式EFI喷射量的控制,1目标空燃比的确定,综合各工况下的动力性、过渡响应性、排气净化特性、燃油消耗率来确定；,采用三效催化器时：目标空燃比,理论空燃比。,根据：进入气缸的实际空气流量,各工况的,目标空燃比,控制喷油量,采用GDI时：目标空燃比取决于稀燃控制技术水平,二、质量流量式EFI喷射量的控制1目标空燃比的确定根据：进,51,1)质量流量计：(a)热线式,2进入气缸的空气量的确定,电路,温度传感器,热线,采样管,原理：热线产生的热向周围的散热,式中，T,H,:热线温度;,A,:热线传热面积;,T,a,:空气温度;,I,:热线电流;,V,:热线两端电压,1)质量流量计：(a)热线式2进入气缸的空气量的确定电路温,52,当（,T,H,-T,a,）保持一定时,G,kg/s,V,即，热线电流的大小与空气质量流量,q,m,成比例。,由惠斯顿电桥控制热线电流,温差（,T,H,- T,a,）一定，则测量热线电流的大小,求得,q,m,当（TH -Ta）保持一定时G kg/sV即，热线电流,53,(b)卡门涡式：,光电晶体管,导压孔,涡发生体,管路,LED,-,卡门涡,机理：层流中卡门涡频率与层流速度成正比,S,r,:斯特劳赫尔常数，,当雷诺数Re=1010,4,时，,S,r,=(0.1380.148)；,d,:涡发生体的特征尺寸；,V,:层流速度。,整流器的目的：将进气整流，使Re=1010,4, 标准大气条件：p0,T,55,3喷油量的控制,喷油量:=实际进入气缸的空气量/目标空燃比，即,G,f,：取决于喷孔直径、孔数、针阀升程、喷射压力和喷射脉宽(Ti),当喷油器结构确定，喷射压力为常数时：,K,0,：与喷油器结构有关,喷油量的控制,喷射脉宽Ti的控制,3喷油量的控制Gf：取决于喷孔直径、孔数、针阀升程、喷射压,56,T,i,的确定：,T,p,：基本喷射时间,标准条件下由目标空燃比确定；,F,c,:,T,p,的修正系数；,T,v,: 喷油器的无效喷射时间。,Ti的确定：Tp：基本喷射时间标准条件下由目标空燃比确定；,57,由于,T,O,随电源电压,而,，,Tv,随电源电压变化，,故根据电源电压进行修正,T,i,。,a),T,p,的确定,热线式流量计：,q,m,:,空气的,质量流量；,K,0,：常数；,q,m,/n,：每转进入气缸的空气质量 。,喷油器是按每转喷射,由于TO随电源电压而，Tv随电源电压变化，故根据电源,58,因热线式流量计输出信号响应特性好,受到进气压力脉动的影响；,为提高控制精度，以比进气脉动频率更快的采样速度，对空气流量计输出信号进行A/D转换；,按点火间隔时间进行平均化处理,求进气行程中平均输出信号。,热线式空气流量计的输出电压与空气质量流量关系为非线性，,需先进行线性化处理,q,m,L,，然后再求出基本喷射时间。即,因热线式流量计输出信号响应特性好受到进气压力脉动的影响；,59,卡门涡式流量计：,设 标准大气状态,p,0,=101kPa、,T,0,=293K；,由,则，进气温度和大气压力的修正量：,卡门涡式流量计： 则，进气温度和大气压力的修正量：,60,第五章汽油机混合气的形成和燃烧课件,61,b）,F,c,的确定,根据进气量的测量方式,F,c,的确定方法有所不同。,质量流量式EFI，主要考虑5个方面的因素：,其中，,F,ET,：温度修正系数,F,AD,：加减速修正系数,F,O,：氧传感器修正系数,F,L,：学习修正系数,F,H,：大负荷修正系数,b）Fc的确定其中，FET：温度修正系数,62,F,ET,：温度修正系数,因温度不同，影响雾化质量,影响混合气浓度。,低温时，雾化蒸发不良,混合气过稀,熄火。,高温时，燃油易蒸发,“汽阻”现象,影响高温再起动性。,起动后增量修正系数 ：低温起动时，着火后数十秒内进行的增量修正,。,主要修正进气门、气缸壁因表面温度低,油膜蒸发量的部分,修正方法,修正时间, FET：温度修正系数 主要修正进气门、气缸壁因表面温度低,63,怠速暖车增量修正系数,F,I,：,修正起动后，进气门、气缸壁表面温度、冷却水温,T,W,随时间而,时,，油膜蒸发作用不同造成的混合气偏稀的部分。,与 同时进行修正。但 是在起动后数十秒内修正过程结束；而,F,I,则一直修正到,T,W,达到规定温度为止。,怠速暖车增量修正系数FI： 与 同时进行修正。但,64,高温修正系数,F,T,：,指汽车大负荷高速行驶后停车1030分钟后再起动的23分钟时间内的加浓修正,原因：高速行驶时，迎面风冷却,油温低。但停车后，发动机作为热源而散热,却无冷却风,发动机室温度,，,油温达,80100；,喷咀内“汽泡”,a,过稀,无法再起动。,加浓修正区：,TW100,高温修正系数FT：加浓修正区：,65,加减速修正系数,F,AD,：,加速修正系数,F,AC,：,原因：加速时，随节气门开度,，进气量,，进气,压力,，,管内壁表面油膜蒸发速率,；,造成缸内,a,变稀。,修正方法：考虑负荷（,F,DL1,）和冷却水温（,F,TW,）,两个影响因素，即,F,DL,1,：当进气量/节气门开度变化率设定值时修正。,修正条件,加减速修正系数FAD：FDL1：当进气量/节气门开度变化率,66,F,TW,：当负荷变化率相同时，若,T,W,不同，因油膜蒸发量不同，,a,不同，故，需,修正。,减速修正系数,F,DC,：,原因：减速时，随节气门开度,，进气量,，进气压力,，管内壁表面油膜蒸发,，,a,变浓,修正方法：与,F,AC,相反,修正区及方向,FTW：当负荷变化率相同时，若TW不同，因油膜蒸发量不同，,67,氧传感器反馈修正系数,F,O,：,原因：汽油机用三效催化装置只在,a,=1,附近，才能同时净化CO、HC和NOx三项有害排放物。,故，用O,2,传感器反馈控制,a,=1，提高,a,的控制精度,。,ZnO,2,氧传感器输出特性,修正方法：,a,=1的正确判定ECU反馈控制。,反馈控制,目标A/F,氧传感器反馈修正系数FO：ZnO2氧传感器输出特性 修正方,68, 学习控制修正系数,F,L,：,原因：因发动机长期使用一些零部件磨损等使反馈控制的空燃比偏离目标值的部分，,控制精度,修正方法：三过程,a)学习过程：确定,量,b)记忆过程：记忆,c)实施过程：修正, 学习控制修正系数FL： 原因：因发动机长期使用一些零部件,69,学习控制效果：,过渡工况：反馈控制无学习控制时,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；,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。,学习控制：响应迅速，可实现理论空燃比控制,学习控制效果：过渡工况：反馈控制无学习控制时加学习控制反馈控,70, 大负荷高转速增量修正系数,F,H,：,原因：大负荷时，要求输出最大转矩,需要功率混合气,a,=0.850.95,。,修正方法：由节气门开度传感器判断全负荷状态；,开度80%（设定值）时，停止反馈控制；,取,F,H,=1.18，并开环控制。, 大负荷高转速增量修正系数FH：修正方法：由节气门开度传感,71,三、速度密度式,1进气量的推测原理,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，,实时检测,进气压力和温度，,求得,G,a,。,三、速度密度式 1进气量的推测原理即，通过台架试验确定各工,72,2喷油脉宽,T,i,的确定：,K,a,：进气温度修正系数；,K,w,：怠速暖车修正系数;,K,k,：加减速修正系数；,K,p,：节气门开度修正系数；,K,f,：反馈修正系数；,K,s,：起动后增量修正及油耗控制修正系数；,K,i,：怠速稳定修正系数。,2喷油脉宽Ti的确定：Ka：进气温度修正系数；,73,1）,T,p,的确定：三维脉谱法,试验确定各工况下的充气效率；并根据,n,和进气压力,p,，标定各工况下的,T,p,脉谱。,任,E,点,T,p,：用4点插值法：,1）Tp的确定：三维脉谱法 试验确定各工况下的充气效率；并根,74,2）FC修正系数的确定,进气温度修正系数,Ka,：,原因：因Tp是在进气温度,T,a,=20时标定。,当,T,a,变化时，取, 怠速暖车修正系数,K,w,: 与,F,I,相同,修正范围：,T,W,=-3090 ，一维脉谱形式。,一般：,T,W,70 时，,Kw,=1；,T,W,30 时，,Kw,=1.2；,T,W,-10 时，,Kw,=1.5,2）FC修正系数的确定 怠速暖车修正系数Kw: 与FI相同,75, 加减速修正系数,Kk,：修正原理基本与,F,AD,相同。,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时超过设定值时，修正系数取两者较大值。,比较, 加减速修正系数Kk：修正原理基本与FAD相同。 方法：,76, 节气门开度修正系数,Kp,：,原因：修正,v,随节气门开度变化,造成,a,的偏差量,修正方法：,Kp,=,f,(节气门开度,n,)的三维脉谱形式;,设定节点之外，采用4点插值法。,又，当节气门开度某一设定值时，表示需要输出大功率,此时直接取,Kp,=1.18。, 反馈修正系数,K,f,：与,F,O,相同,K,f,=1.20.8,起动、怠速、大负荷修正时,停止；并取,Kf,=1, 节气门开度修正系数Kp： 反馈修正系数Kf：与FO相,77, 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 相同,以 HC,当,n,n,1,(=400r/min)时，由当时的,T,W,F,g,0,=,K,s,0,后，随,n,，,Ks,。,油耗修正：指发动机轻负荷状态下运转时，将,a,控制在比,a=1,稍微稀薄的范围，以达到改善油耗的目的。,Ks,=1.030.97范围内时，从,Ks=,1,逐渐减小, 起动后增量修正系数和油耗修正系数Ks：当nn1(=40,78, 怠速修正系数,Ki,：速度-密度式特有方式。,原因：这种方式,Tp,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,n,的变化有迟后现象,当节气门下游进气容积,，或怠速n,时，这种响应迟后现象更为严重。,措施：由,Ks,与转矩变动相反方向进行,a,的修正,消除转矩变动, 怠速修正系数Ki：速度-密度式特有方式。当节气门下游进气,79,一、对燃烧室的基本要求,燃烧室结构形状:,影响混合气形成、火焰传播、放热规律、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,所以，要求：,1) 结构要紧凑,面容比A/V：表征火焰传播距离、散热面积以及熄火面积 ；,2) 良好的充气性能,进气门/进气道布置，流通面积，进气阻力,一、对燃烧室的基本要求5.4 汽油机燃烧组织方式及燃烧室,80,3) 火花塞位置,缩短火焰传播距离,排气道,双火花塞，,抗爆性,4) 可 组织适当的气流,通过火焰前锋面积，控制燃烧速率和放热速率,进气道,3) 火花塞位置缩短火焰传播距离排气道双火花塞，抗爆性4,81,二、燃烧室内的气流特性,燃烧室内宏观气流运动特性的定义：,涡流：绕气缸中心线（z轴）旋转的气流,滚流：绕,于气缸中心与缸心距,构,成的面(y轴)旋转的气流,侧滚流：绕,气缸中心与缸心距构成面的（x轴）旋转的气流,二、燃烧室内的气流特性燃烧室内宏观气流运动特性的定义：涡流：,82,组织燃烧室内气流的方式:进气系统和燃烧室形状配合,进气涡流方式;,通过燃烧室形状在压缩过程中形成挤流方式,涡流强度螺旋进气道，,进气阻力，,c,为代价，,且在压缩过程中衰减。,故需随负荷可变控制,多气门涡流可变方式,大负荷时,小负荷时,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涡流,83,三、典型燃烧室,楔形：结构较紧凑、火焰传播距离短，挤气面较大,半球形：结构紧凑，A/V值小火焰传播距离最短初期燃烧速率快,浴盆形：椭圆形挤气效果差，A/V值大，火焰传播距离长,碗形：结构紧凑，火焰传播距离短，挤气效果好燃烧室的A/V较大，散热损失,活塞顶上的回转体,三、典型燃烧室楔形：结构较紧凑、火焰传播距离短，挤气面较大半,84,四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统,1）分层燃烧,均匀混合燃烧特点：A/F变化范围窄(=12.617)，且在较高温度下易爆燃,限制, ,t,;,分层给气燃烧的特点：缸内形成A/F梯度分布;,火花塞附近较浓,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配合实现。,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 。,四、汽油机分层给气和稀薄燃燃烧系统1）分层燃烧 分层燃烧方式,85,（1）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,横向分层燃烧方式,1轴向分层稀薄燃烧,关键技术：喷射时期与缸内气流的匹配,A/F可达22,晚喷，配合缸内强列涡流，实现A/F的轴向梯度分布,进气初期只有空气进入气缸,强烈涡流,气门达h,max,时喷油，靠涡流,上浓下稀分层,径向分量轴分量大时,轴向分层,（1）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,86,2横向分层稀薄燃烧,利用4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。,喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间喷油，火花塞布置在气缸中央,滚流的引导下浓混合气经过火花塞；而火花塞两侧为纯空气，,形成以火花塞为中心的横向混合气浓度梯度分布,A/F=23，经济性,68%，NOx,80%,2横向分层稀薄燃烧 喷油器安装在进气支管，向两个进气门之间,87,(2) 缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧,GDI燃烧系统与PFI的比较,PFI：保留节气门；进气道喷射形成油膜；稀燃范围有限。,GDI：将喷油器安装在气缸盖上直接向燃烧室内喷油。,更容易控制缸内混合气形成。,通过喷射时期的控制可实现均质混合气燃烧、分层稀薄燃烧以及HCCI,(2) 缸内直接喷射（GDI）式稀薄燃烧GDI燃烧系统与PF,88,1GDI混合气形成机理,关键技术：进气系统和燃烧室形状,缸内滚流；,高压喷射,控制喷雾与缸内气流配合；,火花塞及喷射位置匹配,分层混合气的形成方式,3 5MPa,喷油器中央布置+涡流,火花塞中央布置+涡流,滚流为主,挤流为主,1GDI混合气形成机理分层混合气的形成方式3 5MPa喷,89,2GDI燃烧方式的特点,气缸压力,推迟点火提前角，放热速率,，放热持续时间,质调节，取消节气门,泵气损失,。,油雾缸内蒸发,燃烧室壁面T,，传热损失,。,c,，,，,t,。,分层混合燃烧，外围稀混合气对火焰起隔热作用，,传热损失。,混合气易分层,稳定分层稀燃,接近空气循环。,A/F控制及过渡工况控制更精确。,2GDI燃烧方式的特点,90,因车用发动机不同工况对A/F要求不同：,稀燃工况范围只限于中小负荷区。,大负荷或全负荷区：进气行程中喷油,目标空燃比,实现,均匀混合气,在中小负荷区：压缩行程后期喷油,上浓下稀的分层混合气。,因车用发动机不同工况对A/F要求不同：稀燃工况范围只限于中,91,螺旋进气道或导气屏,进气涡流,顺着气流喷油，喷射压力 2MPa,气流外缘形成较浓混合气,火花塞安装 位置,3典型的GDI分层稀燃系统, TCCS燃烧系统（Texaco controlled combustion process）,燃气体和未燃气体靠密度差分离,螺旋进气道或导气屏进气涡流 顺着气流喷油，喷射压力 2M,92, GDI滚流分层稀燃系统,三菱4G型汽油机：,早喷射,晚喷射,纵向直进气道+半球形燃烧室,强烈的反滚流,与喷雾配合，分层A/F=40，=12,丰田D4型汽油机：,通过喷射方式的有效控制和燃烧室内涡流的优化匹配,实现A/F=50稳定燃烧, GDI滚流分层稀燃系统三菱4G型汽油机： 早喷射晚喷射纵,93,2）稀薄燃烧控制,主要控制目的：精确控制A/F，使汽车百公里油耗最低；同时降低排放,关键技术：A/F精确控制在,T,tq,允许的范围内,2）稀薄燃烧控制主要控制目的：精确控制A/F，使汽车百公里油,94,控制方法,空燃比反馈控制法：由A/F传感器反馈控制。,空燃比传感器,在ZrO2固体上施加电压时，产生与排气中的O2浓度成比例的O2离子的移动，从而形成电流，即,控制方法,95,气缸压力反馈控制法：,通过气缸压力传感器,检测每循环缸压，,求,T,tq,，,A/F,反馈控制,使,T,tq,限制在允许范围内,步骤：,规定曲轴位置上测缸压p；N循环,求,Ttq,、,Ttq,气缸压力反馈控制法：步骤：,96,一、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CO、HC、NOx、CO2；曲轴箱通风向大气排出的HC排放；燃料供给系中燃料蒸发的HC等。,污染物来源不同，措施不同：,尾气排放,燃烧系统改进+后处理技术；,曲轴箱通风,PCV阀,回流到进气管；,燃料供给系蒸发物,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,一、汽油机有害排放物及其产生机理5.5 汽油机的有害排放物,97,活性碳罐吸收装置,用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中随,清洗,空气进入气缸。,活性炭,活性炭罐,单向阀,活性碳罐吸收装置用活性碳罐吸附燃油系统的蒸发物；在进气过程中,98,产生机理：N2和O2在高温下化合的结果,Zeldovich机理:,因素及措施：O,2,浓度，燃烧温度Tz，滞留时间,危害： NO,2,是刺激性毒气;,破坏O,3,层平衡,测量方法:,化学发光法(CLD),N2分解需较大活化能,决定NO形成的高温条件,O在NO形成中起活化链作用，所需活化能小，反应快,1）NO,产生机理：N2和O2在高温下化合的结果 N2分解需较大活化能,99,2）CO,1产生机理及影响因素,C/H不完全燃烧产物,受反应速度、温度及,a,的,影响,在,a,1下燃烧时局部不均匀,局部燃烧不完全,CO,排气中，未燃碳氢化合物HC不完全氧化,少量CO,2危害：与血红素的结合能力强，是氧的300倍；,破坏造血功能中毒死亡(0.3%),3. 测量方法：不分光红外线分析仪（NDIR）,2）CO1产生机理及影响因素2危害：与血红素的结合能力强,100,3）HC,1HC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,汽油机燃烧过程中HC的生成：, 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；壁面冷却淬冷效应,，,生成大量HC,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；,花塞螺纹和火花塞中心电极周围等处,3）HC1HC的生成机理及影响因素,101,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,吸附HC,膨胀和排气中释放出来,不完全燃烧：,a,1状态，怠速时,r,较大；加减速时混合气瞬间过浓或过稀,局部不均匀,不完全燃烧,HC,。,失火：易失火条件,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。,2危害：阳光下与NOx反应,光化学烟雾；醛类和多环芳香烃危害大,3. 测量方法：氢火焰离子化法（FID）,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,102,二、影响汽油机排放特性的使用因素,排放物是燃烧过程的产物,凡是,影响混合气形成和燃烧条件的因素,影响排放物。,1）,a,的影响,NOx的峰值出现在,ab,=1.031.16,a,ab,虽O2浓度，但Tz ,过稀：HC ,二、影响汽油机排放特性的使用因素排放物是燃烧过程的产物凡是,103,NOx,HC,be,2）点火提前角的影响,a,一定时，,ig,Tz，NOx ；,后燃，排温HC ；,e,3）转速的影响,n,燃烧滞留时间,NOx；,紊流强度,；,紊流过强CO/HC ,4）负荷的影响,中小负荷：随负荷,，,r ,改善燃烧条件,CO/HC,;,但，NOx,；大负荷,aP, NOx ，CO/HC,NOxHCbe2）点火提前角的影响3）转速的影响4）负荷的影,104,三、汽油机排放控制技术,机内措施：,燃烧系统的改善,A/F控制精确，GDI技术实现稀燃,可变技术：进气系统、配气相位、进气涡流及排量(休缸),汽油机增压 。,后处理：,两级催化转化器,高低温；,电加热催化转化器；,三效催化器+,a,=1精确控制；,稀燃+NOx还原装置+EGR技术,三、汽油机排放控制技术机内措施：,105,四、汽油机的增压及米勒循环,1）汽油机增压存在的主要问题,易爆震,热负荷高,汽油机与增压器的匹配困难,2）汽油机与增压器匹配要求：,保证额定功率,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；,3）米勒循环,几何,不变，将有效压缩行程缩短1/5，但膨胀比不变;,米勒循环+偶合螺杆压气机，实现增压兼顾高低速。,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,106,习题,一、填空题,1.缸外喷射系统是将喷油器安装在,或,或,上，以0.200.35MPa的喷射压力将汽油喷入进气管或进气道内。,2.电子控制汽油喷射系统主要由,、,和,三部分组成。,3.汽油机燃烧过程按其压力变化特点分成三个阶段，分别为：,、,和,。,4.汽油机在稳定的正常运转情况下，不同气缸的燃烧情况以及不同循环的燃烧情况很难保持稳定，会产生燃烧上的差异，这种循环之间和气缸之间的燃烧差异称为,。,习题一、填空题,107,5.汽油机燃烧过程中，如果火焰前锋未到达前，末端混合气温度达到了自燃温度，形成新的火焰中心，产生新的火焰快速传播，这种现象称为,。,6. 点火提前角太小即燃烧过程过迟，则后燃,，最高燃烧压力和温度都,，排气温度,，功率和经济性都下降。,7.实现汽油机分层燃烧有两种方式：,的分层燃烧方式和,分层燃烧方式。,5.汽油机燃烧过程中，如果火焰前锋未到达前，末端混合气温度达,108,二、思考题,1. 电控汽油喷射系统如