第四章汽油机混合气的形成与燃烧

第四章汽油机混合气的形成与燃烧

汽油机－高温单级点燃

压缩的是燃料与空气的混合气体 , 在此过程中 , 已经进行了一些化学反应。

火花点火 , 局部温度高达 3000K 以上 , 该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基 , 迅速反应出现热火焰 , 瞬间扩大到整个燃烧室内。所以 , 汽油机着火过程：

压缩混合气点火（经短暂着火延迟期）热火焰

发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。进入气缸的燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排出废气的成分，而燃烧时间或燃烧相当于曲轴转角的位置，又关系到热量的利用和气缸压力的变化，所以燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，与噪声、振动、起动性能和使用寿命也有重大关系。

一、汽油机的燃烧过程

1 、正常燃烧过程1)正常燃烧过程进行情况汽油机典型的展开示功图如图所示。为分析方便，按

其压力变化持点，人为地将燃烧过程分成三个阶段。(1) 着火延迟期从火花塞点火至气缸压力明显脱离压缩线而急剧上升

时的时间或曲轴转角。火花塞放电时两极电压达 10-15kV ，击穿电极间隙的

混合气，造成电极间电流通过。电火花能量多在 40-80mJ ，局部温度可达 3000K ，使电极附近的混合气立即点燃，形成火焰中心，火焰向四周传播，气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。

1 、正常燃烧过程汽油机的燃烧过程

汽油机的燃烧过程

汽油机的燃烧过程 I- 着火延迟期 II- 明显燃烧期 III- 补燃期

1- 开始点火 2- 形成火焰中心 3- 最高压力点

1 、正常燃烧过程

着火延迟期长短与混合气成分 (α=0.8-0.9 时最短 )、开始点火时的缸内气体温度和压力、缸内气体流动、火花能量及残余废气量等因素有关。它对每一循环都可能有变动，有时最大值可达最小值的数倍。希望尽量缩短着火延迟期并保持稳定。

(2) 明显燃烧期从形成火焰中心到火焰传遍整个燃烧室，常指压力达到最

高点。在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心升始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。火馅前锋相对于未燃混合气向前推进的速度称为火焰速度，用 UT表示。 UT的大小取决于层流火焰速度 (约在每秒几十厘米到几米之间 )和混合气紊流状态。

因为绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以气缸压力迅速上升。常用平均压力上升速度 ΔP/Δφ[MPa/(°)], 表征压力变化的急剧程度。



3 2

3 2

p pp

式中　 P2 、 P3 第二阶段终点和起点的压力（ MPa）φ2 、φ3 第二阶段终点和起点相对上止点的曲轴转角 (°) 。汽油机在 0.2-0.4MPa/(°) 的范围。

明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期，燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致ΔP/Δφ值过高，噪声、振动大，工作粗暴，对排污亦不利。一般明显燃烧期约占 20°~40°曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后 12°~15°曲轴转角， ΔP/Δφ=0.175～ 0.25 MPa/(°) 为宜。

(3) 后燃期 (图中 3点以后 ) 它是指明显燃烧期以后的燃烧，主要有火焰前锋后末

及燃烧的燃料再燃烧，贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧以及高温分解的燃烧产物 (H2, CO等 )重新氧化。这种燃烧已经远离上止点，应该尽量避免。

综上所述，汽油机正常燃烧过程是唯一地定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室。




2 ）燃烧速度燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为

TA


TTT AUdt

dm

式中： —火焰前锋面积 —火焰速度 —未然混合气密度控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角的位置。现代汽油机转速很高，一般在 5000～ 8000r/min，燃烧时间极短，仅 0.001～ 0.002s，这就需要有足够快的燃烧速度，并希望它合理地变化。由上式可见，影响燃烧速度的因素如下所述。

TUT


（ 1）火焰速度 UT

火焰速度 UT是决定明显燃烧期长短的主要因素。现代汽油机的 UT可高达 50~80m/s。影响 UT的主要因素是：燃烧室中气体的紊流运动、混合气成分和混合气初始温度。

a、紊流运动由具有一定运动方向的涡流运动和无数小气团的无规则脉动运动所组成，这些由气体质点所组成的小气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。这种紊流运动使平整的火焰前锋表面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加，火焰速度加快。


图示出紊流强度与火焰速度比的关系。紊流强度指的是各点速度的均方根值，火焰速度比是紊流火焰速度与层流火焰速度之比。可见，加强燃烧室的紊流尤其是微涡流运动，会使火焰速度有效地增加，这是提高汽油机燃烧速度最重要的手段。



b 、混合气成分不同，火焰传播速度也明显不同。图4-5 为试验所得火焰速度与过量空气系数 α的关系。由图可知：

当 α=0.85~0.95 时，火焰速度最大，汽油机用这种浓混合气工作，燃烧速度最快，功率也最大，故这种混合比称为功率混合比


当 α=1.03~1.1 时，火焰速度降低不多，又因有足够的氧气而使燃烧完全，因此用这种浓度的混合气工作，汽油机经济性最好，故此混合比称为经济混合比。


当 α继续增大，由于火焰速度下降，燃烧过程拖长，热效率和功率均降低。当α>1.3-1.4 时，火焰难以传播，汽油机不能工作，此种混合比称为火焰传播下限。同样， α<0.4-0.5 时，由于严重缺氧，也使火焰不能传播，这种混合比称为火焰传播上限。



实际上，为了保证可靠地工作，汽油机的在 0.6-1.2范围，即空燃比 A/F=9-18 。

应注意，混合气火焰传播界限并非一个常数，它是随条件而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，界限就变窄。

c、混合气初始温度高，火焰速度增加。（ 2）火焰前锋面积 AT 利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。图4-6为不同燃烧室火焰前锋面积变化的情况。它直接影响到明显燃烧期相当曲轴转角的位置及燃烧速度变化的情况，与压力上升密切相关。



燃烧室形状与粗暴性的关系


（ 3）可燃混合气密度 ρT

增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。

3）汽油机不规则燃烧汽油机不规则燃烧是指在稳定正常运转的情况下，各

循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。这是汽油机燃烧过程的一大特征。

（ 1）各循环间的燃烧变动图 N和 Pmax值随循环数的变动。从中可以看到变化较大，

是不应忽视的，低负荷时情况还要严重。这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。



maxP


N 和随循环数的变动maxP

产生这种现象的主要原因是：火花塞附近混合气的混合比和气体紊流性质、程度在各循环均有变动，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起。


对各循环间燃烧变动现象的机理至今尚不十分清楚，但可以肯定：①当 α=0.8-0.9 时循环燃烧变动最小，混合气加浓或减稀，变动均增大。因此，为减少排气中的 CO而运用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循环变动，成为用稀混合气的障碍。②在中等负荷以上变动较小，低负荷时，残余废气相对量多，变动更为明显。③加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，一般变动减小。④加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善。⑤点火时刻和点火位置对燃烧变动很敏感。

（ 2）各缸间燃烧差异汽油机由于是外部混合，在汽油机进气管内存在着空气、

燃料蒸气、各种比例的混合气、大小不一的雾化油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不同的油膜，要均匀分配到各个气缸是很困难的。各缸进气歧管的差别，各缸间进气重叠引起的干涉等现象，导致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状态等不能完全一致。因此，在多缸汽油机上，各缸混合气成分存在差异。各缸混合气成分不同，使得各缸不可能在最佳调整状况下工



作，即各缸不可能都处于经济混合气或功率混合气浓度，从而整个汽油机功率下降，耗油率上升，排放性能恶化。

进气系统所有零件的设计和安装位置，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。

4 ）燃烧室壁面的熄火作用在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即紧靠壁

面附近的火焰不能传播。这样，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是汽油机排气中 HC的主要来源之一。一般解释缸壁熄火是由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层气体冷却所造成。根据试验观察可知，当 α=1左右，熄火厚度最小，混合气加浓或减稀，此厚度均增加；负荷减小时，熄火厚度显著增加；燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。

根据熄火厚度可以推定熄火领域的容积，从而可以说明排气中HC的浓度。应尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 F/V 以降低汽油机的 HC排出量。


2 、不正常燃烧

1 ）爆燃汽油机发生爆燃时的外部特征是：气缸发出特别尖锐的金属敲击声，亦称之敲缸。轻微敲缸时，发动机功率上升，油耗下降，但严重时，会产生冷却水过热，功率下降，耗油率上升。

爆燃产生的原因是：在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气 ( 常称末端混合气 ) ，进一步受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应。如果在火焰前锋尚未到达之前，末端混合气已经自燃，则这部分混合气燃烧速度极快，火焰速度可达每秒百米甚而数百米以上，使局部压力、温度很高，并伴随有冲击波。压力冲击波反复撞击缸壁，发出尖锐的敲缸声，使发动机噪声加大，发动机过热，功率下降。


2 、不正常燃烧汽油机的燃烧过程

火焰以正常的传播速度 20-60m/s 向前推进 ,若发生爆燃，终端混合气最适于发火的部位形成一个或几个火焰中心。以远大于正常燃烧火焰前锋面推进的速度向周围传播。轻微爆燃火焰速度 = 100-300 [ m/s ] 强烈爆燃火焰速度 = 800-2000 [ m/s ] 若自燃区占整个燃烧室容积的 5%为强烈爆燃。

2 、不正常燃烧汽油机的燃烧过程


根据末端混合气是否易于自燃来分析，影响爆燃的因素为：

a 、燃料性质辛烷值高的燃料、抗爆燃能力强。四乙铅添加剂能有效地提高燃料的抗爆燃能力，但这会排出有毒的含铅颗粒，污染大气并影响催化剂的使用，因此近年来各国都对含铅汽油的使用加以控制。

b 、末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。例如，提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；又如，气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比 0.4-0.7单位。



c、火焰前锋传播到末端混合气的时间提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火

焰前锋传播到末端混合气的时间，这有利于避免爆燃。例如，气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，故没有很大缸径的汽油机。

2 ）表面点火在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽

热表面 (如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉积物等 ) 点燃混合气的现象，统称表面点火。它的点火时刻是不可控制的，多发生在 ε=9 以上的强化汽油机上。

早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合气的现象。由于它提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，



火花塞、活塞等零件过热。下图给出汽油机早燃示功图情况。


凡是能促使燃烧室温度和压力升高以及促使积炭等炽热点形成的一切条件，都能促成表面点火。


早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。

表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合气所致，没有压力冲击波，“敲缸声”比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动面造成。各种燃烧示功图的比较如图所示。


3 、使用因素对燃烧的影响

1 ）混合气浓度混合气浓度对汽油机动力性、经济性的影响如图所示。


功率及耗油率随供油量 B 的变化（节气门、转速保持一定）


在 α=0.8-0.9 时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，因此 PZ、 TZ、 ΔP/Δφ、 Pe均达最高值，且爆燃倾向增大。

在 α=1.03-1.1 时，由于燃烧完全， be最低。但此时缸内温度最高且有富裕空气， NOx排放量大。

使用 α<1 的浓混合气工作，由于必然会产生不完全燃烧，所以 CO排放量明显上升。

当 α<0.8 及 α>1.2 时，火焰速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济件差 HC排放量增多且工作不稳定。

可见，在均质混合气燃烧中，混合气浓度对燃烧影响极大，必须严格控制。



2 ）点火提前角点火提前角是从发出电火花到上止点间的曲轴转角。受转速、负荷、过量空气系数等因素影响。

当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性。对应于每一工况都存在一个“最佳”点火提前角，电喷发动机可保证始终工作在最佳提前角附近。这时汽油机功率最大，耗油率最低。点火角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞所消耗的压缩功增加，且最高压力升高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。点火过迟，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，功率、热效率降低，但爆燃倾向减小， NO排放量降低。



3 ）转速转速增加时，汽缸中紊流增强，火焰速度大体与转速

成正比增加，因而以秒计的燃烧过程缩短，但由于循环时间亦缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应该相应加大点火提前角，装置离心调节点火提前器。转速增加时，火焰速度亦增加，爆燃倾向减小。

4）负荷由于小机负荷调节是量调节，当负荷减小时，进入气

缸的混合气数量减少，而残余废气量基本不变，故残余废气所占比例相对增加，使混合气稀释程度变大，起火界限更窄，火焰速度下降，燃烧恶化。为此需要供给较浓的混合气，怠速时 α可到 0.6(A/F=9)左右，由于进气节流而泵气损失加大，冷却水散热损失也相对增加，因此经济性显



著降低。为使燃烧过程有效地进行，需要增大点火提前角，装置真空调节点火提前器。负荷减小时，气缸的温度、压力降低，爆燃的倾向减小。

5）大气压力大气压力低，气缸充气量减少，则混合气变浓，另外，

压缩压力低，着火延迟期长和火焰速度慢，则经济性和动力性下降，但爆燃倾向减小。

大气温度高，同样气缸充气量下降，经济性、动力性变差，而且容易发生爆燃和气阻。

气阻是由于燃油蒸发而在供油系中形成气泡，减少甚至中断供油的现象。因此，在炎热地区行车时，应加强冷却系散热能力，用泵油量大的汽油泵；反之，在寒冷地区行车时，要加强进气系统的预热，增强火花能量等，以保证燃油雾化、点火及起动。


二、汽油机混合气的形成

汽油机混合气形成的方式主要有两类：一类是化油器式，另一类是汽油喷射式。它们在结构与供油方法上有所不同，但都属于在气缸外部形成混合气，依靠控制节流阀开闭来调节混合气数量的。

1 、化油器式混合气的形成1）理想化油器特性全负荷时，即节气门全开时，应向气缸提供适当加浓的功率混合气， A/F＝ 12-14 。

中等负荷时，即在节气门部分开度时，应有最好的经济性，适宜使用较稀的经济混合气。如图 4-17所示，理想混合气随负荷增加而逐渐变稀，小负荷范围内变化较陡，随负荷加大变化渐趋平缓，负荷超过 50%以后，空燃比变化不大，这时 A/F约为 17。

怠速时，节气门接近全闭，为了抵消废气对新鲜充量稀释的影响、保证稳定运转，需要提供更浓的混合气，A/F＝ 10-12.4 。

汽油机混合气的形成

1 、化油器式混合气的形成

理想化油器特性



2) 真空度在研究化油器实际供油特性之前，有必要强调一下喉管真空度与进气管真空度的不同。所谓喉管真空度，是指在化油器喉管最小截面处因气体流速加大而产生的负压，它对主供油系的油量起控制作用；所谓进气管真空度，是指在节气门之后、混合室及进气管中的负压。这部分负压主要因节气门开度及发动机转速而异，它用来控制怠速油系、真空省油器加浓的时刻及真空点火提前角等。

当节气门开度一定时，转速升高，则喉管真空度及进气管真空度均增加 (如下图所示 ) 。不同的是，节气门开度变化，两者差异很大。例如当节气门关闭时，进气管真空度很高、约为 50-70kPa，而喉管真空度实际上接近于零。


1 、化油器式混合气的形成汽油机混合气的形成

节气门开启，喉管真空度加大，进气管真空度则下降，随着节气门开大，两者越来越接近，最后喉管真空度可超过进气管真空度。


3 ）简单化油器特征


0

0

2

2( )

n n

n n

a a a a a a a n n

f f f f f f f n f f

a f

a f

a f

p p p

p p p H

q f v f p

q f v f p gH

f f

v v

喉管真空度为大气压力与喉管最下截面处压力之差，

即。若燃油盆口高出浮子室油面的高度为

则空气质量流量为

燃油质量流量为

式中、 —分别为流经喉管的空气质量系数及流经量孔的燃油流量系数；

、 —分别是喉管最小截面积及量孔截面积；

—分别是空气流经喉管最小截面

a f

的流速及燃油流经量孔的流速；

—分别是空气密度与燃油密度。


/

a a a n a

f f f n f f

n

q f pA

F q f p gH

A F p

空燃比为

空燃比随喉管真空度的上述变化，就是简单化油器特性。

其供油量取决于喉管真空度。缺点是：随喉管真空度的增加燃料流量增加速率超过了空气流量增加的速率，即混合气越来越浓。简单化油器特性与理想化油器特性的比较如图所示。


4 ）主供油系的校正从前面的分析看出，简单化油器特性不适合理想特性

的原因。在于随着喉管真空度 ΔPn增加，燃料流量的增加速率超过了空气流量增加的速率。校正的措施不外乎随着ΔPn增加抑制燃料流量的增加，或者进一步加大空气流量。目前最广泛的校正措施是渗入空气法校正系统。

如图 4-22 所示，主喷口 4 高出浮子室油面的距离为 H，在主量孔 1 后的主油井 3 中插入了通大气的泡沫管 6，泡沫管上部由空气量孔 5限制空气的流入，泡沫管下部有几排与主油井相通的泡沫孔 2 。




主供油系校正后的特性


从本质上说，用校正空气量孔和泡沫管校正混合比特性的方法，就是用一系列斜率不同的简单化油器特性的组合，使之接近理想特性。

采用空气量孔及泡沫管的渗入空气法，不仅可以达到校正的目的，而且由于它是以油气混合状态喷入喉管的，所以还可以促进燃油的喷散与雾化。

空气量孔的设置，改变了简单化油器燃料流出单纯受喉管真空度限制的状况。

5) 满负荷加浓与怠速加浓（ 1）满负荷加浓主供油系校正的结果，使化油器可以在部分负荷情

况符合需要，但当发动机在全负荷运行时，还需要另外设置功率加浓系统，提供浓的功率混合气，以获取最大功率。这样，将主供油系与加浓系分开。必要时予以加浓的做法，相对说来，起到了确保在部分负荷时节省油料的作用。因此，这种功率加浓系统又称为省油系统( 或省油装置 )。



1


如上图所示，实现省油器工作的方案有两类。一类是机械省油器，其作用是靠节气门开度位置控制打开加浓量孔的推杆，其开始作用点大都定在节气门全开前10左右，作用点与转速及负荷的变化无关；另一类是真空省油器，即当发动机转速下降或节气门开度加大，使进气管真空度减至某值以后，便开始实现加浓。这两类省油器往往同时应用，其作用可相互补充。


节气门开度、转速与进气管真空度的关系


(2)怠速加浓发动机在怠速运行时，节气门开度很小，设置在真

空度很大的节气门之后的怠速油孔，可保证在怠速和小负荷时获得所需的浓混合气。

但随着节气门稍许开大，进入混合室的空气量迅速增加。与此同时，进气管真空度降低很快，怠速油量立即减少，将使混合气变得极稀、甚至熄火。为此，在怠速油孔之上应设置过渡喷口，过渡喷口的作用是使怠速系供油延长到节气门较大的开度，使其与主油系更好地衔接，达到圆滑过渡的目的。

在主油系上设置省油系及怠速油系以后，化油器便可按理想供油特性在稳态工况下工作。



怠速油系1、 2- 量孔 3-调节螺钉 4-怠速喷口 5- 过渡

喷口


☆ 化油器变工况运行1)加速过程当节气门突然开大时，由于油量增加滞后于空气量增加，加上进气管真空度降低，破坏了进气管中原来燃料的汽化条件，因而出现混合气成分瞬时变稀，于是发动机扭矩的瞬时变化与缓慢开启节气门在稳定工况下扭矩上升的情况不同 (图 4-31) 。从图上看出，加速过程中扭矩上升有一段滞后，各相应点扭矩下降很多。


加速过程的转矩变化


正因为在加速过程中扭矩上升滞后及扭矩值的降低，使发动机动力性变差，可能出现缺火与放炮。因此，从燃料系的角度看，在节气门急开时，应利用加速泵向喉管额外再供应适量的加速油量；当节气门缓开时，加速泵下的燃油经进油阀返回浮子室，不起加浓作用 ( 图 4-32) 。


加速泵简图 1 、 2 、 3 、 4- 杠杆机构 5- 弹簧 6- 活塞7- 进油阀 8- 出油阀 9- 加速泵量孔 10- 气孔


2) 急减速过程实践表明，一旦抬起油门踏板 (节气门突然关闭 ) ，则进气管真空度激增，于是沿进气管壁面流动的液膜便迅速蒸发，使混合气变浓。而且由于进气管真空度很高，使得减速过程中燃烧恶化，排气的有害成分增加很快。由于进气管液膜的存在，即使在关闭节气门的同时切断怠速供油，排气有害物的增加也不能幸免。为了减少在急减速过程中的 HC 含量，可以采用以下措施：

(1) 在化油器上设置节气门缓冲器，减慢节气门关闭速度，可以有效地减少 H 含量。

(2) 在滑行时利用电子装置来控制节气门的开度，使之提供适量的混合气，维持正常燃烧，可减少 HC的排放量。



3) 起动过程起动是汽油机重要的不稳定过程。起动包括

起动与暖机两个阶段。“起动”是指从发动机静止状态到持续运转；“暖机”是指从持续运转到各部分温度上升至正常的工作状态。在起动时，转速极低，流经喉管的气流速度也极低。这时，油蒸气的蒸发量很小。因此，要使气缸中的混合气成分达到着火界限，化油器必须设置起动系统，供给更多的汽油使总的混合气成分大大加浓，以保证汽油机在低温下着火。当发动机开始运转后，转速提高了，喉管真空度增加，燃料蒸发量加大，因此在暖机时要求比起动瞬间有稍稀的混合气。但为保证发动机冷车怠速运转圆滑稳定，并能加快暖机时间、在实际使用中常常需要进一步加大怠速时节气门开度，并提高怠速转速，保持在所谓快怠速状态。



图为起动与暖机两个阶段中混合气成分的变化。图中 d表示起动时需要的空燃比，起动后要求的空燃比沿 ab线迅速减稀至b点， b点为发动机冷车持续运转所需的空燃比。从 b点到 c点是暖机过程中空燃比变化的情况。与起动过程 (ab线 )相比，暖机过程中空燃比的变化较为平缓， c点为暖机结束，开始正常运转时的空燃比。


起动过程中 A/F 的变化


目前，常用的起动装置为阻风门 (图 4-34) 。阻风门设置在喉管之前，当阻风门关闭后，整个化油器的喉管、混合室等均处在高真空度之下，使主油泵、怠速油系甚至加速油系都可能供油，来满足起动需要的空燃比。当阻风门全闭时，节气门有比怠速时更大的一定开度。随着阻风门开启，节气门逐渐关小，当阻风门全开以后，节气门开度回到正常热机怠速的开度，实现这种开度变化的机构称为快怠速装置。


２、汽油喷射式混合气的形成

1)喷射系统(1) 发展历史 1898年道依茨公司批量生产固定式内燃机采用汽油喷射技术。

1906年在二冲程航空发动机上采用。 1930年德国 schnanffer博士研究缸内喷射。 30年代

汽车上开始使用喷射技术，由于二冲程发动机使用喷射技术经济性明显。四冲程发动机直到 1967年波许公司开发了电控喷射技术，开始逐渐发展起来。

(2) 系统分类 a、按有无反馈分类开环控制该控制是指在发动机运行中， ECU检测

发动机的各输入信号，并查出发动机 ECU 中固有的相应的控制参数，输出控制信号。它不检测控制结果，对控制结果的好坏不做分析和处理。



闭环控制该控制是指 ECU控制的结果反馈给 ECU ， ECU再根据发动机实际运行状况决定控制量的增减。反馈控制的采用是为了有效地控制排放、降低污染、提高效率。

b、按喷油器安装位置分类可分为单点汽油喷射系统（是指在节气阀体上安装一只或两只喷油器）和多点汽油喷射系统（是指在每一个气缸的进气门前均安装一只喷油器，喷油器时时喷油）

c、按汽油的喷射方式分类缸内喷射该喷射方式是将汽油直接喷射到气缸内。进气管喷射该喷射方式是目前普遍采用的喷射方式。 d、按进气量的检测方式分类直接式检测方式该方式是由空气流量计直接测量进

气管进气总管的空气量，这种方式也称为质量流量型。



　　　间接式检测方式该方式不是直接检测空气量，而是根据发动机转速及其他参数推算出吸入的空气量，现在采用的有两种方式：其一是根据进气管压力和发动机转速，推算出吸入的空气量，并计算适量的燃料量的密度；其二是根据测量节气门开度和发动机转速，推算出吸入的空气量，并计算燃料量的节流速度。

　ｅ、按喷射时间分类可分为同时喷射、顺序喷射、分组喷射。

　ｆ、按结构分类按喷射系统的结构可分为机械控制式和电子控制式两种。

　ｇ、按空气量的检测方式分类可分为支管压力计量式、叶片式、卡门旋涡式、热线式和热膜式等。支管式压力计量式的电控汽油喷射系统是将支管绝对压力和转速信号输送到 ECU ，由 ECU根据该信号计算出充气量，再产生



　与之相对应的喷油脉冲，控制电磁器喷射适量的汽油；采用叶片式空气流量计和卡门旋涡式空气流量计的电控汽油喷射系统，其空气流量计的计量方式均属体积流量型，即通过计量气缸充气的体积量，以控制混合气空燃比在最佳值。　ｈ、按喷射压力分类低压 600KPa以下，高压 3.8～ 10MPa

2) 系统简介电控汽油喷射系统 (Electronic Fule Injection) 是汽

油机综合控制中最主要、最基本的部分。系统简图如图所示。它由空气系统、燃料系统及控制系统三部分组成。


２、汽油喷射式混合气的形成汽油机混合气的形成


(1) 空气系统用来检测发动机的进气量，计算相应的供油量。根据空气流量的计量方式不同，空气流量检测方法可分为两种：一种是直接通过流量传感器测量空气量，常用传感器有叶片式、热线（热膜）风速式、卡门涡街式。另一种是测量进气管真空度及进气温度计算出进气量，见下图。

节流阀体置于空气流量计和发动机进气管之间，阀的开闭由驾驶员通过油门踏板操纵，用来控制负荷的大小。同时应将节流阀开启位置的转角信号送入计算机，用来作为判断负荷状态的依据。



a) 直接测量 (L 方式 ) b) 间接测量 (D 方式 )


控制方式 D 型燃油喷射 L型燃油喷射

检测空气量压力传感器（测定进气歧管的负压）空气流量计（直接检测空气量，提高精度）

检测转速触点（与分电器同轴）点火信号（点火线圈初级一侧，从机械式到电信号）

喷油方式分组喷射（ 4缸机每 2缸为一组）所有气缸同时喷射（提高可靠性）空燃比调整靠控制组件调整 CO 不需要（维修性好）

燃油压力在大气压下固定为 196千帕燃油压力与进气歧管的压力差为固定值 250千帕（精度提高了）

燃油压力调整靠压力调节器调整不需要

辅助空气阀控制石蜡型（检测水温）双金属片型（检测周围温度）或石蜡型

检测加速加速传感器仅节气门全开时加速（满负荷触点，改善维修性）

控制组件用晶体管及二极管等使用 IC（提高可靠性）

EGR的影响影响进气的检测（进气管内负压变化）无

催化剂转换器的影响影响进气的检测（因排气压力的变化而影响进气管负压）无


空气阀安装在与节流阀并联的旁通空气回路上，在发动机冷机起动而且节流阀全闭时，为加速暖机而开启旁通回路。空气阀有两种形式：一种是利用加热线圈引起双金属片变形，从而使间阀逐渐关闭的双金属型 (见下图 )


1- 闸阀 2- 双金属 3- 加热线圈


　　　另一种是利用冷却水热量引起石蜡胀缩来控制旁通空气回路面积的石蜡型 (如下图所示 ) 。采用空气阀以后，可以便发动机冷起动时，增加旁通空气量，提高怠速转速并加快暖机过程。


4- 恒温石蜡 5- 提动阀 6- 弹簧 A 7- 弹簧 B 8- 发动机冷却水


(2) 燃料系统燃料系统的主要部件是电动汽油泵、喷嘴和压力调节器。电动汽油泵是将直流电动机与转子式 ( 或叶轮式 ) 汽油泵联成一体的结构。根据它在供油回路中安装位置的不同，可分为油箱外置式与油箱内置式。

喷嘴内设置电磁线圈、插棒式铁心 (即磁心 )、针阀等，针阀与铁心连成一体，当电磁线圈通电时，铁心被吸引，针阀开启。喷嘴输出特性为：电磁线圈通电的时间决定了喷油量的多少。

压力调节器的作用是使喷嘴的供油压力相对于进气管压力总是高出一个恒定值。压力调节器膜片下部为从汽油泵压入并充满整个燃料室的压力油，膜片上部受到弹簧力及进气管压力的作用。当进气管压力变化，使膜片受力后的平衡位置发生变化，从而控制经出口流回油箱油量的增减，来保证喷嘴针阀两端的压差恒定，防止因进气管压力变化而引起喷油量变化。



另外，根据喷嘴在进气管上安放位置的不同，它可分为两类，一类是在各缸进气歧管上各装一个喷嘴的多点喷射方式 MPI (Multi Point Injection) ，另一类是在进气管的集合部装有一个喷嘴的单点喷射方式 SPI (Single Point Injection) 。下图为这两种喷射方式的示意图。




　　　目前，这两种喷射方式均有广泛的应用。单点喷射系统常将喷嘴、压力调节器、进出油路、空气阀、怠速控制阀 (ISCV) 、节流阀位置传感器等，均集中于节流阀体，使结构更为简单。这个节流阀体承担起计量燃油与空气的双重任务，所以又称为“节流阀体喷射 (TBI)”、或“中央燃料喷射 (CFI)” ，德国 Bosch 公司的“ Mono-Jetronic”指的也是单点喷射系统。图 4-42 为单点喷射系统的布置图。




(3)控制系统由各类传感器、电器及控制单元（ ECU ）组成。功用：根据各种传感器的信号，由计算机进行综合分析和处理，通过执行装置控制喷油量等，使发动机具有最佳性能。

组成：从控制原理来看，电控汽油喷射系统由传感器、ECU 和执行器三大部分组成。

传感器是感知信息的部件，功能是向 ECU提供汽车的运行状况和发动机工况。 ECU 接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应地控制指令给执行器。执行器即执行元件，其功用是执行 ECU 的专项指令，从而完成控制目的。

ECU根据空气流量计（ L）型和进气歧管压力传感器（ D）型和转速传感器的信号确定空气流量，在根据传感比要求即进气量信号就可以确定每一个循环的基本供油量，然后



根据各种传感器的信号进行点火提前角、温度、节气门开度、空燃比等各种工作参数的修正，最后确定某一工况下的最佳喷油量。


热膜式空气流量计热线式空气流量计

3 、燃烧室

1) 对燃烧室的要求燃烧室形状是决定燃烧速度，防止不正常燃烧

的主要因素，各种改善燃烧的措施也大多在燃烧室内实施。汽油机燃烧室的设计对发动机动力性、经济性、工作稳定性及排放特性有很大影响，为此，燃烧室的设计应满足以下要求。

(1)具有良好的充气性能对于充气性能的好坏，主要考虑进气门、进气道的布

置。应允许有较大的进气门直径或进气流通面积，适于多气门布置。进气转弯少，使混合气尽可能平直、光顺地流入燃烧室。

燃烧室

１、对燃烧室的要求燃烧室

汽油机的燃烧室活塞顶部

１、对燃烧室的要求

　　下图为半球形和斜浴盆形燃烧室充气系数的比较。半球形燃烧室的进气通道弯道少，且燃烧室弓高稍高

（斜面积大）利于布置较大面积的进排气门，因此性能好，充量效率高。

燃烧室


(2)结构尽量紧凑用燃烧室的面容比—燃烧室表面积与其容积之比来表征燃烧室的紧凑性。面容比小，燃烧室结构紧凑，火焰传播距离短，燃烧可在短时间内完成、使爆燃倾向减小，还可以提高发动机压缩比。同时，由于单位体积的表面积较小，相对散热面积小，热损失减小，发动机热效率高，面容比小，使缸壁激冷区减小， HC排放量减少。燃烧室面容比大小取决于气缸直径与燃烧室的形状，在采用小燃烧室情况下，为减少单位体积的表面积，多用半球形燃烧室。

(3) 火花塞位置适当　火花塞位置不同，火焰传播距离和燃烧速度的变化率也

不同，从而影响汽油机的工作性能，为此，确定火花塞位置时，应考虑以下几个方面：

燃烧室


a、应使火焰传播距离短，如火花塞布置在燃烧室中央。 b、使末端气体受热减少，如火花塞布置在排气门附近。

c、减少各循环之间的燃烧变动，保证暖机和低速稳定性好，如火花塞布置在进、排气门之间，便于利用新鲜混合气扫除火花塞周围的残余废气，使混合气易于点燃，同时应控制气流的强度，避免吹散火花。 d、确保发动机运转平稳，火花塞的位置应能使从火花塞传播开的火焰面逐渐扩大。

(4) 燃烧室形状合理分布燃烧室形状首先应满足速燃的要求；一般应将 90％的

燃料的燃烧持续期控制在 60 度曲轴转角之内，其次应使压力上升速度不致过高。

燃烧室的容积分布情况反映了混合气体的分布情况。与火花塞位置相配合，决定了燃烧的放热规律、压力上升速度及工作稳定性等，用不同形状的燃烧室试验结果如下图所示。

燃烧室



(5)(5) 形成适当的紊流运动形成适当的紊流运动燃烧室内形成适当强度的气体流动可以加快火焰传

播 ;增加末端混合气的冷却；减少循环间燃烧变动，扩大混合气体着火界限，利于燃烧更稀混合气 ;减少 HC排放量，但紊流过强，向缸壁传热损失增加，还可能吹熄火核而失火，反而使 HC排放增多。图所示为紊流适宜和紊流过强时燃烧压力变化的比较。

燃烧室


　　可见，紊流过强时，即使点火提前角减小，压力升高率仍较高，使工作粗暴，热效率降低。实践证明，紊流强度使压力升高率为 196-245(千帕 /度）时，发动机热效率最高。　汽油机产生紊流的方法有进气涡流和挤流两种。 a、进气涡流进气涡流是利用进气口和进气道的形状在进气过程中造成气流绕气缸中心线的旋转运动，由于进气涡流加快了火焰传播速度，提高了燃烧速率，使热效率提高。下图所示为天津 7100轿车用发动机组织进气涡流的实例。组织进气涡流的同时会使进气阻力增加，充气效率下降，在低速低负荷时难以获得良好的进气涡流。故只依靠进气涡流的燃烧室非常少，通常配合组织进气挤流。


天津 7100 轿车用发动机组织进气涡流实例


b、挤流

挤流是当活塞接近压缩行程终点时，利用其顶部和缸盖底面之间的狭小间隙 ( 称挤气间隙）将混合气挤入主燃烧室内而产生，可利用燃烧室形状来控制涡流的大小和发生位置以及在燃烧室内扰动的形成及其强度。图为挤流式燃烧室。

燃烧室


压缩挤流的最大速度出现在压缩行程上止点前，因而加快了速燃期内的火焰传播，使燃烧迅速，同时离火花塞最远的边缘气体因受两个冷表面的影响，容易散热，对抗爆性有利，但挤气间隙过小时会增加 HC排放量。一般挤气涡流不会引起充气系数下降，且可在节气门开度小时获得良好的紊流效果。

(6)防止爆燃与早燃应对末端混合气进行冷却，燃烧室应避免局部点和突

出物，以防止爆燃与早燃。总之，燃烧室的布置分布应使燃烧过程初期压力升高率较小，发动机工作柔和，中期放热量最多，以获得较大的循环功。后期补燃较小，具有高的热效率。

2 、常用典型燃烧室

(1)浴盆形燃烧室燃烧室现状像一个椭圆形浴盆，高度一致。有一定的挤气

面积， A/V 大，火焰传播距离长，压缩比一般不高，动力性和经济性不高， HC排放较多，而 NOX排放较少。

优点：制造工艺好，便于维修。用于 6100Q、 BJ212以及桑塔纳 JV性汽油机、奥迪 100型的026BJW型汽油机。

燃烧室

2 、常用典型燃烧室

(2)楔形燃烧室燃烧室较紧凑，火焰传播距离短，要求一定的挤气

面积，并且末端混合气冷却作用强，压缩比可达 9.5~10.5 ，气门倾斜布置（ 6 ～ 30 度），有较高的经济性和动力性。

低速、低负荷性能稳定，压力升高比较大，工作粗暴， NOX排放较高，由于挤气面积内的熄火现象， HC排放也较高，必须控制挤气面积。

曾经使用广泛，如我国的红旗 CA－ 72 、 486、 491 、 489型发动机均使用过，但由于无法布置多气门，现在使用很少。

燃烧室

2 、常用典型燃烧室燃烧室

(3)半球形燃烧室此类燃烧室形状如帐篷，火花塞多布置在中央，具有双行倾斜布置的气门。结构紧凑 A/V 值小，火焰传播距离短，允许较大的气门直径和平直圆滑的进气通道，充气效率高，经济性好， HC排放少，高速适应性强。缺点：一般不组织挤流，紊流较弱，容易在低速、大负荷时引起爆燃。压力升高比大，噪声较大，工作粗暴。

2 、常用典型燃烧室燃烧室

3 、其他类型燃烧室

汽油机采用稀燃技术与快燃技术是改造常规汽油机的一项重要措施。可以降低发动机燃油消耗，降低排放污染和提高压缩比。为保证燃用稀混合气，需采取措施组织混合气的快燃或分层充气，相应地出现了许多新型燃烧系统。

燃烧室

侧置气门式


(1) 火球高压缩比燃烧室缸盖上凹入的排气门下方为主燃烧室，它直径很小，

形状紧凑，有一定挤气面积，能形成较强的挤气紊流。进气门下方为一浅凹坑，通过一浅槽与主燃烧室连通。活塞上行时 ,部分进入气门凹坑的混合气通过浅槽切向进入主燃烧室，并产生涡流运动。当活塞下行时，燃气以高速形成反挤流运动，使燃烧速度大大提高。与一般汽油机相比，允许使用高压缩比而不引起表面点火或爆燃，耗油率较低，排污较少。可燃烧稀薄均匀混合气，空燃比为 19～26。但火球高压缩比燃烧室要求使用高辛烷值汽油。对缸内积炭较敏感。

(2)碗形燃烧室如图所示，活塞顶部凹坑形成燃烧室，其结构紧凑，

火焰传播距离短，挤流较强，压缩比可达到 13，为获

燃烧室

3 、其他类型燃烧室燃烧室

火球高压缩比燃烧室碗形燃烧室


得较大的挤流强度，通常要精心设计燃烧室的口径、深度和活塞顶间隙，以及与压缩比间的比例关系。此外，因火花塞正好位于挤流通道口上，对流速度变化很敏感。故应恰当地选择点火时刻，碗形燃烧室已在波尔舍轿车上应用。

燃烧室

(3)双火花塞燃烧室双火花塞燃烧室如图所示，离半球形燃烧室中心的两边等距离布置两只火花塞（相距，直径）。因而火焰传播距离等于缸径的 1/2 。这样可以适当推迟点火时间，提高了点火时混合气的温度和压力，使着火性能得到改善，燃烧持续时间缩短，提高了发动机性能。


(4) TGP燃烧室图示为带有 TGP的燃烧室，

在燃烧室中设置副室，该副室为一扰动发生囊，其容积较小，与主燃烧室容积之比不大于 20%，两者间用通道相连，在副室喷口处布置火花塞，在压缩过程中，新鲜混合气经通道进入副室，产生适当的涡流并对火花塞凹坑处进行扫气，在副室内，火焰核心点燃混合气，压力迅速升高，然后高温高压火焰喷入主燃烧室，使主燃烧室气体产生强烈紊流，加快了燃烧速度。这种燃烧室可燃用稀混合气。低负荷下经济性较好。

燃烧室


☆ 四气门稀燃系统两个进气门分别

通向两个进气道，一个是平滑的直进气道，其上装有控制进气的控制阀，另一个为产生涡流的进气道。两进气道有通道相连。双孔喷油器分别喷入两个进气道。低负荷时进气道关闭，大负荷时两进气道都打开。发动机装有稀燃传感器控制各缸喷油量。

四气门稀燃系统1- 喷油器 2- 进气控制阀 3- 连接通道 4- 直气道5- 火花塞 6- 涡流气道 7- 进气系统 8- 凸起壁面

9- 进气门 10- 排气门


(5)本田公司的 CVCC分层燃烧系统本田分层燃烧系统 CVCC（ CompoundVo VIexControled Combustlon System) 。

燃烧室分成主燃烧室和副燃烧室两部分。副燃烧室内装有辅助进气门和火花塞，室内有 5 个火焰孔与主室相通，工作中，供给副室少量浓混合气。 α=12.5～ 13.5 ，主室供给稀混合气（ α=20～ 21.5 ），通过火焰孔适当混合，在副室及火焰孔附近形成较浓的中间混合气层。点火后，副室混合气着火，并从火焰孔喷出火焰，点燃主室的可燃混合气。由于采用火焰点火燃烧稀混合气，燃烧室内无强烈紊流，因而燃烧缓慢，最高燃烧温度仅为 l2OO℃左右，使 NOx生成量减少（ NOx排放量比一般汽油机低三倍）。因此，与其他燃烧室相比， CVCC燃烧室系统的主要优点是其排放性能好。

燃烧室


本田公司的 CVCC 分层燃烧系统


(6)美德士古分层燃烧系统 (Tcxacu controlled combustion Process)

它是汽油喷射统一式的类型，如图所示。气流经螺旋气道进入气缸，形成强烈的进气涡流运动。在压缩上止点前 30°曲轴转角左右通过喷嘴 ( 也可用柴油机常规单孔喷嘴 ) ，喷油压力大约为 2000kPa 左右，将燃油顺气流喷入燃烧室，燃油随着气流流动，首先油束外表面的小油粒在喷油后很快蒸发形成可燃混合气。火花塞位于油束下方的一个边缘，这样它正处于较浓混合气的附近容易着火的位置。着火后火焰及燃气随气流扩展，燃烧着的混合气被空气涡流带离火花塞和喷嘴，新鲜空气又被涡流带到燃油映射区域。这种燃烧系统并不一定利用气缸中的全部空气，小负荷时，燃烧产物扩展区域并不大，随负荷增加，喷油持续期延长，燃烧产物的区域也随之扩展。因此，它的总空燃比可达 100 。

燃烧室


美德士古分层燃烧室


TCCS燃烧室的压缩比可以提高到 12 ，使用稀薄混合气，最低指示耗油率为 210-218g/(kW·h) 。由于无进气节流，低负荷经济性好，使用油耗比一般汽油机可低 30%，对辛烷值不敏感，适应多种燃料。出于总空燃比大， CO排出量少，高负荷时 HC 亦少。但由于初期燃烧是在较浓的局部混合气中进行，燃烧快，温升率大， NOx排放量较高，而且在分层不好时、高负荷时会排出碳烟，低负荷时造成混合气江稀， HC排放量较多。 TCCS燃烧室要想使空气涡流运动、喷射、点火等满足所有负荷和转速尚有困难，对加速、减速等过渡工况的要求及对周围条件的适应亦不够理想。

(7) 轴向分层燃烧系统轴向分层燃烧是指：对进气管喷射汽油时，只要将喷

油定时和空气涡流运动巧妙地配台，就可能实现气缸内混台气的轴向分层，如下图所示。进气过程早期只有空气进入气缸，进气组织较强的涡流；当进气门开启接近最大升程时，将燃料喷入进气道；燃料在涡流的作用下，沿气缸轴向便能发生分层。若涡流运动的径向分量比轴向分量

燃烧室


强，刚在压缩过程就能维持这种轴向分层，在火花塞附近一层有较浓的混合气，而其余部分混合气较稀。

轴向分层在四气门汽油机上应用较好，有的是只用一个气道产生强烈涡流，也有的是两个气道均形成涡流。例如三菱公司发展一种纵涡流旋转的发动机，在进气道中设置一薄薄的秀百隔板．它一直延伸到进气口中心部位，控制进入气缸的气流，气流在气缸内部产生三股独立翻滚的涡流。外层的两股涡流仅由空气组成，中间的一股是浓空燃比混合物，这样强的空气相燃料线型气流，大大抑制了水平涡流的形成，同时防止它们彼此混合，使燃料和空气在压缩过程维持分层，保证火花塞附近形成浓混合气，向缸壁逐渐稀化。

燃烧室


轴向分层工作原理


三菱纵涡流旋转系统

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第四章 汽油机混合气 的形成与燃烧

第四章汽油机混合气的形成与燃烧