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1、第六章 汽油机混合气的形成与燃烧1本讲稿第一页，共三十页第六章第六章 汽油机混合气的形成与燃烧汽油机混合气的形成与燃烧主要内容与要求主要内容与要求v理解和掌握汽油机的燃烧过程；理解和掌握汽油机的燃烧过程；v理解和掌握汽油机电控汽油喷射系统理解和掌握汽油机电控汽油喷射系统;v理解和掌握电控汽油喷射空气供给系统；理解和掌握电控汽油喷射空气供给系统；v理解和掌握燃油供给系统；理解和掌握燃油供给系统；v理解和掌握电子控制系统的组成及常用传感器的作用；理解和掌握电子控制系统的组成及常用传感器的作用；v理解和掌握燃油喷射的控制；理解和掌握燃油喷射的控制；v了解汽油机燃烧室。了解汽油机燃烧室。2本讲稿第二页
2、，共三十页第六章第六章 汽油机混合气的形成与燃烧汽油机混合气的形成与燃烧第六节第六节 燃油喷射的控制燃油喷射的控制功能：功能：（1 1）电子控制喷射系统的工作，最终通过喷油器）电子控制喷射系统的工作，最终通过喷油器定时定时、定量定量地把地把汽油喷入进气道或气缸中去，使发动机在各种工况下都能获得汽油喷入进气道或气缸中去，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的最佳浓度的混合气混合气。（2 2）实现起动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速）实现起动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制怠速停油、自动怠速等控制功能，满足发动机各种调稀、强制怠速停油、自动怠速等控制功能，满足发动机各
3、种特殊工特殊工况况对混合气的要求，从而使发动机获得良好的燃油经济性、动力性并降对混合气的要求，从而使发动机获得良好的燃油经济性、动力性并降低废气中的有害排放物。低废气中的有害排放物。燃油喷射控制燃油喷射控制是是ECUECU的主要控制功能，燃油喷射控制包括的主要控制功能，燃油喷射控制包括喷油时刻喷油时刻的的控制和控制和喷油量喷油量的控制。的控制。3本讲稿第三页，共三十页一、喷油时刻的控制一、喷油时刻的控制喷油时刻喷油时刻是指喷油器开始进行喷油的时刻相对是指喷油器开始进行喷油的时刻相对曲轴位置曲轴位置的转角。的转角。喷油时刻随发动机喷油方式的不同而有所不同，但都是在相对曲轴转角的固定转角处。4本讲
4、稿第四页，共三十页 二、喷油量的控制二、喷油量的控制 喷油量喷油量的控制由的控制由ECU根据发动机的不同运行工况控制喷油器的不同根据发动机的不同运行工况控制喷油器的不同喷喷油持续时间油持续时间来实现。来实现。工作原理工作原理：ECU根据各种传感器测得的根据各种传感器测得的发动机进气量发动机进气量、转速转速、节气节气门开度门开度、冷却液温度与进气温度等多项运行参数，按设定的程序进、冷却液温度与进气温度等多项运行参数，按设定的程序进行计算，并按计算结果向喷油器发出电脉冲，通过改变每个电脉冲行计算，并按计算结果向喷油器发出电脉冲，通过改变每个电脉冲的宽度来控制各喷油器每次喷油的持续时间，从而达到控制
5、喷油量的宽度来控制各喷油器每次喷油的持续时间，从而达到控制喷油量的目的。电脉冲的宽度越大，喷油持续时间越长，喷油量也越大。的目的。电脉冲的宽度越大，喷油持续时间越长，喷油量也越大。控制方式：控制方式：喷油持续时间的控制分为喷油持续时间的控制分为同步喷射同步喷射和和异步喷射异步喷射持续时间持续时间两种控制方式。两种控制方式。1起动工况的喷油控制起动工况的喷油控制按预先给定的起动程序来进行喷油控制。按预先给定的起动程序来进行喷油控制。ECU根据起动开关及转根据起动开关及转速传感器的信号，判定发动机是否处于起动状态。速传感器的信号，判定发动机是否处于起动状态。（1）通过）通过ECU控制控制冷起动冷起
6、动加浓加浓（没有冷启动喷油器没有冷启动喷油器）（2）通过）通过冷起动喷油器冷起动喷油器和和冷起动温度开关冷起动温度开关控制冷起动控制冷起动加浓加浓 （有冷启动喷油器有冷启动喷油器）5本讲稿第五页，共三十页 2 2起动后的喷油控制起动后的喷油控制 ECU按下式确定喷油持续时间：按下式确定喷油持续时间：喷油持续时间基本喷油时间喷油持续时间基本喷油时间喷油修正系数喷油修正系数电压修正值电压修正值 基本喷油时间基本喷油时间是根据空气质量和发动机转速计算出的为实现设定空燃比是根据空气质量和发动机转速计算出的为实现设定空燃比而需要的喷油时间。而需要的喷油时间。各喷油修正系数各喷油修正系数:（1）蓄电池电压
7、修正）蓄电池电压修正 蓄电池电压修正通常以蓄电池电压修正通常以14电压为基准，低于电压为基准，低于14时，增加喷油时时，增加喷油时间。间。6本讲稿第六页，共三十页（2）进气温度修正）进气温度修正 进气温度不同，空气质量会有变化。为进气温度不同，空气质量会有变化。为了补偿这个误差，在空气流量计内常装有进了补偿这个误差，在空气流量计内常装有进气温度传感器，通常是以气温度传感器，通常是以20时的进气温度时的进气温度为基准。为基准。（3）起动后喷油修正）起动后喷油修正 为使发动机保持稳定运转，应随为使发动机保持稳定运转，应随时间变化进行不同程度的时间变化进行不同程度的加浓加浓。喷油修正系数的初始值由喷
8、油修正系数的初始值由冷却液冷却液的温度的温度决定，然后随着起动运行，决定，然后随着起动运行，修正系数逐渐衰减。修正系数逐渐衰减。7本讲稿第七页，共三十页（4）暖机加浓修正）暖机加浓修正 在暖机过程中必须在暖机过程中必须增加喷油量增加喷油量。暖机增加喷油量比的大小取决于冷却暖机增加喷油量比的大小取决于冷却液温度传感器所测得的液温度传感器所测得的发动机温度发动机温度，并随着发动机温度升高而逐渐减小。并随着发动机温度升高而逐渐减小。（5）加速修正）加速修正 当发动机处于加速工况时，当发动机处于加速工况时，ECU能自动按一定比例适当能自动按一定比例适当增增加喷油量加喷油量，修正的大小取决于加，修正的大
9、小取决于加速时的发动机冷却液温度，温度速时的发动机冷却液温度，温度越低，修正量越大，持续时间越越低，修正量越大，持续时间越长。长。8本讲稿第八页，共三十页（6）大负荷修正）大负荷修正当当节气门位置传感器节气门位置传感器的大负荷触点闭合或节气门开度大于的大负荷触点闭合或节气门开度大于70时，时，ECU判断为大负荷工况，此时应按判断为大负荷工况，此时应按功率混合气功率混合气要求供给喷油量，目的要求供给喷油量，目的是使发动机发出最大功率。大负荷信号由节气门位置传感器测得的是使发动机发出最大功率。大负荷信号由节气门位置传感器测得的节气门开度来决定。当判断出为大负荷时，节气门开度来决定。当判断出为大负荷
10、时，ECU调节喷油器的持续调节喷油器的持续喷油时间，使喷油时间，使喷油量增加喷油量增加。（7 7）断油控制）断油控制 1 1）超速断油控制）超速断油控制 对发动机的最高转速进行限制对发动机的最高转速进行限制 。2 2）减速断油控制）减速断油控制 有利于控制急减速时的有害排放物，降低燃油消耗量，并加大有利于控制急减速时的有害排放物，降低燃油消耗量，并加大发动机对汽车滑行的制动作用。发动机对汽车滑行的制动作用。开环控制的开环控制的特点特点发动机只是按照发动机只是按照ECUECU中预先存储的空燃比值对发动机进行控制，因而其中预先存储的空燃比值对发动机进行控制，因而其控制比较简单，但并不检测控制后是否
11、达到了真正的目标，所以不能纠正自控制比较简单，但并不检测控制后是否达到了真正的目标，所以不能纠正自身控制产生的相对误差。身控制产生的相对误差。9本讲稿第九页，共三十页3 3理论空燃比的反馈控制理论空燃比的反馈控制 （又称为又称为闭环控制闭环控制）是是指指借借助助安安装装在在排排气气管管中中的的氧氧传传感感器器送送来来的的反反馈馈信信号号，对对理理论论空空燃燃比进行反馈控制的方式。比进行反馈控制的方式。工作原理：工作原理：根据根据氧传感器氧传感器的输出特性，的输出特性，氧传感器输出电压信号在过量空气系数氧传感器输出电压信号在过量空气系数1 1处发生跃变。微机有效地利用这一处发生跃变。微机有效地利
12、用这一空燃比反馈信号，当氧传感器的输出电压空燃比反馈信号，当氧传感器的输出电压突然降低时，突然降低时，ECUECU根据这一信号命令喷油器根据这一信号命令喷油器增加供油量，使混合气逐渐变浓，直至加增加供油量，使混合气逐渐变浓，直至加浓到实际空燃比略低于化学计量空燃比、浓到实际空燃比略低于化学计量空燃比、氧传感器的输出电压再次迅速上升、氧传感器的输出电压再次迅速上升、ECUECU再再次发出减少喷油量的命令。次发出减少喷油量的命令。在发动机运行中，并不是在所有时刻和任何工况下，氧传感器和反馈在发动机运行中，并不是在所有时刻和任何工况下，氧传感器和反馈控制系统都起作用。控制系统都起作用。ECU是是交替
13、交替通过通过开环和闭环开环和闭环两种方式对喷油量进行两种方式对喷油量进行控制的。控制的。10本讲稿第十页，共三十页第六节结束！第六节结束！11本讲稿第十一页，共三十页第七节第七节 汽油机的燃烧室汽油机的燃烧室 为了使汽油机动力性高、经济性好、工作平稳、噪声小、排气污染小，为了使汽油机动力性高、经济性好、工作平稳、噪声小、排气污染小，对燃烧室提出了一系列的对燃烧室提出了一系列的要求要求：（1 1）结构紧凑）结构紧凑面容比面容比FV （2 2）具有良好的充气性能）具有良好的充气性能应允许有较大的进、排气门流通截应允许有较大的进、排气门流通截面。面。（3 3）火花塞位置安排得当）火花塞位置安排得当
14、（4 4）要产生适当的气体流动）要产生适当的气体流动 （5 5）适当冷却末端混合气）适当冷却末端混合气 12本讲稿第十二页，共三十页一、传统发动机常见的几种燃烧室一、传统发动机常见的几种燃烧室1 1、楔形燃烧室、楔形燃烧室特点：特点：结构较紧凑，火焰传播距结构较紧凑，火焰传播距离较短；充气性能较好；压缩比可达离较短；充气性能较好；压缩比可达9.510.5；有较高的经济性、动力性；有较高的经济性、动力性;低速、低负荷性能稳定低速、低负荷性能稳定。但初期燃。但初期燃烧速度大，工作粗暴，烧速度大，工作粗暴，NOx排出量较高，排出量较高，废气中废气中HC的含量亦较多的含量亦较多。应用：应用：在高性能轿
15、车汽油机上较少应在高性能轿车汽油机上较少应用。用。13本讲稿第十三页，共三十页2浴盆形燃烧室浴盆形燃烧室 特点是：特点是：具有一定的具有一定的挤气面积，但挤流效果挤气面积，但挤流效果差；火焰传播距离较长，差；火焰传播距离较长，燃烧速度较低，使整个燃烧速度较低，使整个燃烧时间长，经济性能、燃烧时间长，经济性能、动力性能不高，动力性能不高，HC排量排量多。但工作柔和，多。但工作柔和，NOx的的排量较少，工艺性好。排量较少，工艺性好。14本讲稿第十四页，共三十页 3 3半球形燃烧室半球形燃烧室 特点是：特点是：结构紧凑，火焰传播结构紧凑，火焰传播距离也是最短的；充气效率高，且对距离也是最短的；充气效
16、率高，且对转速变化不敏感转速变化不敏感；有较好的动力性能；有较好的动力性能和经济性能，和经济性能，HC排放量低排放量低。但工作。但工作粗暴，粗暴，NOx排放较多，末端混合气冷排放较多，末端混合气冷却较差，气门驱动机构也较复杂。却较差，气门驱动机构也较复杂。15本讲稿第十五页，共三十页二、稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机二、稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机 常规汽油机常规汽油机：其混合气是均质的，一般在空燃比：其混合气是均质的，一般在空燃比12.617范围内工作。范围内工作。稀薄燃烧汽油机：稀薄燃烧汽油机：空燃比空燃比17，且保证动力性能。，且保证动力性能。稀燃汽油机的分类：稀燃汽油机的分类：（1）非直喷式
17、稀燃汽油机非直喷式稀燃汽油机，包括，包括均质稀燃均质稀燃和和分层稀燃式分层稀燃式汽油汽油机，一般只能在机，一般只能在17 25的范围内工作。的范围内工作。（2）缸内直喷式稀燃汽油机缸内直喷式稀燃汽油机，可在，可在2550范围内稳定范围内稳定工作。工作。16本讲稿第十六页，共三十页特点：特点：与常规汽油机相比，稀薄燃烧汽油机同时兼顾与常规汽油机相比，稀薄燃烧汽油机同时兼顾了了燃油经济性燃油经济性和和低排放低排放特性。特性。1717本讲稿第十七页，共三十页 1、均质稀混合气的燃烧室、均质稀混合气的燃烧室（1）TCP燃烧室燃烧室 18本讲稿第十八页，共三十页（2）双火花塞燃烧室）双火花塞燃烧室 燃烧
18、持续时间缩短，提高了发燃烧持续时间缩短，提高了发动机的性能。动机的性能。19本讲稿第十九页，共三十页2 2、分层燃烧、分层燃烧 在火花塞附近形成具有良好着火条件的在火花塞附近形成具有良好着火条件的较浓较浓的可燃混合气，而的可燃混合气，而在周边区域是在周边区域是较稀较稀混合气或空气。混合气或空气。分层燃烧的汽油机分层燃烧的汽油机可稳定工作在可稳定工作在20202525范围内。分层充气使范围内。分层充气使燃油消耗率降低燃油消耗率降低1313左右，左右，NOxNOx也有显著降低。也有显著降低。分层往往是通过不同的分层往往是通过不同的气流运动气流运动和和供油方法供油方法实现的。实现的。17分层燃烧50
19、20本讲稿第二十页，共三十页（1）美国德士古分层燃烧系统（）美国德士古分层燃烧系统（TCCS）优点：优点：1）部分负荷时有较高的经济）部分负荷时有较高的经济性能。性能。2）具有优异的多种燃料性能。）具有优异的多种燃料性能。缺点：缺点：1）NOx的含量高。的含量高。2）分层不好时，高负荷冒）分层不好时，高负荷冒黑烟，低负荷因过量空气系数过黑烟，低负荷因过量空气系数过大，燃烧不好，大，燃烧不好，HC含量增加。含量增加。3）对加速、减速等过渡工）对加速、减速等过渡工况及周围环境变化适应性较差。况及周围环境变化适应性较差。4 4）技术要求高，推广有一定困难。）技术要求高，推广有一定困难。21本讲稿第二
20、十一页，共三十页（2）CVCC燃烧系统燃烧系统 它实际上是一种它实际上是一种分区燃烧分区燃烧方式，有主、副两个燃烧室和方式，有主、副两个燃烧室和两个化油器。两个化油器。特点：特点：燃烧速度低，过后燃烧速度低，过后燃烧严重，燃烧严重，CVCC燃烧系统的燃烧系统的NOx排放量仅为一般汽油机的排放量仅为一般汽油机的13；同时排气温度高且处于；同时排气温度高且处于氧化性气氛，加之装有热反应氧化性气氛，加之装有热反应器，使排气中的器，使排气中的HC和和CO进一进一步氧化。步氧化。22本讲稿第二十二页，共三十页 （3）轴向分层稀燃系统）轴向分层稀燃系统 当进气门开启接近最大升程时，通过安装在进气道上的喷当
21、进气门开启接近最大升程时，通过安装在进气道上的喷油器将燃料对准进气阀喷入缸内；油器将燃料对准进气阀喷入缸内；燃料在涡流的作用下，沿气燃料在涡流的作用下，沿气缸轴向发生上浓下稀分层缸轴向发生上浓下稀分层。23本讲稿第二十三页，共三十页（4）滚流（纵涡）分层稀燃系统）滚流（纵涡）分层稀燃系统 MVV燃烧系统燃烧系统在进气道中设置两在进气道中设置两块薄的垂直隔板，使进块薄的垂直隔板，使进气在气缸内形成三股独气在气缸内形成三股独立的滚流立的滚流。24本讲稿第二十四页，共三十页（5）四气门分层稀燃系统）四气门分层稀燃系统 高压缩快速燃侥（高压缩快速燃侥（HCFB，high compression fas
22、t bum）系统）系统 当涡流控制阀不是完全开当涡流控制阀不是完全开启时，中性进气道的混合气启时，中性进气道的混合气较浓，切向进气道的混合气较浓，切向进气道的混合气较稀，造成较稀，造成分层充气分层充气。25本讲稿第二十五页，共三十页3 3缸内直喷式稀薄燃烧方式缸内直喷式稀薄燃烧方式 汽油机的缸内直接喷射（汽油机的缸内直接喷射（GDI）是指直接往气缸内喷射汽油。是指直接往气缸内喷射汽油。缸内直喷式汽油机一般可在缸内直喷式汽油机一般可在2550范围内稳定工作，燃油耗率范围内稳定工作，燃油耗率得到进一步改善。得到进一步改善。（1）福特缸内直喷燃烧系统（）福特缸内直喷燃烧系统（PROCO）发动机压缩比
23、达发动机压缩比达11.5，燃油消耗率，燃油消耗率可进一步下降，可大幅度降低冷起动时可进一步下降，可大幅度降低冷起动时的的HC排放，稳定工作的最大空燃比可达排放，稳定工作的最大空燃比可达25。26本讲稿第二十六页，共三十页（2）三菱）三菱4G系列缸内直喷式稀薄燃烧系列缸内直喷式稀薄燃烧 主要工作特点：主要工作特点：利用立式进气道在气缸利用立式进气道在气缸中产生逆向翻滚气流；利用中产生逆向翻滚气流；利用一个高压（喷射压力一个高压（喷射压力5MPa）的旋流式电磁喷油器，使得的旋流式电磁喷油器，使得喷出的燃油有好的贯穿度和喷出的燃油有好的贯穿度和合适的雾化；可以实现小负合适的雾化；可以实现小负荷时分层
24、燃烧；可以精确控荷时分层燃烧；可以精确控制火花点火时火花塞附近的制火花点火时火花塞附近的空燃比，提高了发动机点火空燃比，提高了发动机点火的可靠性；可以实现两段燃的可靠性；可以实现两段燃烧；在全工况范围内，可以烧；在全工况范围内，可以实现均质、分层、二段混合实现均质、分层、二段混合燃烧等。燃烧等。27本讲稿第二十七页，共三十页（3）丰田）丰田D4缸内直喷稀燃发动机缸内直喷稀燃发动机 特点：特点：在进气道上安装了电在进气道上安装了电子涡流控制阀；燃烧室为半球屋子涡流控制阀；燃烧室为半球屋顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹顶形，活塞顶部设有唇型深皿凹坑；采用高压（坑；采用高压（813MPa）旋）旋流喷油器；采用了电控流喷油器；采用了电控EGR系统。系统。GDI的广泛应用，还需要解决一些技术问题。的广泛应用，还需要解决一些技术问题。因为因为GDI燃烧系统明显改善燃油消耗率，从长远看，燃烧系统明显改善燃油消耗率，从长远看，GDI燃烧系统燃烧系统终将取代传统的燃油喷射系统。终将取代传统的燃油喷射系统。28本讲稿第二十八页，共三十页本章作业：本章作业：见见P152页，页，第第2、5、8、13、14、16、19题。题。29本讲稿第二十九页，共三十页30本讲稿第三十页，共三十页