可燃混合氣成分與汽油機性能的關系

可燃混合氣成分與汽油機性能可燃混合氣是指空氣與燃料的混合物，其成分對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性與排放性等都有很大的影響。對于混合氣成分，歐美各國及日本一般都直接以其中所含空氣與燃料的質量比一一空燃比來表示。理論上，lkg汽油完全燃燒需要空氣14.7kg，故對于汽油機而言，空燃比為14.7：1的可燃混合氣可稱為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于有很大的影響。對于混合氣成分，歐美各國及日本一般都直接以其中所含空氣與燃料的質量比一一空燃比來表示。理論上，lkg汽油完全燃燒需要空氣14.7kg，故對于汽油機而言，空燃比為14.7：1的可燃混合氣可稱為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于14.7：1，則意味著其中汽油含量有余（亦即空氣含量不足），可稱之為濃混合氣。同理，空燃比大于14.7：1的可燃混合氣則可稱為稀混合氣。在我國除用空燃比表示混合氣成分外，還常用過量空氣系數(shù)表示混合氣的濃稀程度，常用符1:2371:22.2I1:20.7I1:19.2裳1:17.8玉愜1:163謖1:14.81:13.31:11.51:10.41:8.9燃油/kg 燃燒Ikg燃料實際供給的空氣質量/kg空氣/kg 燃燒1kg燃料理論所需的空氣質雖/kg稀混合氣火焰?zhèn)鞑ハ孪蘩硐牖旌蠚?/p>

最高功祁濃混合氣火焰?zhèn)鞑ハ孪?:3 —0.201:3 —0.20|怠迎 ?高轉速—發(fā)動機轉速/（r/min）——圖4-4可燃混合氣成分對發(fā)動機性能的影響（發(fā)動機轉速不變，節(jié)氣門全開）1—燃油消耗率2—功率號入表示。X=燃燒1kg燃料實際進入氣缸空氣質量/燃燒1kg燃料理論上充滿氣缸空氣質量由上面的定義表達式可知：無論使用何種燃料，凡過量空氣系數(shù)X=1的可燃混合氣即為理論混合氣；X<1的為濃混合氣；X>1的則為稀混合氣。O可燃混合氣混合比例對發(fā)動機性能的影響可燃混合氣的比例成分對發(fā)動機性能的影響是通過試驗得出的。在發(fā)動機轉速一定和節(jié)氣門全開條件下，流經(jīng)化油器的空氣量即為一定值。此時通過改變汽油量孔尺寸以改變供油量，即可得到過量空氣系數(shù)X不同（即濃度不同）的可燃混合氣。分別以不同X值的可燃混合氣供入發(fā)動機，并測出相應的發(fā)動機功率和燃料消耗率。試驗結果表明，發(fā)動機功率Pe和燃料消耗率be都是隨著過量空氣系數(shù)X而變化的。圖4—4為某汽油機在轉速不變和節(jié)氣門全開條件下試驗所得Pe和be隨X值而變化的關系。圖中縱坐標為Pe和be的相對值（%）。在功率坐標上，以使用各種濃度的混合氣所得到的各個不同的功率值中的最大值為100%；而在燃油消耗率坐標上，則以各個燃油消耗率值中最小值為100%。理論上，對于X=1的理論混合氣而言，所含空氣中的氧正好足以使其中全部燃料完全燃燒。但實際上，由于時間和空間條件的限制，汽油細粒和蒸氣不可能及時地與空氣絕對均勻地混合。因此，即使X=1，汽油也不可能完全燃燒。要使混合氣中的汽油都能完全燃燒，混合氣必須是X>1的稀混合氣。從圖4—4所示的實例中可以看出，該發(fā)動機在入=1.11時，燃油消耗率最低，即經(jīng)濟性最好。此混合氣稱為經(jīng)濟混合氣。這就說明在這種混合氣中，有適量富余的空氣，正好能使汽油完全燃燒。經(jīng)驗表明，對于不同的汽油機，相應于最低燃油消耗率的混合氣成分一般在入=1.05?1.15的范圍內。如果混合氣過稀(入＞1.05?1.15)，雖然混合氣中的汽油可以保證完全燃燒，但是，由于過稀的混合氣燃燒速度低，在燃燒過程中，有很大一部分混合氣的燃燒是在活塞向下止點移動時，燃燒空間容積很快增大的情況下進行的，這部分混合氣燃燒放出的熱量中轉變?yōu)闄C械功的相對較少，而通過氣缸壁面?zhèn)鹘o冷卻水而散失的熱量卻相對增多，使汽油機的動力性和經(jīng)濟性都相應變壞。在混合氣嚴重過稀的情況下，燃燒過程甚至可能拖延到下一個循環(huán)的進氣過程開始以后，此時殘存在氣缸中的火焰將通過開啟著的進氣門，將進氣管中的混合氣點燃，造成進氣管回火；加之過稀的混合氣燃燒時，單位容積的混合氣所能放出的熱量也較少，使汽油機輸出的功率下降。因此，不能對發(fā)動機供給這種過稀的混合氣。實際上，當混合氣稀到入=1.3—1.4時，燃料分子之間的距離將增大到使混合氣的火焰不能傳播的程度，以致發(fā)動機不能穩(wěn)定運轉，甚至缺火停轉；此入值稱為過量空氣系數(shù)的火焰?zhèn)鞑ハ孪?。從圖4—4中還可看出，在節(jié)氣門全開而轉速保持一定的情況下，該發(fā)動機在入=0.88時，輸出的功率最大。此混合氣稱為功率混合氣。對不同的汽油機來說，一般在過量空氣系數(shù)入=0.85?0.95的混合氣中，汽油分子相對較多，混合氣燃燒速度高，熱損失小，如果其它條件相同，用這種成分的混合氣工作的汽油機所輸出的功率將是最大的。但是，這種混合氣中空氣含量不足，必將有一部分汽油不可能完全燃燒，因而發(fā)動機的經(jīng)濟性較差。混合氣過濃，例如圖4—4中過量空氣系數(shù)K0.88時，由于燃燒很不完全，氣缸中將產(chǎn)生大量的一氧化碳甚至是還有游離的碳粒，造成氣缸蓋、活塞頂、氣門和火花塞積炭，排氣管冒黑煙，排氣污染嚴重。廢氣中的一氧化碳還可能在排氣管中被高溫廢氣引燃，發(fā)生排氣管“放炮”現(xiàn)象。此外，由于這種混合氣的燃燒速度較低，有效功率也將減小，燃油消耗率則將增高。當混合氣加濃到入=0.4?0.5左右時，由于燃燒過程中嚴重缺氧，也將使火焰不能傳播。此入值稱為過量空氣系數(shù)的水焰?zhèn)鞑ド舷?。以上對相應于圖4—4所示的試驗結果，所作的分析，可簡要地總結于表4—2中。表4-2可燃混合氣濃度對發(fā)動機性能的影響混合氣種類空氣過度系數(shù)入發(fā)動機功率R油耗率b.備 注火焰?zhèn)鞑ド舷?,4混合氣不燃燒，發(fā)動機不工作過濃混合氣0.43—0.87減小顯著增大燃燒室積炭，排氣管冒黑煙，消聲器有拍擊聲(放炮)功率混合氣0.88最大增大18%理論混合氣減小2%增大4%經(jīng)濟混合氣L11減小8%最小過稀混合氣1-13—1.33顯著減小顯著增大化油器回火和有拍擊聲，發(fā)動機過熱，加速性變壞火焰?zhèn)鞑ハ孪?.4—混合氣不燃燒，發(fā)動機不工作由以上分析可知，為了保證發(fā)動機可靠地穩(wěn)定運轉，汽油機正常工作時，其所用混合氣成分入應在0.8?1.2范圍內調節(jié)。一般在節(jié)氣門全開條件下，所用可燃混合氣的人=0.85-0.95時，發(fā)動機可得到較大的功率。當入=1.05?1.15,發(fā)動機可以得到較好的燃油經(jīng)濟性。將節(jié)氣門置于各種不同開度時，重復上述試驗便可發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門開度越?。òl(fā)動機負荷越?。?，則相應于最大功率的入值也越小。表示這些變化規(guī)律的圖線即為圖4—5中的虛曲線1。同樣，在各種不同的節(jié)氣門開度下（發(fā)動機在各種不同的負荷下），都存在著一個燃油消耗率最小的入值，但其數(shù)值也是隨發(fā)動機負荷的減小而降低的，如圖4—5中的虛曲線2所示。曲線2說明，最經(jīng)濟的可燃混合氣并不總是稀的。在小負荷范圍內，混合氣也要變得較濃方能保證發(fā)動機工作最經(jīng)濟。實際上，對于一定的發(fā)動機，相應于一定工況，化油器只能供應一定入值的可燃混合氣，該入值究竟應照顧功率的要求，還是照顧經(jīng)濟性的要求，或者二者適當兼顧，這就要根據(jù)汽車及其發(fā)動機的各種工況進行具體分析。O汽車發(fā)動機各種工況對可燃混合氣成分的要求由于汽車在使用中的實際裝載質量不是定值，路面性質及道路坡度也是多樣化的，路上的車流和人流情況又十分復雜，這就使得汽車的行駛速度和牽引力經(jīng)常需要作大幅度的變化。因此，作為汽車動力的汽油機的工況（負荷和轉速），不可能如同用作固定動力的汽油機那樣穩(wěn)定，而是要經(jīng)常在最大可能的范圍內變化。例如，汽車在起步前或在紅燈信號下短時間停車時，發(fā)動機應作怠速運轉。此時負荷為零（節(jié)氣門開度最?。D速最低；在汽車滿載爬陡坡時，節(jié)氣門應全開（全負荷），但轉速并非最高；在一般道路上行駛時，行駛阻力不大，節(jié)氣門只須部分開啟，即發(fā)動機在中等負荷下工作，車速和發(fā)動機轉速也不一定很高；有時在好路上高速行駛，發(fā)動機就可能是全負荷，轉速又達到最大值?？傊囉闷蜋C工作的特點是：1） 工況變化范圍很大，負荷可從0變到100%，轉速可從最低穩(wěn)定轉速變到最高轉速，而且有時工況變化非常迅速。2） 在汽車行駛的大部分時間內，發(fā)動機是在中等負荷下工作的。轎車發(fā)動機負荷經(jīng)常是40%—60%，而貨車則為70%—80%。車用汽油機各種使用工況對混合氣成分的要求各不相同，現(xiàn)分述如下。1、穩(wěn)定工況對混合氣成分的要求發(fā)動機的穩(wěn)定工況是指發(fā)動機已經(jīng)完成預熱，轉入正常運轉，且在一定時間內沒有轉速或負荷的突然變化。穩(wěn)定工況又可按負荷大小劃分為怠速和小負荷、中等負荷、大負荷和全負荷三個范圍。（1） 怠速和小負荷工況怠速一般是指發(fā)動機在對外無功率輸出的情況下以最低轉速運轉，此時混合氣燃燒后所作的功，只是用以克服發(fā)動機內部的阻力，使發(fā)動機保持最低轉速穩(wěn)定運轉。汽油機怠速轉速一般為400—800r/mino怠速工況時，節(jié)氣門處于接近關閉位置，吸人氣缸的可燃混合氣不僅數(shù)量極少，且其中的汽油霧化蒸發(fā)也不良，此時混合氣的燃燒不完全，怠速工況排出的HC與CO很多。此外，由于進氣管中的真空度很高，如果當進氣門開啟時氣缸內的壓力仍高于進氣管壓力，廢氣就可能膨脹而沖入進氣管，而后又隨著新鮮混合氣一起被吸入氣缸，因而吸入氣缸中的氣體廢氣含量較大。為保證這種品質不良而且被廢氣稀釋過的混合氣能正常燃燒，化油器提供的混合氣必須較濃，即入應為0.6?0.80。當節(jié)氣門略開而轉入小負荷工況時，新鮮混合氣的品質逐漸改善，廢氣對混合氣的稀釋作用也逐漸減弱，因而混合氣濃度可以減小至入=0.7?0.9。這一負荷范圍內的理想的混合氣成分變化規(guī)律如圖4—5中曲線3的相應區(qū)段。為了減少怠速排氣中的有害成分，宜采用較高的怠速轉速。（2） 中等負荷工況車用發(fā)動機在大部分工作時間內處于中等負荷狀態(tài)。在此情況下，節(jié)氣門有足夠的開度，廢氣稀釋的影響可以忽略不計。此時，燃油經(jīng)濟性要求是首要的，化油器應供給接近相應于燃油消耗率最小的人=1.0?1.15的混合氣，如圖4—5中曲線3在中等

負荷范圍內的一段。這樣，功率損失不多，節(jié)油的效果卻很明顯。圖4-5理想化油器的特性（轉速一定）1—相應于最大功率的*值2—相應于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性（3）大負荷和全負荷當汽車需要克服較大的阻力（例如上坡或在艱難的道路上行駛時）而要求發(fā)動機能發(fā)出盡可能大的功率時，駕駛員往往將加速踏板踩到底，使節(jié)氣門全開，發(fā)動機在全負荷下工作。這時，要求化油器能供給相應于最大功率的濃混合氣Q=0.85-0.95）。在達到全負荷之前的大負荷范圍內，化油器所供給的混合氣應從以滿足經(jīng)濟性要求為主逐漸轉到以滿足動力性要求為主。即在大負荷范圍內，理想的混合氣成分變化曲線圖4-5理想化油器的特性（轉速一定）1—相應于最大功率的*值2—相應于最小燃油消耗率的x值3—理想化油器特性2、過渡工況對混合氣成分的要求汽車在運行中主要的過渡工況有冷起動、暖機、加速及急減速等幾種。（1） 冷起動發(fā)動機起動時轉速極低（只有100r/min左右），因此化油器中的空氣流速非常低，不能使汽油得到良好的霧化，其大部分將呈較大的油粒狀態(tài)，特別是在冷起動時，這種油粒附在進氣管壁上，不能及時隨氣流進入氣缸內，從而使氣缸內混合氣過稀，以至無法燃燒。為此，要求化油器供給極濃的混合氣1=0.4?0.6），以保證進入氣缸內的混合氣中有足夠的汽油蒸氣，使發(fā)動機得以順利起動。（2） 曖機冷起動后，發(fā)動機各氣缸開始自動運轉，發(fā)動機溫度逐漸上升暖機），直到接近正常值，發(fā)動機能穩(wěn)定地進行怠速運轉為止。在此暖機過程中，化油器供出的混合氣的過量空氣系數(shù)入值應當隨著溫度的升高，從起動時的極小值逐漸加大到穩(wěn)定怠速所要求的數(shù)值為止。（3） 加速發(fā)動機的加速是指負荷突然迅速增加的過程。當加速時，駕駛員猛踩加速踏板，使節(jié)氣門開度突然加大，以期發(fā)動機功率迅速增大。這時，通過化油器的空氣流量瞬時隨之增加，但是，液體燃料的慣性遠大于空氣的慣性，其燃料流量的增長比空氣要慢得多，致使混合氣暫時過稀。而且，在節(jié)氣門急開時，進氣管內壓力驟然升高，同時由于冷空氣來不及預熱，使進氣管內溫度降低。這種條件當然不利于汽油蒸發(fā)，致使燃料的蒸發(fā)量相對減少。因此，除非有額外的燃料添加進去，否則將會出現(xiàn)瞬時混合氣過稀現(xiàn)象。這不僅達不到使發(fā)動機加速的目的，而且還可能發(fā)生發(fā)動機熄火現(xiàn)象。為了改善汽車發(fā)動機的加速性能，化油器應能在節(jié)氣門突然開大時，額外添加供油量，以便及時使混合氣加濃到足夠的程度。（4） 急減速當汽車急減速時，駕駛員急速抬起加速踏板，節(jié)氣門迅速關閉。這時由于進氣管真空度激增而使沿進氣管壁面流動的油膜迅速蒸發(fā)，使混合氣變濃，燃燒惡化，排氣中HC的含量迅速增加。因此，當汽車急減速時，化油器中的節(jié)氣門緩沖器可以減緩節(jié)氣門關閉的速度和限制節(jié)氣門開度，從而避免混合氣過濃。綜上所述，車用汽油機在正常運轉時，在小負荷和中負荷工況下，要求化油器能隨著負荷的增加供給由較濃逐漸變稀的混合氣成分。當進人大負荷范圍直到全負荷工況下，又要求混合氣由稀變濃，最后加濃到能保證發(fā)動機發(fā)出最大功率。這種在一定轉速下，汽車發(fā)動機所要求的混合氣成分隨負荷變化的規(guī)律，稱為理想化油器特性（圖4—5）。將理想化油器特性與圖4—3所示的簡單化油器特性相比較，可以看出二者截然相反。這是因為簡單化油器只是靠喉管真空度吸出汽油，所以在怠