当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第八章：汽油机的混合气形成与燃烧过程 > 8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性 > Video
同学们好
这节课我们学习
汽油机的不规则燃烧
循环波动和各缸工作不均匀性
循环波动是指
发动机在连续工作循环内
转速和转矩发生波动的
一种不规则燃烧现象
汽油机转速和转矩波动的程度
要比柴油机大得多
汽油机转速波动
一般大于±10r/min
而柴油机可稳定到±2r/min
如图所示
在汽油机10个循环的
示功图采样中
最高燃烧压力的波动范围
是25～35bar
最高燃烧压力的位置
及着火时刻也都是变动的
基于这组示功图
算出的最大放热速率的
最大值与最小值相差2倍左右
汽油机由于存在循环波动
每一循环的点火提前角
和空燃比等参数
都不可能调整到最佳值
因而其性能指标难以得到充分优化
随着循环波动的加剧
燃烧不正常甚至失火的
循环数逐渐增多
碳氢化合物等
不完全燃烧产物增多
燃烧效率下降
动力经济性会下降
同时
由于燃烧过程不稳定
使得发动机的振动噪声增大
零部件寿命会下降
下面我们讨论
如何定量评价循环波动
由于气缸压力比较容易测量
因此常用最高燃烧压力的
循环波动率
来评价循环波动的程度
定义为最高燃烧压力的标准偏差
与最高燃烧压力的平均值之比
为获得有统计意义的结果
采样循环数应在40～100之间
循环波动较大时
应进一步加大采样循环数
一般认为循环波动率
不应大于10%
性能较好的汽油机
一般不超过7%
除最高燃烧压力之外
也可用示功图及燃烧放热率的
其它特性参数来评价
循环波动程度
如最高燃烧压力
所对应的曲轴转角
压力升高率
着火时刻
最高燃烧速率
以及燃烧持续角等
图所示为一台
进气道电控喷射汽油机的
循环波动率对指示循环功的影响
试验是在节气门开度为
7.8%的小负荷进行的
如果以完全燃烧放热的循环为基准
也就是相对指示平均压力为100%
则循环波动率每增大1个单位
指示平均压力IMEP损失为1.5%
考虑到循环供油量
基本是相同的
则指示热效率也会产生
相同幅度的损失
一般柴油机的循环波动率仅有2～3%
因此循环波动也是
造成汽油机热效率低于柴油机的原因之一
示功图分析结果表明
循环波动开始于燃烧初期
即主要是由各循环火核形成前后
到火焰前锋面充分发展之前的
着火燃烧过程的差别引起的
有两个因素目前被认为是最重要的
即火花塞附近混合气成分波动
和气体运动状态波动
（1）混合气成分波动
尽管汽油机的燃烧方式
被称为预制均匀混合气燃烧
但这只是相对于柴油机燃烧来说
微观上并不是完全均匀的
空气 燃料 废气不可能在短时间内
完全混合均匀
这就会使火花塞附近的混合气成分
是随时间不断变化的
因而着火落后期的长短和火核
初期生长过程随循环产生变动
图给出了在点火前火花塞电极处的
空燃比波动情况
这是用快速采样方式测得的
50个循环的试验结果
充分说明了火花塞附近
存在显著的混合气浓度波动
（2）气体运动状态波动
燃烧室内气体的流场
特别是湍流强度分布
是极不均匀的
火花塞附近微元气体的
运动速度和方向
将对火核的形成和初始生长速率
有重要影响
流速过低
不利于火核的初始生长
而流速过高
散热加快
会使已生成的火核被吹灭
火核位置不同
也会使此后的火焰发展有差异
尽管柴油机的混合气浓度
和流速分布比汽油机更不均匀
但柴油机的着火可以出现在
任何一个适合于着火的点上
而且是多点自发着火
着火概率极高
而汽油机只可能在
火花塞处的一点着火
一旦受到某种因素的影响
使这一点的着火不完全成功
甚至完全不成功
则整个循环的燃烧性能会明显恶化
下面我们分析一下
循环波动的影响因素以及改进措施
(1) 过量空气系数的影响最大
一般过量空气系数
在0.8~1.0时的循环波动率最小
过浓或过稀都会使循环波动率增加
这也是稀薄燃烧汽油机
遇到的的主要问题
(2) 油气混合均匀程度有重要影响
适当提高气流运动速度
和湍流程度可改善混合气的均匀性
(3) 残余废气系数过大
则循环波动率增大
除了合理控制残余废气量之外
通过燃烧室合理设计和组织扫气
以防止火花塞周围废气过浓也很重要
(4) 发动机工况不同则循环波动率不同
一般低负荷和低转速时循环波动率增加
(5) 提高点火能量或采用多点点火
可降低循环波动率
如图所示
本田公司在它的0.7L
和1.3L汽油机上
采用双火花塞点火方式
燃油消耗率降低3%~5%
接下来
我们讨论汽油机的各缸工作不均匀性问题
前面介绍的循环波动是
针对某一个缸多个循环而言
而各缸工作不均匀性是指
在一个循环内
不同气缸之间的燃烧差异
多缸汽油机各缸之间的燃烧差异
要比柴油机大得多
除了循环波动的影响外
各缸间的混合气充量不均匀
混合气成分不均匀等
也是主要影响因素
一般我们用不均匀度Di表示
第i个缸的工作不均匀性
评价参数可用过量空气系数φa
充量系数φc
功率Pe
燃油耗率be
以及最高燃烧压力pmax等
例如用φc来考察
则有
如屏幕所示的
不均匀度Di的一个计算公式
式中
φci为第i缸的充量系数
φcm为各缸充量系数的平均值
可用各缸间的最大不均匀度Dmax
评价整机不均匀性
Dmax有时可达20%以上
由于各缸工作不均匀性的存在
很难找到对各缸都是最佳的点火提前角
和过量空气系数
使得发动机的动力性
经济性 排放性等整机性能指标
难以优化
同时
噪声振动也会增加
汽油机产生各缸工作不均匀性的
主要原因之一在于
各缸进气充量的不均匀
由于进气系统设计不当
进气管有动态效应
以及各缸进气重叠干涉等原因
使得各缸的实际充量系数不均匀
由于汽油机是外部混合
进气管内存在空气
油蒸气 各种浓度的混合气
大小不一的油粒以及沉积在
进气管壁上厚薄不均匀的油膜
也就是进气管内的油气分布
是多相和极不均匀的
因而进入各缸的混合气
实际浓度是不同的
另外
燃料中重馏分以及密度较大的添加剂
不易到达边缘气缸
加重了各缸混合气成分的差异
当采用废气再循环时
各缸的废气进入量也会存在差异
这些原因造成了
进入各缸的混合气的量和质
都会产生差别
由此造成各缸工作不均匀
柴油机也会出现各缸进气不均匀
但由于柴油机进入气缸的只是空气
而各缸喷油量易调整均匀
而且空气比较富裕
因而对各缸工作不均匀性的影响要小
关于汽油机的循环波动
以及工作不均匀性
我们就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
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-0.2 车用发动机的种类
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-1.1 示功图及其测取
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-1.2 四冲程发动机示功图分析
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-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
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-3.2 理论循环分类及循环热效率
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-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
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-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
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-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
