第7章柴油机混合气的形成和燃烧

1、汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 第三篇第三篇 燃烧与排放燃烧与排放汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 第第7章章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧 7.17.1柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程 图图7.1 7.1 柴油机燃烧过程、喷油速率和放热规律柴油机燃烧过程、喷油速率和放热规律 着火延迟期速燃期缓燃期补燃期压缩线针阀行程喷油速率累计放热率燃烧放热率缸内气体温度缸内气体压力线汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧

2、1.1.着火延迟期着火延迟期 着火延迟期又称为滞燃期、着火落后期，从燃油开始喷入燃烧室内(A点)至由于开始燃烧而引起压力升高使压力线明显脱离压缩线开始急剧上升(B点) 。 影响因素：燃烧室内工质的状态。P,T,柴油十六烷值；喷雾特性、燃烧室形式、气流特性和缸壁温度等。CA128-i度曲轴转角，一般mss37 . 0-表示，一般时间汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 着火延迟期长短会明着火延迟期长短会明显影响该阶段喷油量显影响该阶段喷油量和预制混合气量的多和预制混合气量的多少，从而影响柴油机少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力性、的燃烧特性、

3、动力性、经济性、排放特性以经济性、排放特性以及噪声振动，必须精及噪声振动，必须精确控制。确控制。 改善喷雾雾化和蒸发改善喷雾雾化和蒸发条件有利于缩短着火条件有利于缩短着火延迟期延迟期 图7.2 温度与压力对着火延迟期的影响汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2.2.速燃期速燃期 压力升高率 从提高动力性和经济性的角度，希望dpd大一些 dpd过大会使柴油机工作粗暴，运动零部件受到过大冲击载荷， 过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加。 为兼顾柴油机运转平稳性，dpd不宜超过0.4MPa()，而为了抑制氮氧化物的生成，d

4、pd还应更低。BCBCppp汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3.3.缓燃期缓燃期 从压力最高点至温度最高点（CD段） 特点：空气逐渐减少，燃烧产物不断增多，燃烧进行渐趋缓慢。如燃烧组织不当，易产生炭烟。 解决措施：后期喷入的燃油能及时得到足够的空气，尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧，从而提高柴油机的经济性和动力性。 柴油机燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。 缓燃期不缓缓燃期不缓- -越快越好越快越好 关键是混合气形成速率关键是混合气形成速率4. 4. 补燃期补燃期 最高温度（D点

5、）至燃油基本燃烧完（E点）的时段。放热量达到总放热量的95%99%时认为补燃结束。问题：补燃期过长 热量利用效率低，排温高，散热损失大，经济性差缩短补燃期汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.1.2 7.1.2 柴油机燃烧放热规律柴油机燃烧放热规律 1.燃烧放热规律的定义 瞬时放热速率瞬时放热速率是指在燃烧过程中的某一时刻，是指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内单位时间内( (或或l l曲轴转角内曲轴转角内) )燃烧的燃油所燃烧的燃油所放出的热量；放出的热量； 累积放热百分比累积放热百分比，是指从燃烧过程开始至某，是指从燃烧过程开始至某

6、一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。比值。 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为的变化关系，称为燃烧放热规律燃烧放热规律 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 图7.3 燃烧放热规律 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2. 2. 柴油机合理的燃烧放热规律柴油机合理的燃烧放热规律 1)放热规律三要素 一般将燃烧放热始点(相位)、放热持续期和放热率曲线的形状称为放热规律三要素 2)理想的

7、燃烧放热规律及其控制 放热始点的位置要能保证最大燃烧压力出现在上止点后1215。柴油机通过喷油提前角的变化以及着火落后期长短来加以调控。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 柴油机的喷油提前的调节规律是：要求转速及负荷都提前 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 放热持续期首先取决于喷油持续角的大小 影响放热规律曲线形状的因素比较复杂 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.27.2柴油机混合气的形成原理柴油机混合气的形成原理 7

8、.2.17.2.1燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化- -位置式泵位置式泵-管管-喷嘴型特点喷嘴型特点一 供油过程 供油系统的主要作用是定时定量并按一定规律向各缸供给高压燃油。传统的有直列柱塞式喷油泵供油系统和分配式喷油供油系统，都属于泵-管-嘴系统。 曲轴带动凸轮运动-挺柱体往复运动-压力变化-弹簧作用和压差-喷油。具体请参看柴油机燃油供给系统。汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 二二 喷射与雾化过程喷射与雾化过程喷油特性和喷雾特性喷油特性和喷雾特性燃油喷射效果燃油喷射效果喷油特性是高压油路中的行为，包括喷油开始时刻、喷油特性是高压油路中

9、的行为，包括喷油开始时刻、 喷油持续期、喷油速率变化及喷油压力；喷油持续期、喷油速率变化及喷油压力；喷雾特性是燃油喷入燃烧室后的行为，包括贯穿距离、喷雾特性是燃油喷入燃烧室后的行为，包括贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径、油束中燃油密度速度和粒度的喷雾锥角和喷雾粒径、油束中燃油密度速度和粒度的分布规律。分布规律。汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 供油规律影响喷油规律，但不同供油规律影响喷油规律，但不同缺点：喷油规律不可控缺点：喷油规律不可控1. 喷油过程喷油过程泵端压力泵端压力喷嘴端喷嘴端压力压力针阀升程针阀升程喷油过程划分为等三个阶段：喷油

10、过程划分为等三个阶段：喷射延迟期：供油开始喷射延迟期：供油开始喷油开始喷油开始高压油管内以高压油管内以 1400m/s声速传播声速传播建立喷油器端油压建立喷油器端油压缺点：供油与喷油不同步缺点：供油与喷油不同步主喷射期：喷油开始主喷射期：喷油开始喷嘴端压喷嘴端压力开始急剧下降。力开始急剧下降。2段段 喷油结束阶段：从喷油器端压力喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧降低至喷油器针阀落座开始急剧降低至喷油器针阀落座停止喷油。停止喷油。3 3段。此时喷射压力降段。此时喷射压力降低低雾化特性变差。雾化特性变差。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧

11、 存在的问题存在的问题：供油规律与喷油规律不同；供油规律与喷油规律不同；出现不正常喷射现象：出现不正常喷射现象： 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2. 供油规律与喷油规律供油规律与喷油规律 单位凸轮轴转角单位凸轮轴转角( (或单位时间或单位时间) )由喷油泵供入高由喷油泵供入高压油路中的燃油量称供油速率；单位凸轮轴转压油路中的燃油量称供油速率；单位凸轮轴转角角( (或单位时间或单位时间) )由喷油器喷入燃烧室内的燃油由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为喷油速率量称为喷油速率 两者的差别主要原因 ：(1) (1) 燃油的可压缩性燃油的可压缩

12、性 (2) (2) 压力波传播滞后压力波传播滞后 (3) (3) 压力波动压力波动 (4) (4) 高压容积变化高压容积变化 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3 3. .异常喷射与穴蚀异常喷射与穴蚀 a)a)正常喷射正常喷射 b)b)二次喷射二次喷射 c)c)断续喷射断续喷射 d)d)隔次喷射隔次喷射 异常喷射现象：异常喷射现象：u二次喷射；喷油压力波动二次喷射；喷油压力波动u滴油现象；高压密封滴油现象；高压密封u断续喷射；针阀周期跳动断续喷射；针阀周期跳动u隔次喷射；隔次喷射；2 2循环喷循环喷1 1次次穴蚀穴蚀- -压力波动，冲击

13、波长时间作用于金属表面产生小压力波动，冲击波长时间作用于金属表面产生小坑并不断发展成穴蚀。坑并不断发展成穴蚀。汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 4.4.喷油器喷油器 孔式喷油器-用于直喷式燃烧室。燃烧室形状和空气运动喷孔数目、孔径和喷射角度等。精度高加工困难。 轴针式喷油器-分割式燃烧室。分为标准轴针和节流轴针汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 核心部分液滴核心部分液滴密集，速度高密集，速度高 油束外侧液滴油束外侧液滴稀少，速度低稀少，速度低 p几何形状：贯穿距离几何形状：贯穿距离

14、L ；贯穿率和喷雾锥角或；贯穿率和喷雾锥角或B 贯穿率贯穿率：油束射程：油束射程与喷孔出口沿喷孔与喷孔出口沿喷孔轴线到达燃烧室壁轴线到达燃烧室壁面的距离的比值面的距离的比值表征燃油喷到燃烧表征燃油喷到燃烧室壁面的程度室壁面的程度 贯穿距离贯穿距离5. 喷雾特性与雾化质量喷雾特性与雾化质量 喷雾喷雾(油束油束)特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压，是影响混合气形成的主要因素压，是影响混合气形成的主要因素 油束特性：用几何形状和雾化质量评价油束特性：用几何形状和雾化质量评价 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和

15、燃烧 贯穿率贯穿率1: 表示油束已喷到燃烧室壁面。表示油束已喷到燃烧室壁面。 喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环境密度越小境密度越小贯穿率越大，喷雾锥角越小。贯穿率越大，喷雾锥角越小。 油束射程短：油束射程短：贯穿距离贯穿距离L ，喷注穿透不足；喷注穿透不足； 空间雾化空间雾化气流强气流强粗暴，粗暴，NOx 油束射程过长：油束射程过长：喷注穿透过度喷注穿透过度，喷注着壁，喷注着壁 ； 燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气冒烟冒烟汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 p

16、 油束的雾化质量：油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。液滴的细度和均匀度表示。 评价指标：平均粒径、索特粒径和粒径分布 喷雾粒径分布的三种方式：1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 p 油束的雾化质量：油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。液滴的细度和均匀度表示。 烟度烟度0粒径粒径10均匀度是表示油束中液滴均匀度是表示油束中液滴大小相同程度及直径分布大小相同程度及直径分布的均匀程度。的均匀程度。 细度用油束中液滴的细度用油束中液滴的平均直径表示，该值平均直径表示，该值越小雾化质量越好越小雾化

17、质量越好 减小喷孔直径、增大喷油压力可以减小油滴直径和提高油滴均匀度 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.2.27.2.2燃烧室与混合气形成燃烧室与混合气形成 1.柴油机的混合气形成特点和方式柴油机的混合气形成特点和方式 1) 1) 空间雾化混合空间雾化混合 2) 2) 油膜蒸发混合油膜蒸发混合 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3) 3) 两种混合方式的对比两种混合方式的对比 空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用 喷雾细、均匀。较多的油滴受热蒸发，着火延迟期内形

18、成大量的可燃混合气，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。 如果减小着火延迟期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。 空间雾化混合方式有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流燃烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。 油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。 随

19、燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。 大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2.缸内气流运动缸内气流运动 1) 涡流 (1) 进气涡流 (2)压缩涡流 2)挤流 3) 湍流 4) 滚流 图图7.217.21切向气道、螺旋气道的原理切向气道、螺旋气道的原理( (a)a)切向气道；切向气道；( (b)b)纯螺旋气道纯螺旋气道汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的

20、形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 图7.22切向气道、螺旋气道的进气门出口处的速度分布 (a)切向气道； (b)纯螺旋气道 涡流转速与发动机转速之比称为涡流比涡流转速与发动机转速之比称为涡流比 进气涡流比和压缩终点时燃烧室凹坑内的涡流比的关系进气涡流比和压缩终点时燃烧室凹坑内的涡流比的关系 22kcdD汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 图7.23 挤流的形成 a)无进气涡流或涡流不强时的挤流 b)进气涡流强时的挤流 c)逆挤流 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3.3.柴油机

21、燃烧室柴油机燃烧室 图7.24各种直喷式燃烧室形式 (a) 浅盆形 (b) 形 (c)挤流口形 (d)球形 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 浅盆形燃烧室的特点-油找气，大缸径低速柴油机 形燃烧室的特点汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 属于半开式燃烧室，在活塞顶部设有比较深的凹坑，其中形凹坑的中心凸起是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气而设置的。 一般dkD为0.6左右，dkh1.53.5。采用46孔均布的多孔喷油器中央布置(四气门时)或偏心布置(二气门时)，喷

22、雾贯穿率一般为1.05。 空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。 进气涡流比介于最低的浅盘形燃烧室(3)之间， 通过减小dkD，和余隙高度S0，可使挤流强度增加。 由于利用燃油喷射和空气运动两方面的作用形成混合气，因而比浅盘形更容易形成均匀的混合气，空气利用率提高，可在过量空气系数声1.31.5的条件下实现完全燃烧。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 挤流口形燃烧室 图图7.267.26非回转体燃烧室非回转体燃烧室( (a) a) 四角形四角形 ( (b) b) 微涡流微涡流MTCC ( c) Quardram (d) MTCC ( c)

23、Quardram (d) 花瓣形花瓣形 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 直喷式燃烧室柴油机的性能特点直喷式燃烧室柴油机的性能特点 (1)由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低 (2)燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小 (3)对喷射系统的要求较高 (5)NOx的排放量较分隔式燃烧室柴油机高 (6)对转速的变化较为敏感 (7)压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2) 2) 分隔式燃烧室分隔式燃烧室- -油膜蒸发油膜蒸发涡流室式涡

24、流室式 对预燃室对预燃室 压缩过程压缩过程涡流室内形涡流室内形成强烈压缩涡流成强烈压缩涡流壁面油膜蒸发混合壁面油膜蒸发混合喷入主燃室喷入主燃室二二次涡流次涡流n适应性适应性 压缩过程压缩过程 预燃室内形成预燃室内形成 强烈紊流强烈紊流部分部分空间空间混合混合喷入喷入主燃室主燃室燃烧涡燃烧涡流流n适应性适应性 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 分隔式燃烧室柴油机的性能特点分隔式燃烧室柴油机的性能特点 (1)(1)采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段过浓采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段过浓( (还原还原) )气氛，抑制了气氛，抑制了NONOx

25、x的生成和燃烧的生成和燃烧温度，而后段的稀燃温度，而后段的稀燃( (氧化氧化) )气氛和二次涡流又促进了炭烟的快速氧化，因而气氛和二次涡流又促进了炭烟的快速氧化，因而NONOx x和微粒排放均低于直喷式燃烧室，但低负荷下的碳烟排放量较大。和微粒排放均低于直喷式燃烧室，但低负荷下的碳烟排放量较大。(2)(2)由于初期放热率低，因而压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧由于初期放热率低，因而压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧柔和，振动噪声小。柔和，振动噪声小。(3)(3)对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升高而增强，即转速越高，混合气形成和燃对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升

26、高而增强，即转速越高，混合气形成和燃烧速度越高，因此涡流室式燃烧室适合于高速柴油机，其转速可高达烧速度越高，因此涡流室式燃烧室适合于高速柴油机，其转速可高达50005000r rminmin。(4)(4)缸内气流运动自始至终比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数缸内气流运动自始至终比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数1.21.2左右的左右的条件下正常工作。条件下正常工作。(5)(5)对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，因而加工制造成本低，对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，因而加工制造成本低，使用故障少。使用故障少。(6)(6)一般对燃油不太敏感，有较强的

27、适应性。一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。(7) (7) 燃烧室结构复杂，表面积与容积之比较大，加上强烈的空气运动的影响，使散燃烧室结构复杂，表面积与容积之比较大，加上强烈的空气运动的影响，使散热损失较大，通道节流作用引起的流动损失也较大。因此，分隔式燃烧室柴油机热损失较大，通道节流作用引起的流动损失也较大。因此，分隔式燃烧室柴油机较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。(8) (8) 散热损失大和喷雾质量不高，冷起动性能不如直喷式燃烧室散热损失大和喷雾质量不高，冷起动性能不如直喷式燃烧室 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃

28、烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3）传统直喷式和分隔式燃烧室特点：）传统直喷式和分隔式燃烧室特点： 直喷式：直喷式：燃烧等容度高；燃烧等容度高； 散热面积小；散热面积小； 经济性好经济性好 冷起动性好；冷起动性好； =1418 对喷射系统要求高；对喷射系统要求高； 对高速敏感；对高速敏感； 排放、高速性差排放、高速性差 粗暴，粗暴，NOx排放高。排放高。分隔式：分隔式：空气利用率好；空气利用率好； n适应性好适应性好 喷雾要求低、成本低；喷雾要求低、成本低； 散热面积大；通道节流损失大；散热面积大；通道节流损失大； 热效率低；冷起动性差。热效率低；冷起动性差。 =2024汽车发动机原理汽车发动机

29、原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.2.3燃烧室的对比及选型燃烧室的对比及选型 (1) 直喷式柴油机的燃油经济性明显优于分隔式柴油机 (2) 分隔式燃烧室柴油机在原理上是低排放燃烧方式，比直喷式柴油机有优势 (3) 分隔式燃烧室柴油机噪声振动性能方面比直喷式柴油机有优势，高速性能好 (4) 重型汽车、大型工程机械用柴油机几乎毫无例外地采用直喷式燃烧室 (5) 在包括农用运输车和小型拖拉机在内的农用柴油机领域，涡流室式燃烧室仍被较多地应用，但直喷式燃烧室的比重在不断扩大。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃

30、烧 7.3 7.3 柴油机燃烧过程的优化柴油机燃烧过程的优化 7.3.17.3.1燃烧优过程化的基本原则燃烧优过程化的基本原则 一、燃烧过程影响因素一、燃烧过程影响因素- -油油- -气和燃烧室气和燃烧室 燃油理化性质、压缩气体状态、燃油喷射规律和油气燃油理化性质、压缩气体状态、燃油喷射规律和油气混合组织混合组织二、控制燃烧过程的原则二、控制燃烧过程的原则1) 油气燃烧室的最佳配合 2) 控制着火延迟期内的混合气生成量 3) 合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动 4) 紧凑的燃烧室形状 5) 加强燃烧期间和燃烧后期的扰流 6) 优化运转参数 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形

31、成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 三、影响燃烧过程的运转因素三、影响燃烧过程的运转因素1. 负荷负荷质调节：进入气缸的空气量基本保持不变，只调节循环喷油质调节：进入气缸的空气量基本保持不变，只调节循环喷油量。量。 负荷负荷 ,=喷油量喷油量 ， a ； 单位单位Vh混合气燃烧放热量混合气燃烧放热量 , Tz ， i ，粗暴，粗暴 ； 但但 大负荷时，燃烧过程延长大负荷时，燃烧过程延长 e 2、转速、转速 n 散热散热/漏气损失漏气损失pc Tc ； i着火落后期着火落后期 ；喷油压力高压化；喷油压力高压化可改善雾化可改善雾化 n过低：雾化过低：雾化热效率热效率 ； n过高：燃烧过程迟后，充气

32、效率过高：燃烧过程迟后，充气效率 热效率热效率 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3. 喷油时刻喷油时刻 pt 决定喷注相对燃烧室空间的喷射位置。决定喷注相对燃烧室空间的喷射位置。 一般：一般： pt过大，过大， 缸内缸内p、Ti ；压缩负功；压缩负功 ； pz、Tz工作粗暴；工作粗暴；NOx ； 动力性动力性 ，经济性，经济性 pt过小：燃烧不及时，散热损失过小：燃烧不及时，散热损失 ，排温，排温 ； 动力性动力性 ，经济性，经济性 最佳最佳 pt0：动力性经济性不变的前提下，：动力性经济性不变的前提下， NOx 。 推迟推迟 pt是

33、是 NOx的主要措施的主要措施 。 pt0随负荷、转速而变化。随负荷、转速而变化。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.3.2燃油喷射过程的优化燃油喷射过程的优化 对喷油规律的基本要求对喷油规律的基本要求 1 1）“先缓后急，断油迅速先缓后急，断油迅速” ” 2)2)尽可能减少喷油系统中的燃油压力波动，以防止尽可能减少喷油系统中的燃油压力波动，以防止不正常喷射现象不正常喷射现象 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 合理的喷油规律合理的喷油规律及其实现及其实现 图7.35 合理的喷

34、油规律 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 1）改变凸轮型线 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2）双弹簧喷油器 图图7.38 7.38 双弹簧喷油器喷射规律形状与单双弹簧喷油器喷射规律形状与单 弹簧喷油器进行对比弹簧喷油器进行对比a) a) 单弹簧喷油器单弹簧喷油器 ( (b) b) 双弹簧喷油器双弹簧喷油器 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3 3）预喷射和多段喷射）预喷射和多段喷射 图图7.37预喷射对燃烧特性的影响预

35、喷射对燃烧特性的影响 图图7.40 7.40 多段喷射的示意图多段喷射的示意图 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 不同燃油喷射系统的标准喷油过程对比 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7.3.37.3.3柴油机的预混合燃烧柴油机的预混合燃烧 均质压燃(预混压燃)HCCI(Homogeneous Charge Compression ignition) HCCI燃烧特性 1）全部混合气同时压缩着火2）燃烧放热分为二个阶段3）排放明显改善 （低负荷）2.HCCI实现方法 汽车发动机原

36、理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 1) 1) 丰田丰田UNIBUSUNIBUS燃烧方式燃烧方式 图7.32丰田UNIBUS系统的多层多孔喷油器 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 2)2)日产日产MKMK(modulated kinetics) 燃烧方式燃烧方式 图7.33 MK燃烧过程的主要技术路线及排放降低效果 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 3. HCCI技术难点技术难点 (1)(1)在发动机全工况范围内控制着火定时；在发动机全

37、工况范围内控制着火定时；(2)(2)在发动机全工况范围内控制燃烧率，尤其是高负荷运在发动机全工况范围内控制燃烧率，尤其是高负荷运行时燃烧率的控制行时燃烧率的控制( (使放热率放慢，限止噪声或过高燃使放热率放慢，限止噪声或过高燃烧压力烧压力) )；(3)(3)把把HCCIHCCI向高负荷扩展；向高负荷扩展；(4)(4)改善冷起动和瞬态响应特性；改善冷起动和瞬态响应特性；(5)(5)发展排放控制系统，降低发展排放控制系统，降低HCHC和和COCO排放；排放；(6)(6)发展发动机的控制策略和系统发展发动机的控制策略和系统( (闭环反馈系统闭环反馈系统) )以及研以及研制相应的传感器；制相应的传感器

38、；(7)(7)开发合适的燃料开发合适的燃料( (包括混合燃料包括混合燃料) )；(8)(8)保证多缸机各缸的均匀性；保证多缸机各缸的均匀性；( (9)HCCI9)HCCI的燃烧模拟计算的燃烧模拟计算。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 7-4 柴油机电控喷射技术柴油机电控喷射技术一、对燃料喷射系统的要求一、对燃料喷射系统的要求机械机械/电控泵电控泵-管管-喷嘴位置式控喷嘴位置式控制方法：三者相互间受限制制方法：三者相互间受限制 不能有效地控制不能有效地控制放热规律放热规律 喷油器、喷油泵、喷油器、喷油泵、ECU相互独立构成相互独立构成:

39、控制自由度控制自由度 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 二、柴油机喷射系统的发展：二、柴油机喷射系统的发展： 机械式机械式位置式电控位置式电控时间控制式高压电控时间控制式高压电控机械式：直列泵、机械式：直列泵、 V形分配泵形分配泵位置式电控：位置式电控：TICS、VE高压电控：高压共轨（高压电控：高压共轨（C-R）喷射压力喷射压力200MPa 泵喷嘴泵喷嘴 单体泵单体泵喷射压力：喷射压力：1826MPa汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 三、现代车用柴油机喷射系统的要求三、现代车用

40、柴油机喷射系统的要求1喷射压力高压化，且可任意调控喷射压力高压化，且可任意调控保证燃料保证燃料快速、良好雾化。快速、良好雾化。2喷油器响应特性足够快喷油器响应特性足够快在极短时间内，喷在极短时间内，喷油规律的自由控制油规律的自由控制达到最佳喷油时刻和理想达到最佳喷油时刻和理想喷油规律。喷油规律。3喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配。喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配。适应高效率低排放燃烧方式的要求适应高效率低排放燃烧方式的要求汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 1）位置式喷射系统）位置式喷射系统 1. 位置式喷射系统位置式喷射系统油泵

41、速度特性：供油量随油泵速度特性：供油量随n增加而增加增加而增加调速器的必要性：调速器的必要性： 防止高速飞车，低速熄火防止高速飞车，低速熄火喷射过程：取决于喷射压力；喷射过程：取决于喷射压力； 喷射压力与供油压力有关喷射压力与供油压力有关; 但非线性关系，不可控。但非线性关系，不可控。四、喷射系统四、喷射系统汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 溢流节流孔 张力杠杆 断油阀 柱塞套 到喷油器 出油阀 柱塞 柱塞弹簧 油量调 节滑套 平面凸轮 喷油 提前器 驱动 齿轮 滑片式 输油泵 齿轮 驱动轴 调压阀 燃油入口 调速手柄 调速弹簧 停车

42、手柄 飞锤 调速套筒 流回油箱 直列泵直列泵供油量控制：通过驾驶供油量控制：通过驾驶员员/调速器调节油量控制调速器调节油量控制环套位置来完成环套位置来完成 机械式喷油泵机械式喷油泵 VE型分配泵：型分配泵：一个柱塞，与固定一个柱塞，与固定在一起的端面凸轮在一起的端面凸轮盘一同旋转盘一同旋转 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 电控直列泵电控直列泵TICS（Timer Injection Control System）：在）：在P型型泵基础上改进。泵基础上改进。 l结构：保留结构：保留P型泵油量控制齿杆机构型泵油量控制齿杆机构在柱塞偶件上增

43、加控制滑套，取代在柱塞偶件上增加控制滑套，取代P型泵型泵的倒挂形柱塞套。的倒挂形柱塞套。l控制：滑套相对柱塞的位移控制：滑套相对柱塞的位移改变供油改变供油始点始点供油预行程供油预行程在一定范围内实现在一定范围内实现供油时刻的任意控制供油时刻的任意控制 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 VE型电控分配泵：型电控分配泵：消除机械式调速器；消除机械式调速器；增设：转速传感器增设：转速传感器2； 滑套位置传感器滑套位置传感器5； 喷射定时器位置传感器喷射定时器位置传感器3； 比例电磁阀比例电磁阀1； 电磁阀电磁阀4等等 控制油量控制油量环套位置

44、环套位置滑套位置滑套位置传感器传感器喷射定时传喷射定时传感器感器控制喷射定控制喷射定时电磁阀时电磁阀汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 图图 ECDU2系统示意图系统示意图2）时间）时间-压力式电控喷射系统压力式电控喷射系统 特点：不断高压化特点：不断高压化 典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种 三向阀控制脉冲三向阀控制脉冲燃油箱燃油箱其他信息其他信息（p,t）节流阀节流阀ECU负荷负荷压压 力力传感器传感器三通阀三通阀喷射率控制喷射率控制油压活塞油压活塞针阀体针阀体喷油器喷油器油油 泵泵控

45、制阀控制阀E/G转速转速及凸轮及凸轮转角转角气缸判气缸判别信号别信号 蓄蓄压压室室高压供油泵高压供油泵喷射喷射压力压力控制控制1. 高压共轨系统高压共轨系统汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 高压共轨系统特点：高压共轨系统特点：p结构上：把泵结构上：把泵-管管-喷嘴三个单元，按各自功能喷嘴三个单元，按各自功能相互独立起来相互独立起来充分充分提高控制自由度。提高控制自由度。p功能上：实现高压喷射；功能上：实现高压喷射；喷射压力、喷射时喷射压力、喷射时刻、喷油规律达到可直接调控刻、喷油规律达到可直接调控放热规律可控放热规律可控制。制。 各单元

46、的作用：各单元的作用： 高压泵：按一定速率向共轨供油，保证轨压恒定高压泵：按一定速率向共轨供油，保证轨压恒定 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 BOSCH-CR型三缸径向柱型三缸径向柱塞式高压泵：塞式高压泵： 结构：泵体、结构：泵体、泵盖、气门组件、泵盖、气门组件、柱塞泵组件、柱柱塞泵组件、柱塞弹簧、凸轮轴塞弹簧、凸轮轴组成。组成。特点：每压油单元采用多个特点：每压油单元采用多个压油凸轮，三缸柱塞泵隔压油凸轮，三缸柱塞泵隔120度均匀分布度均匀分布保证供油保证供油频率和供油量频率和供油量 汽车发动机原理汽车发动机原理第第7 7章柴油机混合气的形成和燃烧章柴油机混合气的形成和燃烧 共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压按恒定压力均按恒定压力均匀分配到各缸喷油器。匀分配到各缸喷