《发动机原理》第六章柴油机混合气形成和燃烧(第次课)

上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统1）位置式喷射系统

1.位置式喷射系统

机械/电控都属于泵－管－喷嘴型结构；

喷油泵是核心部分；

喷油器只起喷油作用，供油压力控制；喷油泵按结构分为直列泵和分配泵。上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统1）位置式喷射系统控制：滑套相对柱塞的位移改变供油始点供油预行程在一定范围内实现供油时刻的任意控制a)停油位置b)部分负荷供油位置c)全负荷供油位置柱塞套进、回油孔柱塞螺旋槽测量控制齿杆上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统1）位置式喷射系统上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统1）位置式喷射系统喷油过程喷油泵端燃油压力喷油器端燃油压力喷油器针阀升程１、喷射延迟阶段从柱塞上控制边缘或顶面刚遮盖进油孔的供油始点Op到针阀开启的喷油始点O0的一段曲轴转角；２、主喷射阶段从喷油始点O0起到喷油泵回油造成喷油泵端的燃油压力开始下降的时刻为止的一段曲轴转角３、喷射结束阶段从喷油器端的燃油压力开始降低的时刻起到喷油器针阀完全落座停止喷油为止上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统1）位置式喷射系统供油规律喷油规律存在的问题：供油规律与喷油规律不同；出现不正常喷射现象：二次喷射；喷油压力波动滴油现象；高压密封断续喷射；针阀周期跳动隔次喷射；2循环喷1次上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统2）时间-压力式电控喷射系统特点：不断高压化典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种1.高压共轨系统高压共轨系统特点：结构上：把泵-管-喷嘴三个单元，按各自功能相互独立起来充分提高控制自由度。功能上：实现高压喷射；喷射压力、喷射时刻、喷油规律达到可直接调控放热规律可控制。

上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统2）时间-压力式电控喷射系统1.高压共轨系统

各单元的作用：①高压泵：按一定速率向共轨供油，保证轨压恒定供油原理：多山凸轮每转供三每次供油频率与喷射频率一致

②共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压按恒定压力均匀分配到各缸喷油器。③喷油器的主要作用：根据ECU的控制指令完成定量、雾化及喷油规律的控制。上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统2）时间-压力式电控喷射系统1.高压共轨系统

高压共轨喷射系统的特点：共轨压力波动小不存在压力波引起的难控区、失控区以及调速器能力不足等问题；喷射压力独立于n和负荷可实现理想喷油规律易实现多阶段脉冲喷射过程喷射规率自由控制

喷射量仅取决于共轨压力和喷油器通电脉冲宽度;高压高压泵驱动损失，需耐高压和高压密封。0.51.01.52.02001501005096MPa80MPa48MPa38MPa喷射量mm3/st通电脉冲幅Ti/ms上次课内容回顾§6-3燃油喷射和雾化三、喷射系统2）时间-压力式电控喷射系统2.泵喷嘴：结构特点：♦泵喷嘴体、控制阀及电磁阀等组成；

♦柱塞偶件和喷油器偶件集成在一个壳体内。

喷油正时和喷油量：由电磁阀控制进油阀开启时刻和持续时间来控制高压系统容积很小易高压化(>200MPa)可靠性好；但复杂♦取消了高压油管弥补高压共轨耐高压及高压密封缺陷。3.单体泵结构特点：一种模块式结构；各缸柱塞泵独立；喷油器和喷油泵间用短高压油管连接§6-4混合气的形成与燃烧室一、柴油机混合气形成方式不同混合气形成方式，对喷雾和燃烧室内气流的特性要求不同形成方式分为：空间雾化混合方式

油膜蒸发混合方式影响柴油机混合气形成的因素：燃料的雾化特性，燃烧室内气流特性§6-4混合气的形成与燃烧室一、柴油机混合气形成方式1）空间雾化：多孔式喷油器强制雾化+与空气的相对运动燃油与空气相对速度是混合气形成的主要因素影响油气相对速度的因素：p喷，T，，气流特性即喷雾特性与燃烧室内气流特性的匹配。123351234i）回转体燃烧室ii)四角形燃烧室iii）四角圆弧形燃烧室vi）花瓣形燃烧室传统的直喷燃烧室：主要靠空间雾化形成混合气缺陷：燃烧室内气流组织不当，喷射压力低；混合气形成速率随n适应性差淘汰NOx已淘汰2）油膜蒸发：燃烧室壁面形成油膜后，利用受热蒸发和空气流动作用形成混合气。影响混合气形成的主要因素是

油膜蒸发速度

燃烧室相对油膜的运动速度

油膜厚度2）油膜蒸发：传统分隔式燃烧室

一部分空间雾化，大部分油膜蒸发形成混合气涡流室式预燃室式压缩过程涡流室内形成强烈压缩涡流壁面油膜蒸发混合喷入主燃室二次涡流n适应性

压缩过程预燃室内形成强烈紊流部分空间混合喷入主燃室燃烧涡流n适应性

3）传统直喷式和分隔式燃烧室特点：直喷式：燃烧等容度高；散热面积小；经济性好冷起动性好；

=14~18

对喷射系统要求高；对高速敏感；排放、高速性差粗暴，NOx排放高。分隔式：空气利用率好；

n适应性好喷雾要求低、成本低；

散热面积大；通道节流损失大；热效率低；冷起动性差。=20~24二、高速直喷燃烧室结构及其混合气形成特点柴油机燃烧放热规律及NOx和PM生成预混合燃烧过程和扩散燃烧过程。预混合燃烧过程缸内气流特性和喷雾质量；扩散燃烧过程后喷射的喷雾质量和气流特性;H

D1

D2

D1D2A型(D<120mm)B型(D>120mm)

缸内气流特性：燃烧室结构形状喷雾质量：高压喷射三、燃烧室内气流特性及其评价方法目的：有效控制预混合燃烧和扩散燃烧期间的气流特性。评价指标滚流强度保持性评价方法：基于CFD软件，对燃烧室三维空间瞬态流场进行模拟计算；燃烧室断面三维计算模型计算断面SW不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响：缩口比D2/D1一定时，燃烧室底部凸起形状对滚流强度保持性的影响I型II型III型D1D2扩散燃烧期燃烧室底部形状对排放特性的影响：

在扩散燃烧期间，因气流分布及保持性不同对CO、

HC及烟度影响明显。g§6.5燃烧过程的影响因素一、喷雾特性与燃烧室形状匹配1）喷射夹角(位置)：喷射夹角不同，喷雾在燃烧室位置不同过大：更多燃料飞溅到挤气面过小：空间混合，预混合燃烧过小过大NOx烟度喷射夹角:=152°=156°=160°喷孔直径负荷油耗NOx烟度喷射压力和喷孔数一定喷孔直径影响喷射总面积。喷孔直径小：射程夹角变小雾化油束着壁倾向烟度。直径过大：小负荷/大负荷区，喷雾质量差存在最佳喷控直径喷孔数和进气涡流喷孔数和涡流强度影响喷注与燃烧室空间的匹配孔数过多或涡流强度过强喷注相互干涉适当减小涡流比,进气阻力,v

喷孔数过多，燃烧室内横向涡流过强喷注之间干涉；纵向涡流：预混合阶段适当；扩散燃烧阶段有足够强度——保持性喷孔直径及喷孔数的确定确定喷孔直径时，一般考虑最大喷射面积；一定喷射压力，影响喷射速率及喷雾质量喷孔数：根据燃烧室空间大小来确定Vb：最大循环喷油量

n：转速：喷控流量系数j：喷油持续角j：喷孔处平均喷油速率喷孔数=i时：喷油器面容比：喷嘴结构传统结构：HC的工况排放值100%小压力室无压力室HC工况排放值/%喷油器压力室对HC排放的影响喷后压力室内油进入气缸雾化不良HC；无压力室针阀升程很小因节流效应射程不均一定喷孔面积，喷嘴壁厚影响贯穿距离雾化效果

喷射压力（轨压）轨压，喷射速率，喷射持续时间，初期放热速率，NOx，PMNOx轨压轨压轨压轨压HCbeCO不同转速下，轨压对发动机性能的影响：二、影响燃烧过程的运转因素1.负荷质调节：进入气缸的空气量基本保持不变，只调节循环喷油量。负荷,=喷油量，a；单位Vh混合气燃烧放热量,Tz，i，粗暴；但大负荷时，燃烧过程延长e

2、转速

n散热/漏气损失pcTc；i着火落后期；喷油压力高压化可改善雾化

n过低：雾化热效率；

n过高：燃烧过程迟后，充气效率——热效率3.喷油时刻pt

决定喷注相对燃烧室空间的喷射位置。

一般：pt过大，缸内p、Ti；压缩负功；

pz、Tz工作粗暴；NOx；动力性，经济性pt过小：燃烧不及时，散热损失，排温；动力性，经济性

最佳pt0：动力性经济性不变的前提下，NOx。推迟pt是NOx的主要措施。pt0随负荷、转速而变化。缩口燃烧室，喷射压力=24MPa，机械喷射系统：相对传统静态供油提前角由11~14°CA6~8°CA

NOx而传统直喷柴油机gt0=11°~30°CA。gt0范围=8~14°CA4.

燃油特性十六烷值过低：自燃性差，不易着火。i，工作粗暴，NOx

冷态正常燃烧条件易着火压缩比和十六烷值匹配：从1614&十六烷值5585时着火特性不变有效NOx和HC十六烷值，自燃性好i，dp/d，工作温柔，

NOx;但过高冒烟。5.EGREGR作用：降低燃烧温度；降低氧浓度NOx

但EGR率过大燃烧滞后、不完全，经济性；排烟各工况存在最佳EGR率。EGR作用在柴油机和汽油机上的区别：汽油机：量调，EGR后，A/F基本不变；反应及燃烧温度NOx柴油机：质调，EGR后，A/F,Tz，NOx效果明显。m0：无EGR时进气量；m：有GR时的进气量柴油机EGR降低NOx效果：EGR流量=有无EGR时的进气流量之差EGR抑制燃烧效果与氧氮含量效果各50%空滤器进气1.可变增压+双级增压4.电控高压多段喷射系统还元剂供给系统6.氧化催化+DPF+NOx还元2.中冷3.EGR中冷EGR阀5.燃烧室内气流特性§6-6柴油机的排放控制技术表6-1不同技术措施对排放及性能的影响效果喷射系统后处理喷射压力最高化喷射压力控制先导喷射喷射时期控制EGR还元剂NOx氧化剂HC静电除尘PM/SM/HC◎◎—×——◎◎NOx×○◎◎◎◎——油耗○○○×○———噪声×○◎○————起动机－○○×————行驶性○◎—×————◎：明显改善，○：改善，×：恶化，—：无效果。一、机内措施

1．喷射系统的控制目的：良好喷雾特性、喷注与燃烧室良好匹配；控制喷油规律控制放热规律节能又低排放措施：喷射压力高压化；且喷射时期/喷油量/喷油率可变控制；响应特性。相对UP和UIS：C-R直接控制喷油器控制响应特性，高速柴油机上普遍采用。喷油器的要求：喷射压力高压化：>200MPa雾化，喷射速率多段脉冲喷射：响应特性喷射规律放热规律

2．新的燃烧方式①低温燃烧技术MK燃烧：特点：低温燃烧和预混合燃烧相组合同时NOx&PM。喷射持续时间-着火延迟期/degCAModulatedKinetics基本原理：由EGR氧浓度和TzNOx;同时采用MK(可调)高压喷射缩短喷射时间+冷EGR+提前喷iPCIPM

byEGR高压喷射冷EGRMK燃烧预混合燃烧②HCCI技术：

EGR=30%早喷=17早喷，=17EGR=30%:1714早喷低压缩比早喷=14EGR=30%EGR放热率压缩过程中喷射，i，形成稀薄预混合气压燃PCCI混合气均匀化3.不同阶段柴油机的控制技术对应2005年前排放法规的主要技术措施：欧IV前轨压=160MPa、冷EGR、VNT/VGS、预喷射燃烧、进气涡流可变系统、燃料含硫量≯50ppm；采用DOC（DieselOxidationCatalyst）、DPF后处理。针对2005年实施的欧洲排放法规：欧IV高压多段喷射技术、闭环电控，高增压可变技术、高冷EGR，PCI燃烧方式，燃料含硫量≯

10ppm。2009年实施的排放法规的技术措施：欧V以上200MPa多段喷射、部分HCCI、内部EGR、燃料低含硫且机油含硫量为0，采用NH3-SCR后处理技术。二、后处理技术1）氧化催化转化器目的：将CO和HC以及PM中的SOFCO2和H2O

主要氧化催化剂：Pt钯和Pd铂，Pt/Pd≈2.3/1组合用Pd受Pb铅的侵蚀；Pt受热劣化影响催化反应因素：反应物浓度：O2浓度和CO/HC/H2浓度间的平衡温度催化剂的工作温度为300℃以上。空间速度=单位时间内的气体流量：<数万升/h

向排气供给新鲜空气2次空气柴油中含硫量多氧化剂会生成硫酸盐PM

氨水箱氨水供给系统氧化催化剂高压喷射装置2）NOx的催化还元转化器选择型还原装置SCR(Selectivecatalyticreduction)：氨为还原剂催化装置前供给相对燃料3~5%的32.5%浓度尿素。用排气热进行水分解反应产生NH3对NO进行选择型还原工作温度：250℃~500℃3）柴油机微粒捕集器（DPT或DPF）蜂窝陶瓷型DPF结构特点：相邻孔道迷宫式。排气从孔道流入穿过多孔性陶瓷壁面流出PM过滤在各孔道壁面。DPF的再生：及时清除堆积在滤芯上的PM恢复到原来低阻力状况过程。定期烧掉的方式。

排气孔道截面22mm，壁厚0.4mm;滤芯体积一般在柴油机排量的1~2倍DPF的再生方法：成为DPF的重要问题

滤芯催化器滤芯加热器阀ON阀OFF再生电加热再生系统：电加热DPF供给一定空气来烧掉PM。采用遮断DPF流动法需多个DPF，每个DPF再生所需能量少结构复杂。连续再生系统