汽车发动机原理第5章-柴油机混合气的形成与燃烧课件.ppt

1、 汽车发动机原理发动机原理2022-8-4 2022-8-4发动机原理12 目录p第一章 发动机的性能p第二章 发动机的换气过程p第三章 燃料与燃烧p第四章 汽油机混合气的形成和燃烧p第五章 柴油机混合气的形成和燃烧p第六章 汽车发动机特性p第七章 车用发动机废气涡轮增压p第八章 发动机排气污染与噪声控制p第九章 新型汽车动力装置p第十章 发动机动力学2022-8-4发动机原理第一节第一节 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程p柴油机的燃烧过程由喷射系统在压缩行程接近终柴油机的燃烧过程由喷射系统在压缩行程接近终了时直接将燃油喷入燃烧室内开始的了时直接将燃油喷入燃烧室内开始的p混合气形成的时间极短，混合

2、气不均匀，在高温、混合气形成的时间极短，混合气不均匀，在高温、高压下多点自燃着火燃烧的高压下多点自燃着火燃烧的 燃烧过程概述燃烧过程概述 燃烧放热规律燃烧放热规律 柴油机与汽油机燃烧过程的对比柴油机与汽油机燃烧过程的对比柴油机的有害排放物和噪声振动柴油机的有害排放物和噪声振动2022-8-4发动机原理32022-8-4发动机原理4一、柴油机燃烧过程概述一、柴油机燃烧过程概述p 着火延迟期 p 速燃期 p 缓燃期 p 补燃期 2022-8-4发动机原理5二、燃烧放热规律二、燃烧放热规律 p瞬时放热速率瞬时放热速率:在燃烧过程中的某一时刻，在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（单位时间内（或或1 1

3、CACA）燃烧的燃油所放出的）燃烧的燃油所放出的热量热量p累积放热百分比累积放热百分比:从燃烧过程开始至某一时从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值p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p燃烧起点燃烧起点、燃烧放热规律、燃烧放热规律曲线形状曲线形状和和燃烧持燃烧持续时间续时间被认为是燃烧放热规律的三要素被认为是燃烧放热规律的三要素 2022-8-4发动机原理6各种发动机的燃烧放热规律各种发动机的燃烧放热规律p燃烧放热规律影响柴油燃烧放热规律

4、影响柴油机的性能，对了解、分机的性能，对了解、分析和改进燃烧过程有着析和改进燃烧过程有着特别重要的作用特别重要的作用 123402040608010020406080100120140160-200204060801004321累积放热百分比/放热速率/J()L曲轴转角/()-1-1曲轴转角/()图 5-2 不同类型发动机燃烧放热规律的比较1-汽油机（化油器式）2-直喷式燃烧室柴油机3-涡流室燃烧室柴油机4-预燃室燃烧室柴油机2022-8-4发动机原理7较理想的柴油机燃烧放热规律较理想的柴油机燃烧放热规律 p 有一合适的燃烧有一合适的燃烧(放热放热)起点，保证最大燃烧压力在上起点，保证最大燃烧

5、压力在上止点后止点后10101515CACA p 在燃烧放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压力升在燃烧放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压力升高率，然后燃烧应加速进行，燃烧过程应该是高率，然后燃烧应加速进行，燃烧过程应该是先缓后先缓后急急p 燃烧持续时间不宜过长，汽油机一般为燃烧持续时间不宜过长，汽油机一般为40406060CACA，柴油机为柴油机为50507070CACA 2022-8-4发动机原理8三、三、柴油机与汽油机燃烧过程的对比柴油机与汽油机燃烧过程的对比对比项目汽油机柴油机着火点燃，高温单阶段着火，单点着火压燃，低温多阶段着火，多点同时着火燃烧火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和

6、两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长放热规律燃烧放热先缓后急，燃烧持续期较短直喷机燃烧放热先急后缓，燃烧持续期较长p 柴油机与汽油机燃烧过程主要特点对比，这些差别导致了它们在动力性、经济性、排放特性等各种性能方面的差别2022-8-4发动机原理9四、柴油机的有害排放物和噪声振动四、柴油机的有害排放物和噪声振动p颗粒物颗粒物1.柴油机的有害排放物l颗粒物是指温度在 52以下时，排气中除水以外的固态和液态物质。柴油机废气中的颗粒物主要由碳颗粒物（碳烟粒子）和吸附与凝聚其上的碳氢化合物组成p氮氧化合物氮氧化合物（NOX）lN

7、OX主要是在高温富氧、相对有较充裕反应时间的条件下生成的。当过量空气系数在一定范围内时，NOX的排放量随的下降而较快地增长；而当过大或过小时，NOX的排放量变化都很小2022-8-4发动机原理10四、柴油机的有害排放物和噪声振动四、柴油机的有害排放物和噪声振动1.柴油机的有害排放物p一氧化碳一氧化碳（CO）p碳氢化台物碳氢化台物（HC）lCO是不完全燃烧的产物，由于柴油机的过量空气系数较大，产生的CO又有可能有足够的空气在膨胀过程中氧化为CO2，因此柴油机废气中的 CO含量很低，仅在接近全负荷附近，即过量空气系数过小时，CO的排放量才有所上升l柴油机废气中的HC主要是在混合气过稀的情况下产生的

8、。特别在低负荷时过量空气系数过大，由于温度过低，反应不能及时进行，从而使HC的排放量有所增大2022-8-4发动机原理11四、柴油机的有害排放物和噪声振动四、柴油机的有害排放物和噪声振动p发动机的噪声主要由气体动力噪声、机械噪声和燃烧噪声三部分组成2.柴油机的噪声和振动 气体动力噪声:由于进、排气系统及冷却风扇工作时气流压力脉动而产生的噪声，其中排气噪声占主要部分 机械噪声:由曲轴连杆机构、配气机构、齿轮系、喷油泵及其他附属机构等部分的高速运动并与其相邻零部件发生频繁的机械撞击，激励结构振动而产生的噪声 燃烧噪声：因为迅速燃烧引起燃烧室内压力急剧变化导致缸套、机体、缸盖等零部件的强烈振动并向外

9、界辐射中、高频噪声，随着压力升高率的增加，燃烧噪声增加2022-8-4发动机原理12四、柴油机的有害排放物和噪声振动四、柴油机的有害排放物和噪声振动2.柴油机的噪声和振动的控制措施l控制燃烧过程来降低燃烧噪声控制燃烧过程来降低燃烧噪声l改进机体等有关零部件的结构改进机体等有关零部件的结构，提高有关部位提高有关部位的刚度，降低结构振动的振幅和提高共振频率的刚度，降低结构振动的振幅和提高共振频率l提高有关部位的刚度，降低结构振动的振幅和提高有关部位的刚度，降低结构振动的振幅和提高共振频率提高共振频率l应用吸振减振材料制造薄板零件应用吸振减振材料制造薄板零件l改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、

10、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、冷却风扇等的设计及适当调节配气相位以降低冷却风扇等的设计及适当调节配气相位以降低气体动力噪声气体动力噪声l遮蔽噪声源遮蔽噪声源第二节第二节 柴油的喷射及雾化柴油的喷射及雾化 2022-8-4发动机原理14一、供油系统和喷射过程一、供油系统和喷射过程 p柴油机供油系统柴油机供油系统 p喷油泵速度特性及其校正喷油泵速度特性及其校正p喷射过程喷射过程 p供油规律和喷油规律供油规律和喷油规律 p不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀破坏破坏 2022-8-4发动机原理15 1.柴油机供油系统柴油机供油系统 p 柴油机供油系统一般由柴油机

11、供油系统一般由油箱、输油泵、柴油滤油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器清器、喷油泵、喷油器等组成，另外还包括等组成，另外还包括调调速器速器和和供油提前角调节供油提前角调节装置装置等等p 其中的其中的喷油泵、喷油器喷油泵、喷油器和高压油管和高压油管等组成了高等组成了高压油路，称为压油路，称为喷射系统喷射系统，是整个柴油机供油系统是整个柴油机供油系统的关键部分的关键部分 2022-8-4发动机原理16 柴油机供油系统喷油泵柴油机供油系统喷油泵p 喷油泵的主要作用是喷油泵的主要作用是定定时、定量时、定量地向各缸的喷地向各缸的喷油器周期性地供给油器周期性地供给高压高压燃油燃油 p 常见的有常见的有

12、直列式直列式喷油泵喷油泵（柱塞泵）和（柱塞泵）和分配式分配式喷喷油泵（转子泵）两种类油泵（转子泵）两种类型型p 分配式喷油泵具有分配式喷油泵具有结构结构紧凑紧凑，能在，能在较高转速较高转速下下工作的优点，但工作的优点，但供油压供油压力较低力较低 2022-8-4发动机原理17 柴油机供油系统喷油泵的结构柴油机供油系统喷油泵的结构直列式直列式柱塞喷油泵又分为：柱塞喷油泵又分为：单体泵与合成泵（整体泵）单体泵与合成泵（整体泵）2022-8-4发动机原理18p 柱塞式喷油泵的组成柱塞式喷油泵的组成 柴油机供油系统喷油泵的原理2022-8-4发动机原理19柱塞式喷油泵泵油原理柱塞式喷油泵泵油原理(a)

13、进油 (b)压缩 (c)供油 (d)回油2022-8-4发动机原理20 柴油机供油系统喷油器柴油机供油系统喷油器p喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油微细的油粒粒，并按一定的要求适当地，并按一定的要求适当地分布分布在燃烧室内。在燃烧室内。p喷油器有喷油器有孔式孔式喷油器和喷油器和轴针式轴针式喷油器两类。喷油器两类。a)b)c)d)图图 5-7 喷油嘴头部结构喷油嘴头部结构a)孔式（单孔）；孔式（单孔）；b)孔式（多孔）；孔式（多孔）；c)轴针式（标准）；轴针式（标准）；d)轴针式

14、（节流）轴针式（节流）2022-8-4发动机原理21 柴油机供油系统喷油器柴油机供油系统喷油器喷孔式喷孔式 a轴针式圆柱轴针式圆柱 b轴针式截锥形轴针式截锥形 c轴针式节流形轴针式节流形2022-8-4发动机原理22 柴油机供油系统喷油器柴油机供油系统喷油器 孔式喷油器孔式喷油器 p 用于直喷式燃烧用于直喷式燃烧室中室中p 较小的喷孔与高较小的喷孔与高压泵配合，可形压泵配合，可形成较细的喷油颗成较细的喷油颗粒粒p 易引起积炭堵塞易引起积炭堵塞 轴针式喷油器轴针式喷油器 p 用于分隔式燃烧用于分隔式燃烧室中室中p 较低的喷油压力，较低的喷油压力，喷油颗粒较大喷油颗粒较大p 有自洁作用，不有自洁作

15、用，不易堵塞易堵塞喷孔有效流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的喷孔有效流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的流通流通特性特性（开启特性）（开启特性）00.10.20.30.40.50.60.10.20.30.40.5针阀升程/mm节流轴针式喷嘴标准轴针式喷嘴孔式喷嘴喷孔面积f/mm2图图 5-8 不同喷油器的流通特性不同喷油器的流通特性2022-8-4发动机原理23汽、柴油机混合气形成装置汽、柴油机混合气形成装置 对混合气的要求对混合气的要求p 数量数量p 浓度浓度p 空间形态空间形态p 燃烧起点燃烧起点 汽油机汽油机p 节气门节气门p 喷油器喷油器p(均匀均匀)p 火花塞火花塞 柴油机柴油

16、机p 喷油泵喷油泵p 喷油泵喷油泵p 喷油器喷油器p 喷油泵喷油泵2022-8-4发动机原理24喷油泵速度特性及其校正喷油泵速度特性及其校正 p 喷油泵油量控制机构位喷油泵油量控制机构位置固定，循环供油量随置固定，循环供油量随转速变化的关系称为转速变化的关系称为喷喷油泵速度特性油泵速度特性p 对于柱塞式喷油泵，随对于柱塞式喷油泵，随着转速的上升，循环供着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势。油量呈略有增大的趋势。p 为使供油量与空气量相为使供油量与空气量相匹配，对特性进行必要匹配，对特性进行必要的校正，得到较理想的的校正，得到较理想的扭矩特性扭矩特性 校 正 后 的 特 性 曲 线0供油量A

17、BCDn12n图 5-9 喷油泵速度特性及其校正2022-8-4发动机原理25 喷射过程喷射过程 定义：从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程（15-40A）l喷射延迟阶段 l主喷射阶段 l喷射结束阶段 2022-8-4发动机原理26供油规律和喷油规律供油规律和喷油规律 两者的差异：l喷油始点滞后于供油始点 l喷油持续时间较长 l最大喷油速率较低l曲线的形状有一定的变化 定义：定义：l供油规律：喷油泵供入高压油供油规律：喷油泵供入高压油管的供油量随时间（喷油泵凸管的供油量随时间（喷油泵凸轮转角）的变化关系。它纯粹轮转角）的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运

18、动规律确定的运动规律确定的 l喷油规律：喷油过程中，喷油喷油规律：喷油过程中，喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时器喷入燃烧室内的燃油量随时间（喷油泵凸轮转角）的变化间（喷油泵凸轮转角）的变化关系关系产生差异的原因：l 燃油的可压缩性 l 系统内产生压力波的传播滞后、压力波动、节流作用 l 高压油管的弹性变形图5-12 喷油规律与几何供油规律的比较2022-8-4发动机原理27不正常喷射现象不正常喷射现象 p 正常喷射正常喷射过程过程(图图a)a)p 二次喷射二次喷射(图图b)b)p 滴油现象滴油现象p 断续喷射断续喷射(图图c)c)p 不规则喷射和隔次喷射不规则喷射和隔次喷射(图图d)d)为避免出

19、现不正常喷为避免出现不正常喷射现象，射现象，应尽可能地缩应尽可能地缩短高压油管长度，减小短高压油管长度，减小高压容积高压容积，以降低压力，以降低压力波动，减小其影响，并波动，减小其影响，并合理选择喷射系统的参合理选择喷射系统的参数数 2022-8-4发动机原理28喷射系统中的穴蚀破坏喷射系统中的穴蚀破坏 p穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上面上p产生的机理产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多高使汽泡爆裂而

20、产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀次作用于金属表面则引起穴蚀p穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命使用寿命 2022-8-4发动机原理29二、二、燃油的雾化和油束特性燃油的雾化和油束特性 p 燃油的燃油的雾化雾化：燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小：燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程液滴的过程p 雾化可以大大增加蒸发表面积，加速吸热和汽化过程雾化可以大大增加蒸发表面积，加速吸热和汽化过程p 可以从可以从几何形状几何形状和和雾化质量雾化质量两个方面来描述油束特性两个方面来描述油束特性p 不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质

21、量的要求有不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的要求有所不同所不同图5-14 油束结构示意图2022-8-4发动机原理30二、二、燃油的雾化和油束特性燃油的雾化和油束特性 p几何形状主要包括几何形状主要包括油束射程油束射程（又称为贯穿距离）（又称为贯穿距离）L L和和喷雾锥角喷雾锥角或油束的或油束的最大宽度最大宽度B B p影响油束几何形状的主要因素有：影响油束几何形状的主要因素有：喷射压力喷射压力 喷油器喷孔的长径比喷油器喷孔的长径比 空气与燃油密度比空气与燃油密度比 图5-14 油束结构示意图2022-8-4发动机原理31二、二、燃油的雾化和油束特性燃油的雾化和油束特性 p油束的雾化质量

22、一般油束的雾化质量一般是指油束中液滴的是指油束中液滴的细细度和均匀度度和均匀度p细度可以用液滴平均细度可以用液滴平均直径来表示直径来表示p均匀度是指油束中液均匀度是指油束中液滴大小相同的程度以滴大小相同的程度以及液滴在油束内分布及液滴在油束内分布的均匀程度的均匀程度 图 5-15 油束的雾化质量1-喷射压力为34MPa 2-喷射压力为15MPa2022-8-4发动机原理32三、对喷射系统的要求三、对喷射系统的要求p在任一工况下都在任一工况下都不出现不正常喷射现象不出现不正常喷射现象，不，不产生穴蚀破坏产生穴蚀破坏p根据不同转速和负荷的工况要求，在根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的最佳的喷油

23、时刻喷油时刻，精确提供所需的燃油量，精确提供所需的燃油量p尽可能实现尽可能实现理想的喷油规律理想的喷油规律 p良好的油束特性良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求。能满足具体燃烧室的要求。p对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，同时注意证有关零部件的强度和刚度，同时注意降低降低喷射系统的噪声与振动喷射系统的噪声与振动 2022-8-4发动机原理33三、对喷射系统的要求三、对喷射系统的要求 理想的喷油规律：理想的喷油规律：p更高的喷射压力和喷油速更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷油持续时率以及更短的喷油持续时间间已是技术发展的一个明

24、已是技术发展的一个明显趋势显趋势 p为避免柴油机工作过于粗为避免柴油机工作过于粗暴，又希望实现暴，又希望实现“先缓后先缓后急急”的喷油规律的喷油规律 p在所有的工况下都希望在在所有的工况下都希望在喷射结束阶段能喷射结束阶段能尽可能迅尽可能迅速地结束喷射速地结束喷射曲轴转角（）喷油速率mm /（）曲轴300.11000 1500 2000 25003000 3500 4000 45000.20.30.40.50.60.70.80.9柴油机转速n（r/min）平均有效压力p（MPa）e2022-8-4发动机原理34四、柴油机电控喷油系统四、柴油机电控喷油系统p电控柴油喷射系统的分类及工作原理p电控

25、柴油喷射系统的组成p电控柴油喷射系统的控制功能2022-8-4发动机原理351、电控柴油喷射系统的分类及工作原理p位置控制式喷油系统位置控制式喷油系统工作原理：在传统喷油泵、高压油管、喷油器系统上，加装一个电控装置发展而成的。它不改变传统喷油系统的工作原理和结构，只是用电控装置取代调速器和提前器，对直列泵的油量调节齿杆和VE泵的溢流环套以及油泵驱动轴和凸轮轴的相互位置进行低频连续调节，以控制油量和定时优点：这一类系统生产继承性强，安装方便，采用电磁阀、旋转电磁铁、步进电动机等都可作为执行机构，因此它在目前国外电控柴油机喷油系统中，商品化程度最高且已批量生产应用2022-8-4发动机原理361、

26、电控柴油喷射系统的分类及工作原理p时间控制式喷油系统时间控制式喷油系统l工作原理：利用高速强力溢流电磁阀来直接控制喷油始点和喷油量，一般情况下，电磁阀关闭喷油即开始，电磁阀打开喷油即终止，因此，喷油始点取决于该电磁阀的关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间；同时通过变更电磁阀升程或改变电磁阀所控制的油压来实现喷油率或喷油压力的控制l特点：每缸一阀(直列泵)、响应快1、电控柴油喷射系统的分类及工作原理电控泵喷油器：由传统重型车用柴油机的机械泵喷油器系统发展而来。该系统将喷油泵、喷油器合为一体，没有高压油管，每缸一组，作为一个部件直接安装在柴油机气缸盖上，由设置于缸盖上的油泵凸轮轴驱动1234

27、56图5-18 电控泵喷油器1油泵柱塞 2电磁溢流阀 3旁通油路 4柱塞腔 5高压油路 6喷油嘴p时间控制式柱塞泵脉动供油系统1、电控柴油喷射系统的分类及工作原理p时间控制式柱塞泵脉动供油系统电控单体泵系统：由原用于大、中型柴油机上的机械单体泵系统发展而来。单体泵的特点是具有结构刚性好的高压单体喷油泵、较短的高压油管，发动机缸体上设有各缸共用的油泵凸轮轴，而各缸的喷油泵分别安装在靠近喷油器的部位，其承压能力仅次于泵喷油器图5-19 电控单体泵1、电控柴油喷射系统的分类及工作原理电控分配泵系统：与位置控制式系统相比，取消了溢流环及其操纵机构，直接利用高速强力电磁阀来控制喷油和定时，结构进一步简化

28、。虽然各缸共用一个阀，由于是直接控制，电磁阀响应很快，所以在各缸供油所分配到的相位内，仍能独立分缸调控图5-20 ECD-V3型电控VE泵系统1电磁溢流导向阀 2柱塞 3柱塞腔 4出油阀 5供油定时控制阀6相对转角位置传感器 7主阀 8低压油路 9旁通道p时间控制式柱塞泵脉动供油系统1、电控柴油喷射系统的分类及工作原理p时间控制式共轨喷油系统工作原理：不再应用传统柱塞泵脉动式供油原理，而是先将燃油或者其他传递动力的工质，如机油，以高压(所需喷油压)或中压(10MPa左右)状态储集在被称为共轨(Common Rail)的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的压力油引到喷油器中实现喷射图5-21 电

29、控高压共轨ECD-U2系统2.电控柴油喷射系统的组成图5-22 位置控制式电控直列泵系统p传感器传感器实时检测和感知柴油机及车辆运行状态各种信息，包括使用人员的操作思想、操作量等信息，并把它输入到控制单元中去。p电子控制单元电子控制单元（ECU）其核心部分是计算机，由微处理机及其接口硬件和一整套软件组成，同时包括有一定的输入、输出通道接口电路等。软件的核心内容是发动机的各种性能调节曲线、图表和控制算法。ECU的作用是负责信息的采集、处理、运算决策、执行程序，并将运行结果作为控制指令输出到执行器。其中，喷油量和喷油定时脉冲是ECU发出的最重要的控制指令p执行器执行器执行器为接受ECU传来的指令，

30、并完成所需调控任务的元器件3.电控柴油喷射系统的控制功能l 喷油量的控制喷油量的控制l 喷油定时的控制喷油定时的控制l 怠速转速的控制怠速转速的控制l 起动喷油量的控制起动喷油量的控制l 各缸喷油均匀性的控制各缸喷油均匀性的控制l 过渡性能与烟度控制过渡性能与烟度控制l 喷油规律与喷油压力的控制喷油规律与喷油压力的控制l 废气再循环的控制废气再循环的控制l 扩展的功能扩展的功能（增加自诊断、安全保护与自适应控制增加自诊断、安全保护与自适应控制等）等）第三节第三节 混合气的形成和燃烧室混合气的形成和燃烧室 2022-8-4发动机原理44一、一、柴油机混合气形成特点和方式柴油机混合气形成特点和方式

31、 p柴油机可燃混合气的品质较汽油机差，因此采柴油机可燃混合气的品质较汽油机差，因此采用较大的过量空气系数用较大的过量空气系数p柴油机混合气形成所依靠作用：柴油机混合气形成所依靠作用：燃料喷雾 空气运动 与燃烧室形状的良好配合p柴油机混合气形成方式柴油机混合气形成方式：空间雾化混合空间雾化混合（不完全气相）（不完全气相）燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素 油膜蒸发混合油膜蒸发混合（完全（完全气相）气相）起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度度和油膜厚度 表表5-2 5-2 两种

32、混合方式的对比两种混合方式的对比空间雾化混合空间雾化混合油膜蒸发混合油膜蒸发混合1 1绝大部分燃料以较高的压力被喷射绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中，散布于空气中到燃烧室空间中，散布于空气中利用强烈的空气旋流将大部分燃利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上料涂布到燃烧室壁面上2 2燃料在空气中呈细小油粒状燃料在空气中呈细小油粒状燃料在壁面上形成油膜燃料在壁面上形成油膜3 3细小油滴以液相与空气混合，形成细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气（液相混合）不均匀混合气（液相混合）油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均匀的混合气（气，形成相对均

33、匀的混合气（气相混合）相混合）4 4大量细小油滴受热汽化，在着火延大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成的可燃混合气数量较迟期内形成的可燃混合气数量较多，多点大面积同时着火多，多点大面积同时着火散布在空间的少量燃油，在着火散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混合气延迟期内形成少量可燃混合气，着火面积小，着火面积小5 5初期燃烧的放热速率很高，以后逐初期燃烧的放热速率很高，以后逐渐减慢渐减慢受油膜蒸发速率的影响，燃烧放受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热速率呈前低后高的规律热速率呈前低后高的规律二、柴油机的燃烧室二、柴油机的燃烧室预燃室半开式涡流室2022-8-4发动机原理471.分隔式

34、燃烧室分隔式燃烧室 p 涡流室燃烧室涡流室燃烧室l涡流室容积约占整个燃烧 室压缩容积的50%-60%l通道的截面积约为活塞截面积的 1%3.5l涡流室燃烧过程l预燃室容积约占整个燃烧 室压缩容积的35%-45%l通道的截面积约为活塞截面积的0.3%-0.6l预燃室燃烧过程p 预燃室燃烧室预燃室燃烧室2022-8-4发动机原理48分隔式燃烧室柴油机的性能持点分隔式燃烧室柴油机的性能持点 l靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高l空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好l喷射系统的要求较低，工作可靠性

35、和使用寿命高喷射系统的要求较低，工作可靠性和使用寿命高l燃烧室结构较为复杂，面容比大燃烧室结构较为复杂，面容比大l热效率低，经济性差。冷起动性也较差热效率低，经济性差。冷起动性也较差l工作较为平稳，燃烧噪声较小工作较为平稳，燃烧噪声较小l预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般表现得更为突出表现得更为突出l一般对燃油不太敏感，有较强的适应性一般对燃油不太敏感，有较强的适应性l在有害排放方面的突出问题是低负荷下的碳烟排放量较大，在有害排放方面的突出问题是低负荷下的碳烟排放量较大，其余则优于直喷式燃烧室柴油机其余则优于直喷式燃烧室柴油机

36、2022-8-4发动机原理492.直喷式燃烧室开式燃烧室直喷式燃烧室开式燃烧室 p 凹坑较浅，凹坑口径与活塞凹坑较浅，凹坑口径与活塞直径之比一般大于直径之比一般大于0.70.7p 主要依靠燃油的喷散雾化，主要依靠燃油的喷散雾化，因此要求高的喷射压力和较因此要求高的喷射压力和较多喷孔数目多喷孔数目p 混合气形成方式为空间雾化，混合气形成方式为空间雾化，一般不组织空气运动，一般不组织空气运动，空气空气利用率相对较低（利用率相对较低（1.5-2.2)1.5-2.2)p 开式燃烧室一般适用于缸径开式燃烧室一般适用于缸径较大（较大（140mm140mm），转速较），转速较低（低（2000r/min200

37、0r/min）的柴油）的柴油机中机中 2022-8-4发动机原理503.直喷式燃烧室半开式燃烧室直喷式燃烧室半开式燃烧室 p 活塞顶部有较深的凹坑，有活塞顶部有较深的凹坑，有形和平底的深坑形，凹坑口径形和平底的深坑形，凹坑口径与活塞直径之比一般约在与活塞直径之比一般约在0.350.7之间之间p 混合气形成依靠燃油的喷散雾混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用化和空气运动两方面的作用l运用较高的压力喷射，配合以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动l半开式燃烧室一般适用于缸径80140mm，转速低于4500rmin的柴油机中 2022-8-4发动机原理51直喷式燃烧室柴油机的性能持点直

38、喷式燃烧室柴油机的性能持点 l由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低 l燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失，也是经济性好的重有主、副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因要原因l对喷射系统的要求较高对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用，影响工作可靠性和使用寿命寿命l冷起动性能较好冷起动性能较好l工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大l对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性能，适用转速

39、较分隔式燃烧室柴油机低况的性能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低 2022-8-4发动机原理524.不同燃烧室的比较与选用不同燃烧室的比较与选用 开式燃烧室半开式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室燃烧室形状简单一般复杂复杂S/V最小小大最大空气运动无或弱进气涡流与挤流压缩涡流与二次涡流燃烧涡流对喷射系统的要求最高较高较低最低喷油器孔式（712）孔式（46）轴针式轴针式喷射压力（MPa）204018281015913压缩比1215161816231823过量空气系数1.62.21.31.51.21.41.21.4直喷式燃烧室分隔式燃烧室2022-8-4发动机原理534.不同燃烧室的比较与选用不同燃烧室

40、的比较与选用 开式燃烧室半开式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室有效燃油消耗率190220200230240275245280冷启动性好较好较差差最高爆发压力高较高较低低燃烧噪声高较高较低低热负荷及排气温度低较低较高高对燃料的适应性差较差较好好适用缸径（MM）=1408014070100=65适用转速（r/min）=2000=4500=5000=5000续表续表直喷式燃烧室分隔式燃烧室2022-8-4发动机原理544.不同燃烧室的比较与选用不同燃烧室的比较与选用l对于碳烟的排放量，开式燃烧室最低，半开式燃烧室次之，对于碳烟的排放量，开式燃烧室最低，半开式燃烧室次之，而分隔式燃烧室最高而分隔式燃烧室

41、最高l半开式燃烧室的半开式燃烧室的HC的排放量最高，特别在较低负荷工况的排放量最高，特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也较高下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也较高l直喷式燃烧室较分隔式燃烧室直喷式燃烧室较分隔式燃烧室NOx的排放量明显要高，特的排放量明显要高，特别在较高负荷工况下别在较高负荷工况下l在有害排放和噪声的控制方面，分隔式燃烧室主要应控制在有害排放和噪声的控制方面，分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下；而直喷式燃烧室碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下；而直喷式燃烧室主要应解决好控制碳烟和主要应解决好控制碳烟和NOx之间的矛盾，降低燃烧噪

42、声之间的矛盾，降低燃烧噪声和控制部分负荷工况下和控制部分负荷工况下HC的排放量的排放量 2022-8-4发动机原理554.不同燃烧室的比较与选用不同燃烧室的比较与选用l重型汽车、大型工程机械用柴油机几乎毫无例外重型汽车、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（开式燃烧室和半开式燃烧地采用直喷式燃烧室（开式燃烧室和半开式燃烧室），其中的半开式燃烧室也有向开式燃烧室的室），其中的半开式燃烧室也有向开式燃烧室的特点靠拢的趋势特点靠拢的趋势l轿车柴油机中仍是涡流室燃烧室占有绝对优势，轿车柴油机中仍是涡流室燃烧室占有绝对优势，但半开式燃烧室和预燃室燃烧室也有应用。其中，但半开式燃烧室和预燃室

43、燃烧室也有应用。其中，尽管半开式燃烧室经济性相对较好，但噪声振动尽管半开式燃烧室经济性相对较好，但噪声振动较大且升功率较低，故目前主要用于较低档的轿较大且升功率较低，故目前主要用于较低档的轿车车2022-8-4发动机原理564.不同燃烧室的比较与选用不同燃烧室的比较与选用l中、轻型车的应用领域中，目前主要是涡流室燃烧室与半中、轻型车的应用领域中，目前主要是涡流室燃烧室与半开式燃烧室两者的竞争。对于开式燃烧室，由于其小缸径开式燃烧室两者的竞争。对于开式燃烧室，由于其小缸径和高转速的限制而难以采用；对于预燃室燃烧室，由于其和高转速的限制而难以采用；对于预燃室燃烧室，由于其经济性比涡流室燃烧室还要略

44、差，故也极少采用。在缸径经济性比涡流室燃烧室还要略差，故也极少采用。在缸径相对较大的中型车用柴油机中，半开式燃烧室占有一定优相对较大的中型车用柴油机中，半开式燃烧室占有一定优势并可能会继续发展这一优势势并可能会继续发展这一优势l 小型拖拉机、农用运输车中也主要采用涡流室燃烧室，小型拖拉机、农用运输车中也主要采用涡流室燃烧室，这里主要考虑的因素是其对制造和使用的要求相对较低这里主要考虑的因素是其对制造和使用的要求相对较低 l此外，分隔式燃烧室（特别是预燃室燃烧室）还常用于一此外，分隔式燃烧室（特别是预燃室燃烧室）还常用于一些要求噪声特别低的特殊场合，例如在矿井内或潜艇中使些要求噪声特别低的特殊场

45、合，例如在矿井内或潜艇中使用用 第四节第四节 燃烧过程的影响因素燃烧过程的影响因素 2022-8-4发动机原理58一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合间的配合 p柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往相互之间是矛盾的相互之间是矛盾的 燃油完全燃烧与升功率降低的矛盾燃油完全燃烧与升功率降低的矛盾 提高燃烧效率与工作平稳性的矛盾提高燃烧效率与工作平稳性的矛盾 柴油机有害排放组分平衡控制柴油机有害排放组分平衡控制 p在燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，在燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，一般应兼顾各方面的要

46、求一般应兼顾各方面的要求p燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，目前仍以大量试验、反复改进为主要手段目前仍以大量试验、反复改进为主要手段 2022-8-4发动机原理59二、影响燃烧过程的运转因素二、影响燃烧过程的运转因素 p负荷负荷 负荷增大，循环供油量增大，过量空气系数减小。负荷增大，着火延迟期缩短，降低柴油机的工作粗暴性。p转速转速 转速升高时，着火延迟期缩短。转速过低或过高时，都会使燃烧效率降低。p供油提前角供油提前角 每一种工况，均有一个最佳的供油提前角。为了降低NOx的排放量和燃烧噪声的需要，一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角 转速或负

47、荷增加时，应加大供油提前角2022-8-4发动机原理62二、影响燃烧过程的运转因素二、影响燃烧过程的运转因素 p废气再循环废气再循环(EGR)将一部分已燃的废气再次引入燃烧室内参加燃烧 有效地控制了NOX的生成，降低了NOX的排放量 仅在低速、低负荷的一定范围内，才在进气中掺入一定量的废气p燃油燃油 使用十六烷值较高的燃油可降低工作振动和噪声，降低NOx的排放量。直喷式燃烧室比分隔式燃烧室对燃油的性质更为敏感。p压缩比和增压度压缩比和增压度 压缩比提高：促使喷入的燃料加速雾化与蒸发，缩短了着火延迟期 增压：压缩终点工质的温度和压力均随之提高，使着火延迟期缩短。第五节 均质充量压缩着火燃烧发动机

48、一、传统燃烧方式的局限性一、传统燃烧方式的局限性p 火花点火发动机(SI)p 压燃式发动机(CI)l一般采用预混合燃烧，可燃 混合气在压缩冲程末期被火花塞点燃，火焰前锋在均质混合气中传播，火焰前锋及其燃烧产物的局部温度远远高于其他未燃混合气，燃烧室中温度分布极不均匀，局部的高温容易导致已燃区内NOX的生成l通过燃料调节系统来调整发动机的循环供油量以适应发动机工况的变化（变质调节）。其燃烧类型导致混合气浓度和温度分布都极不均匀，在燃烧室内的局部高温区产生NOX，高温缺氧区（即浓混合气区）产生炭粒二、均质充量压缩着火燃烧的原理及应用现状二、均质充量压缩着火燃烧的原理及应用现状pHCCI基本原理：通

49、过压缩缸内均匀的基本原理：通过压缩缸内均匀的燃油和空气的混合气，在上止点燃油和空气的混合气，在上止点(TDC)附近实现自燃的一种新型燃烧方式附近实现自燃的一种新型燃烧方式汽油机汽油机柴油机Caterpillar Engine Research(2003)Flame propagation dominated combustionMultiple Combustion locations二、均质充量压缩着火燃烧的原理及应用现状二、均质充量压缩着火燃烧的原理及应用现状pHCCI应用现状应用现状 Nissan MK 本田本田Active Radical（AR）发动机）发动机是 UNIBUS是丰田公司

50、开发的燃烧系统是丰田公司开发的燃烧系统MK（Modulated Kinetics）是Nissan公司提出来的，以低温、预混合燃烧为特征的，可以同时降低柴油机NOX和微粒排放的一种燃烧方式两冲程单缸摩托车用商业引擎，工作在双模式下。它在冷启动、怠速和高负荷下作为一个火花塞点火的引擎操作；在低负荷时转变为HCCI燃烧模式由日本三菱发动机公司Yoshinori Iwabuchi等人提出，可以实现高效、低排放的稀薄燃烧 PREDIC燃烧系统燃烧系统和和MULDIC燃烧系统燃烧系统PREDIC燃烧系统燃烧系统是日本NEW ACE研究所提出的。它采用早的燃油喷射定时，具有很低的NOX排放；但HC排放和燃油