汽车发动机原理与汽车理论第6章课件.ppt

1、第一节燃料喷射与雾化第二节柴油机的燃烧过程第三节可燃混合气的形成与燃烧室第四节影响燃烧过程的运转因素分析第五节影响燃烧过程的结构因素第六节 柴油机的电子控制第七节工程应用实例(文摘)第六章柴油机混合气的形成与燃烧第一节第一节 燃料喷射与雾化燃料喷射与雾化 目前,在实际装车使用的柴油机燃油喷射系统中,主要有泵-管-嘴系统(又可细分为直列泵系统、分配泵系统、单体泵系统)、泵-喷嘴系统和高压共轨系统三大类。一、喷油泵速度特性及其校正柱塞式喷油泵速度特性按冒烟特性确定的最佳油泵速度特性1.出油校正出油校正可变阀校正可变的减压作用出油阀节流2.弹簧校正弹簧校正工作原理弹簧校正器作用二、燃料喷射过程二、燃

2、料喷射过程 喷油过程喷油延迟阶段主喷射阶段漏油阶段二、燃料喷射过程二、燃料喷射过程三三.供油规律和喷油规律供油规律和喷油规律供油规律和喷油规律的比较 喷油规律是喷油速率,即单位时间内(或1喷油泵凸轮轴转角内)喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间(或喷油泵凸轮转角)的变化关系。供油规律与喷油规律之间存在着明显的差别,除了供油始点与喷油始点不同外,喷油持续时间较供油持续时间长,最大喷油速率较最大供油速率低,曲线形状也有一定的变化。四、喷油的雾化及油束特性四、喷油的雾化及油束特性1.油束的形成及特性 燃料以很高的压力(40120MPa)和很高的速(100400m/s)从喷油器的喷孔喷出,在高速流动时所产

3、生的内部扰动及气缸中空气阻力的作用下,被粉碎成细小的油粒,其形如圆锥(见图6-10),这种大小不同的油粒所组成的圆锥体称为油束(或喷注)油束本身的特征可用喷雾锥角、射程及雾化质量来说明。影响因素喷油器结构介质反压力喷油泵凸轮外形及转速2.影响油束特性的因素喷油压力 柴油机的柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：燃烧过程可分为四个阶段：1 着火延迟阶段；着火延迟阶段；2 速燃期；速燃期；3 缓燃期；缓燃期；4 后燃期后燃期。第二节柴油机的燃烧过程一、燃烧过程二、燃烧放热规律二、燃烧放热规律典型直喷式燃烧室柴油机放热规律的三个阶段第三节可燃混合气的形成与燃烧室第三节可燃混合气的形成与燃烧室 在柴油机发展

4、过程中,人们提出了各种不同的混合气形成方式,但基本上是两种形式:(1)空间雾化混合将燃料喷向燃烧室空间,形成雾状混合物。为了使混合均匀,要求喷出的燃油要与燃烧室形状相配合,并利用燃烧室中空气的运动。(2)油膜蒸发混合 将大部分燃油喷射到燃烧室壁面上,形成一层油膜。油膜受热汽化蒸发,在燃烧室中强烈的旋转气流作用下,燃料蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。在小型高速柴油机中,燃油或多或少会喷到燃烧室壁上,所以两种混合方式都兼而有之,只是多少、主次有所不同。目前,多数柴油机仍以空间雾化混合为主,球形燃烧室柴油机则以油膜蒸发混合为主。一、直喷式燃烧室一、直喷式燃烧室1.半开式燃烧室的空气涡流运动(1)进气

5、涡流 1)切向气道。2)螺旋气道。(2)挤流切向气道螺旋气道挤流2.以形为代表的半开式燃烧室3.其他形式半开式燃烧室(1)球形油膜燃烧室(2)复合式燃烧室二、分隔式燃烧室1.涡流室燃烧室(1)混合气形成 在涡流室燃烧室中,混合气形成主要靠空气强烈的、有组织的涡流运动(压缩涡流与二次涡流)。涡流强度要适度,涡流太强,引起较大的传热损失和流动损失;涡流太弱,混合气形成不好,也会造成性能下降。(2)结构特点 涡流室形状a)Perkins S499b)锥形平底(彗星V)c)柱形平(3)主要优缺点 l这种燃烧室对喷雾质量要求不高,可用单孔轴针式喷油器,孔径为1mm左右;针阀开启压力较低,约为1214MP

6、a,降低了对燃油供给系统的要求,减少喷油器堵塞现象。l这种燃烧室对转速变化不敏感。转速升高,气流的涡流运动也加强,因此高速性好,最高转速可达5000r/min,广泛应用于小型高速柴油机上。由于利用的是压缩涡流和二次涡流,故对进气道没有特殊要求与限制,对减小进气阻力、提高充气效率有利。l 这种燃烧室的p/和pz较低,运转平稳;排气污染小;易于调试;使用性能稳定。2.预燃室燃烧室(1)混合气形成压缩过程中气缸内部分空气被压入预燃室,由于连接通道截面积很小,且不与预燃室相切,所以在预燃室中形成强烈的无组织的湍流。(2)主要优缺点由于预燃室与主燃烧室连接通孔的截面积小,气体二次通过产生强烈的节流,使主

7、燃室压力上升缓慢,p/和pz值低。非增压柴油机一般pz=46.5MPa,在相同功率下比直喷式小25%30%,所以工作柔和,噪声小。预燃室燃烧室混合气形成主要依靠燃烧涡流,故对燃油系统的要求低,对转速及燃油品质不敏感,均用轴针式单孔喷嘴,针阀开启压力约为812.5MPa。所以燃油系统工作比较可靠,喷油器寿命较长,有适应多种燃料的能力。燃烧室内存在消耗能量较大的湍流运动,流动损失比涡流室燃烧室更大。而且燃烧室散热面积大,散热损失也较大。因此,经济性差、燃油消耗率高be=250285g/(kWh)是预燃室燃烧室的严重缺点。冷起动困难,压缩比较高,一般为1822,需要起动辅助装置。当柴油机转速较低时,

8、流入预燃室的气体速度降低,油束贯穿力增加,相当多的燃油在着火前已进入主燃烧室,致使主燃烧室初期燃烧油量增多,压力升高率大。因此,采用预燃室燃烧室的柴油机在高转速时运转平稳。但随转速下降,燃烧噪声会相应加大,惰转时噪声更大。三、燃烧室的比较与选型常用柴油机燃烧室的主要结构参数和性能对比(1)燃油经济性(2)排放特性(3)功率密度(4)噪声振动性能(5)制造成本由上表数据的对比可以总结出以下几点第四节影响燃烧过程的运转因素分析一、燃料性质的影响 柴油是在533623K的温度范围内由石油中提炼出的碳氢化合物,碳、氢、氧的质量分数分别为87%、12.6%、0.4%。影响燃烧过程的主要指标是柴油的发火性

9、及蒸发性等指标。二、负荷的影响负荷对着火延迟期的影响三、转速的影响 转速增加,使空气的涡流运动加强,有利于燃油蒸发、雾化和空气混合。但转速过高,由于v的下降和循环供油量增加,减小,且燃烧过程所占曲轴转角可能加大,热效率因而下降。转速过低也会由于空气涡流减弱,使热效率降低。四、供油提前角的影响供油提前角对柴油机性能有很大影响。不适宜地增加供油提前角,燃料将被喷入压力和温度都不够高的压缩空气中,使着火延迟期增大,导致p/及pz值上升,柴油机工作粗暴,并且使得怠速不良,也难于起动。过大的供油提前角还会增加压缩负功,使油耗增高,功率下降。如果供油提前角太小,则燃油不能在上止点附近迅速燃烧,补燃增加,虽

10、然p/及pz值较低,但排气温度增加,冷却系热损失增加,最终热效率显著下降。第五节影响燃烧过程的结构因素一、喷油泵结构对柴油机性能的影响 喷油泵凸轮型线和喷油泵柱塞决定着循环供油量和几何供油规律,它们对柴油机性能的影响,主要反映在供油时刻和供油持续时间对柴油机性能的影响上。供油时刻可由供油提前角调节机构予以调整,而供油持续时间则和喷油泵柱塞直径、凸轮外形等因素有关。1.供油提前角 供油系统中直接影响燃烧性能的是喷油提前角,但喷油提前角测量比较麻烦,所以在平时的柴油机调试中,只测量供油提前角。柴油机产品说明书上提供的提前角数据都是指供油提前角。2.油泵凸轮廓线凸轮外形对喷油规律的影响凸面凸轮和切线

11、凸轮的速度比较3.柱塞直径不同柱塞直径对喷油规律的影响(135型柴油机,n=1500r/min)不同柱塞直径对性能的影响(135型柴油机,n=1500r/min)4.出油阀结构a)常用结构b)杯形出油阀1减压带2出油阀3铣槽4出油阀紧帽5弹簧6顶杆图-41出油阀减压带高度对性能的影响图-42出油阀锁紧帽高压贮油容积对性能的影响)供油提前角.)都是最佳供油提前角时的情况二、喷油器结构1.喷油器喷孔截面积喷孔面积对喷油规律的影响2.喷孔直径和喷孔数对性能的影响式中,fn为喷孔的总截面积(mm2);i为喷孔数。喷孔直径3.喷油器流通截面积喷油器的流通截面积4.压力室容积压力室容积对性能的影响(五)针

12、阀升程针阀升程合适与否，影响柴油机性能及喷油器的使用寿命。升程太小时，针阀密封锥面处的节流损失增加，压降加大，使雾化不良及喷油泵超载。所以，喷油器针阀要有足够的升程以保证足够的流通截面及尽可能小的流动阻力。但针阀升程也不宜过大，如果升程过大，会增加喷油器弹簧的应力，加大针阀开启时撞击支承面及关闭时撞击锥形座面的冲击负荷，引起磨损加快，寿命缩短。升程过大还会增加针阀落座的时间，从而有可能增加燃气窜入喷油器内，污染内部零件，容易引起喷油器漏油、结炭及针阀卡住等故障。因此在保证足够流通截面的前提下，减小针阀升程能提高喷油器的使用寿命。第六节柴油机的电子控制一.概述 柴油机的电子控制技术是在20世纪7

13、0年代初期开始发展的,现在柴油机电子控制技术已在各个配套领域得到应用,其中以汽车柴油机发展最快。电子控制与机械控制相比,突出优点是控制的精确性和响应的无惯性。就车用柴油机而言,围绕着在各种工况下都能保证最佳的性能指标(燃油经济性、排放低毒性、转速的稳定性、调节过程的敏感性、对外部内部工作条件变化的适应性)的目标,目前国外已发展有以下三个方面的电子控制技术:最基本最主要的方向是对柴油机喷射系统的控制;对柴油机其他系统的控制;柴油机与配套机械传动系统匹配状况的电子控制。二、对柴油机喷油系统的控制1.转速控制2.对各种转速下最大喷油量的控制(1)转矩校正(2)进气压力变动补偿(3)进气温度、冷却液温

14、度与机油温度补偿(4)增压柴油机进气流量补偿(5)柴油机低油压保护(6)增压器工作状态保护3.喷油定时的电子控制三、对柴油机其他系统的控制(1)废气再循环(2)进气涡流调节(3)可变几何截面涡流增压器(4)可调机构的进气系统(5)暖机电子控制装置(6)部分停缸电子控制系统(7)可变气门定时控制四、电控燃油喷射系统的类型1.位置控制式电控燃油喷射系统2.时间控制式电控燃油喷射系统(1)时间控制式柱塞脉动供油系统(2)时间控制式共轨喷油系统五、柴油机综合管理系统1.控制系统某高压共轨柴油机电控系统结构简图2.高压共轨柴油机的基本功能和控制策略(1)喷油量简化控制方法(2)喷射定时简化控制方法(3)

15、起动过程控制MAP(4)怠速控制MAP(5)调速控制MAP(6)共轨压力MAP电控柴油机喷油量简化控制流程电控柴油机喷油定时简化控制方法第七节 工程应用实例（文摘）柴油机螺旋气道结构参数对其流动特性的影响 雷基林,申立中,毕玉华,贾德文(昆明理工大学云南省内燃机重点实验室)本文中在前期螺旋进气道参数化设计方法研究的基础上,建立不同结构的螺旋气道流动仿真模型;采用CFD三维模拟方法,结合气道稳流试验,研究螺旋进气道最小截面处内侧和外侧的几何形状、螺旋段旋转半径和螺旋终止角等结构参数对气道流动特性的影响关系。一、螺旋气道模型的建立1.螺旋气道参数化实体模型的建立螺旋气道参数化实体模型2.螺旋气道计

16、算网格模型的生成螺旋气道计算网格模型3.边界条件与初始值的设置二、气道稳流模拟试验及计算模型的验证AVL风速仪结构尺寸示意图三、气道最小截面处几何形状的影响分析螺旋气道最小截面处的两种修改方式1.气道最小截面处外侧几何形状的影响气道内侧形状对涡流比和流量系数的影响2.气道最小截面处内侧几何形状的影响不同内侧曲面形状方案的气流速度分布四、螺旋段几何结构的影响分析1.螺旋半径R对气道流动性能的影响气道螺旋半径示意图螺旋半径对气道流动性能的影响2.螺旋终止角对气道流动性能的影响气道螺旋终止角示意图螺旋终止角对气道流动性能的影响五、结论1)改变螺旋气道最小截面处外侧和内侧的曲面形状,对气道流动特性的影

17、响不同。在一定范围内,通过改变气道过渡段外侧曲面弯曲半径来改变气道最小截面处的截面积对气道流动特性的影响呈现一定单调变化规律:随着弯曲半径的增大,最小截面积增大,流量系数增加,涡流比下降。通过改变气道过渡段内侧曲面形状来改变最小截面积对气道流动特性的影响较为复杂,不呈现明显的单调变化规律。2)螺旋气道螺旋段结构对气道流动特性的影响较大。在一定范围内,增大螺旋段螺旋半径,在涡流比减小不大的情况下,可增大流量系数。螺旋段终止角对气道流动特性的影响不呈现单调变化规律:在一定角度内,随螺旋段螺旋终止角的增大,流量系数增大,涡流比减小;而在某一角度(本文中为25处形成拐点)后,随螺旋段螺旋终止角的增大,流量系数减小,涡流比增大。