1、第第3章章 柴油机混合气形成和燃烧柴油机混合气形成和燃烧 第第1节节 基础知识基础知识 第第2节节 柴油机混合气形成柴油机混合气形成 第第3节节 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程 第第4节节 柴油机的有害排放物与控制柴油机的有害排放物与控制第第1节节 基础知识基础知识一、燃料与混合气形成一、燃料与混合气形成 机理：机理：1 空间雾化混合空间雾化混合 在燃烧室空间中利用燃油与空气在燃烧室空间中利用燃油与空气的相对运动来形成混合气。的相对运动来形成混合气。2 油膜蒸发混合油膜蒸发混合 喷在燃烧室壁面上的燃油形成油喷在燃烧室壁面上的燃油形成油膜后，利用受热蒸发和空气相对运动的作用形成较均匀的混膜后，利用
2、受热蒸发和空气相对运动的作用形成较均匀的混合气。合气。重要参数：重要参数：11kg燃油完全燃烧所需的理论空气量燃油完全燃烧所需的理论空气量L0 C+O2 =CO2 2H2+O2 =2H2O （kg空气空气/kg燃油）燃油）2空燃比（空燃比（A/F）空气与燃油质量的比值。空气与燃油质量的比值。3过量空气系数过量空气系数 =L/L0 （A/F）=L0)g8gg38(0.231LOHC0主要影响因素：主要影响因素：1发动机运转参数发动机运转参数 2燃油性质燃油性质3工质的热力学状态和工质运动工质的热力学状态和工质运动 4.燃油喷射和雾化燃油喷射和雾化 二、预混燃烧与扩散燃烧二、预混燃烧与扩散燃烧 预
3、混燃烧预混燃烧 扩散扩散燃烧燃烧燃烧前混合气状态：燃烧前混合气状态：已形成可燃混合气已形成可燃混合气未形成可燃混合气未形成可燃混合气决定燃烧速率的主要因素：决定燃烧速率的主要因素：化学反应速率化学反应速率混合气形成的快慢混合气形成的快慢柴油机：柴油机：前期预混燃烧前期预混燃烧+后期扩散燃烧（主要部分）后期扩散燃烧（主要部分）汽油机：汽油机：预混燃烧预混燃烧三、燃烧放热规律三、燃烧放热规律 三要素：三要素：燃烧起点燃烧起点 曲线形状曲线形状 燃烧持续时间燃烧持续时间 合适起点合适起点 先缓后急先缓后急 ddQddWddUddQWB瞬时放热速度瞬时放热速度和和累积放热百分比累积放热百分比随曲轴转角
4、的变化关系。随曲轴转角的变化关系。ddXhgddQcB第第2节节 柴油机混合气形成柴油机混合气形成一、基本特征一、基本特征 混合气的均匀性较差混合气的均匀性较差 要求燃油喷射、空气运动以及燃烧室形状三要求燃油喷射、空气运动以及燃烧室形状三者的良好配合者的良好配合 负荷调节为负荷调节为“质调节质调节”二、燃油喷射二、燃油喷射 1对燃油喷射系统的要求对燃油喷射系统的要求 1）避免出现不正常喷射现象和穴蚀破坏；）避免出现不正常喷射现象和穴蚀破坏；2）在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量）在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量;3）尽可能实现理想的喷油规律）尽可能实现理想的喷油规律;4）良好的油束特
5、性能满足具体燃烧室的要求）良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求;5）其他）其他 进一步的要求进一步的要求 控制的柔性化控制的柔性化+燃油雾化性能的提高燃油雾化性能的提高 2燃油的雾化和油束特性燃油的雾化和油束特性 油束特性：油束特性：图图3-3 图图3-4 几何形状几何形状（油束射程（贯穿距离）（油束射程（贯穿距离）L和喷雾锥角和喷雾锥角）雾化质量雾化质量（油束中液滴的细度和均匀度（油束中液滴的细度和均匀度）3.传统的燃油喷射系统传统的燃油喷射系统（喷油泵（喷油泵+高压油管高压油管+喷油器喷油器+其他）其他）（自学）（自学）固有缺陷固有缺陷:周期性的燃油喷射使系统内产生压力波动导致难以准确控制
6、喷油规律周期性的燃油喷射使系统内产生压力波动导致难以准确控制喷油规律4.电控高压共轨燃油喷射系统电控高压共轨燃油喷射系统 图图3-8 图图3-95.泵喷油器泵喷油器 （自学）（自学）贯穿率贯穿率：油束的贯穿：油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧室壁距离的比值。到燃烧室壁距离的比值。三、空气运动三、空气运动 “紊流紊流”1进气涡流进气涡流（Swirl）螺旋进气道螺旋进气道 图图3-11 切向进气道切向进气道 图图3-12 组合形式组合形式 2缸内空气运动缸内空气运动 挤压流动（挤压流动（Squish）图图3-15 逆挤压流动逆挤压流动 异同？异同？1）开式燃烧室）开式燃烧
7、室 结构、特点及应用范围结构、特点及应用范围 图图3-16 缸径较大（缸径较大（140 mm），转速较低（），转速较低（2000 r/min）2）半开式燃烧室）半开式燃烧室 结构、特点及应用范围结构、特点及应用范围 图图3-17 缸径缸径80140mm，转速低于，转速低于6000 r/min 3）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（与非直喷比较）（与非直喷比较）燃烧迅速，经济性好但工作平稳性略差；燃烧迅速，经济性好但工作平稳性略差；结构简单，散热、流动损失小，冷起动性好；结构简单，散热、流动损失小，冷起动性好；对喷射系统要求高，且空气利用率相对低；对喷射系统要求高，且空
8、气利用率相对低；对转速变化较敏感；对转速变化较敏感；四、燃烧室四、燃烧室 直喷式与非直喷式燃烧室直喷式与非直喷式燃烧室五、燃油喷射、空气运动以及燃烧室形状间的配合五、燃油喷射、空气运动以及燃烧室形状间的配合第第3节节 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程一、正常燃烧过程一、正常燃烧过程 图图3-21 1着火延迟期着火延迟期 2速燃期速燃期 3缓燃期缓燃期 4补燃期补燃期前期控制燃烧导致的工作粗暴前期控制燃烧导致的工作粗暴 后期加速混合气形成后期加速混合气形成二、燃烧过程的影响因素二、燃烧过程的影响因素 1喷油提前角喷油提前角 图图3-23 图图3-24 定工况定工况 变工况变工况2.喷油规律的控制喷油
9、规律的控制 图图3-25 3柴油机转速柴油机转速4柴油机负荷柴油机负荷 5燃油性质燃油性质（自燃性能（自燃性能 蒸发性能）蒸发性能）三、发动机振动、噪声的控制三、发动机振动、噪声的控制 燃烧噪声燃烧噪声 气体动力噪声气体动力噪声 机械噪声机械噪声 控制噪声与振动的措施控制噪声与振动的措施 降低噪声源自身的声辐射降低噪声源自身的声辐射 屏蔽、吸收噪声源的声辐射屏蔽、吸收噪声源的声辐射 图图3-3 油束的几何形状油束的几何形状 图图3-4 油束的雾化质量油束的雾化质量1 喷射压力为喷射压力为34MPa 2 喷射压力为喷射压力为15MPa图图3-8 高压共轨燃油喷射系统高压共轨燃油喷射系统图图 高压
10、共轨燃油喷射系统实物高压共轨燃油喷射系统实物图图3-9 高压共轨燃油喷射系统的发展（德高压共轨燃油喷射系统的发展（德Bosch公司）公司）图图3-11 螺旋进气道螺旋进气道图图3-12 切向进气道切向进气道 图图3-15 挤流和逆挤流挤流和逆挤流a)无进气涡流或涡流不强时的挤流无进气涡流或涡流不强时的挤流 b)进气涡流强时的挤流进气涡流强时的挤流 c)逆挤流逆挤流图图3-16 开式燃烧室开式燃烧室图图3-17 半开式燃烧室半开式燃烧室图图3-18 典型的四气门典型的四气门半开式燃烧室半开式燃烧室图图3-21 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程 图图5-32 喷油提前角的影响喷油提前角的影响 喷油
11、提前角喷油提前角 图图3-24 最佳喷油提前角最佳喷油提前角 图图3-25 多次喷射多次喷射第第4节节 柴油机的有害排放物与控制柴油机的有害排放物与控制一、柴油机有害排放物的生成机理一、柴油机有害排放物的生成机理 1氮氧化合物氮氧化合物（NOx）2颗粒物颗粒物（PM）二、柴油机有害排放物二、柴油机有害排放物与工况的关系与工况的关系图图3-31 有害排放物的浓度随过量空气系数有害排放物的浓度随过量空气系数的变化规律的变化规律 图图3-32 柴油机柴油机随工况变化的随工况变化的排放特性排放特性三、柴油机有害排放物的控制措施三、柴油机有害排放物的控制措施 1机内净化机内净化（1）Nox 控制最高燃烧
12、温度控制最高燃烧温度 适当减小喷油提前角和采用废气再循环（适当减小喷油提前角和采用废气再循环（EGR）（2）微粒微粒 改善混合气均匀性改善混合气均匀性 通过高压、多喷孔等措施使燃油喷射更趋均匀化和细化通过高压、多喷孔等措施使燃油喷射更趋均匀化和细化 2机外净化机外净化（1）氧化催化转化器）氧化催化转化器（DOC）（2）还原型催化转化器）还原型催化转化器 选择性催化选择性催化/储存型后处理技术储存型后处理技术（3）颗粒物过滤器（）颗粒物过滤器（DPF）图图3-36 图图3-37 图图3-38四、柴油机污染物控制技术的应用四、柴油机污染物控制技术的应用 图图3-39图图3-33 图图3-34习题与
13、思考题：习题与思考题：1简述高压共轨燃油喷射系统的工作原理及特点。简述高压共轨燃油喷射系统的工作原理及特点。2柴油机的燃烧过程可划分为几个阶段？是如何划分的（要求画图说明）？柴油机的燃烧过程可划分为几个阶段？是如何划分的（要求画图说明）？小结各阶段对性能的影响及其原因。小结各阶段对性能的影响及其原因。3理想的放热规律是什么？如何去实现？理想的放热规律是什么？如何去实现？4分析柴油机混合气形成与燃烧中如何解决动力性、经济性与工作平稳性之分析柴油机混合气形成与燃烧中如何解决动力性、经济性与工作平稳性之间的矛盾。间的矛盾。5分析柴油机混合气形成与燃烧中如何解决动力性、经济性与控制有害排放分析柴油机混
14、合气形成与燃烧中如何解决动力性、经济性与控制有害排放之间的矛盾。之间的矛盾。6柴油机性能测试中，分别出现柴油机性能测试中，分别出现(1)缸内最大爆发压力过高；缸内最大爆发压力过高；(2)排气温度排气温度过高的问题，试分析其原因，并提出可能的改善措施。过高的问题，试分析其原因，并提出可能的改善措施。7分析图分析图3-43中柴油机电控喷射中柴油机电控喷射控制策略的原理并总结其规律性。控制策略的原理并总结其规律性。（图中（图中A+B+C表示，表示，A：先导喷射；：先导喷射；B：主喷射；：主喷射；C：后喷射）：后喷射）氮氧化物选择性催化还原技术氮氧化物选择性催化还原技术(SCR)氮氧化物储存型后处理技
15、术（氮氧化物储存型后处理技术（NSR）氧化氧化：2 NO+O2 2NO2储存储存：2BaCO3+4NO2+O22Ba(NO 3)2+2CO 2上述化学反应可合成为上述化学反应可合成为：2BaCO3+4NO+3O22Ba(NO 3)2+2CO 2分解与释出：分解与释出：2Ba(NO 3)2 2BaO+4NO2+O 2还原还原：CO+0.5NO2 CO2+0.25N2 C3H6+7.5NO2 3CO2+3H2O+3O2+3.75N2 BaO+CO2 BaCO3上述化学反应可合成为：上述化学反应可合成为：4Ba(NO3)2+C3H6+CO4BaCO3+3H2O+4N2+5O2图图3-38 颗粒物过滤器颗粒物过滤器连续再生连续再生 -热再生热再生 -催化再生催化再生图图3-39 Ford公司公司6.7L柴油机的后处理系统柴油机的后处理系统
