1、1,第六章 柴油机混合气形成和燃烧,6-1 柴油机热功转换的特点 6-2 柴油机的燃烧过程 6-3 燃油喷射和雾化 6-4 混合气的形成和燃烧室 6-5 燃烧过程的影响因素 6-6 柴油机的排放控制技术,2,6-1 柴油机热功转换的特点,柴油机以，循环热效率。 1、混合气形成特点： 汽缸内部形成混合气：因柴油不易挥发（馏程250-350）必须借助喷射装置在上止点附近（T,P高）喷入气缸，利用喷雾、加热蒸发和气流的冲击作用形成混合气。 混合气形成时间短，只有15-35CA, n=1500r/min时只有1.7ms-4ms 混合气形成不均匀 =f(x.y.z.t) 、整个燃烧室 =0-，总体过量空
2、气系数1.2。导致容积利用率低，PL、me低 混合气形成与燃烧紧密相连，边混合边燃烧。 2、混合气形成方式： a空间雾化混合方式，燃料喷入燃烧室空间形成雾状混合物。要求喷雾与燃烧室形状配合，并利用气流运动。,3,6-1 柴油机热功转换的特点,b油膜蒸发混合方式，燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上，形成一层油膜，油膜受热蒸发，在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气。 现代小型高速车用柴油机上，多数以空间雾化混合为主。燃油或多或少会喷到燃烧室上形成油膜因此以上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不同。 3、燃烧过程特点 油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环，存在缺氧区域裂化、脱氢碳烟生成（冒黑烟
3、）、微粒（PT）排放增加。 质调节：输出功，喷油量 ；喷射期间，散热损失；反之极短时间内快速喷射燃烧粗暴; 发动机性能放热功率喷油规律混合气形成,4,6-2 柴油机的燃烧过程,1、着火延迟期（i） ：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脱离压缩线开始急剧上升（B点）的时间。 形成混合气 物理过程：喷雾、分散、油滴受热蒸发汽化、扩散、形成可燃混合气 化学过程：局部可燃混合气先期化学反应，裂解形成冷焰。产生醛类和过氧化物；过氧化物、CO增加产生蓝焰，产物 为CO、O、OH、H.积累爆炸形成热焰。,一、燃烧阶段的划分 由示功图分为四个阶段：着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃
4、期、缓燃期、补燃期,5,影响因素：一般着火延迟期为0.73ms 燃料的十六烷值，i； 温度、压力， i； 凡是改善蒸发雾化条件均使i 2、速燃期：压力脱离压缩线到最高压力点pz 在i内形成的可燃混合气同时燃烧预混合燃烧 特点：p、T ，等容燃烧，影响NOx，产生强烈的燃烧噪声。 评价粗暴程度：平均压力升高率 影响因素：i内形成的可燃混合气量 i内喷入量 i，dp/d，NOx，粗暴；,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧阶段的划分,6,特点：缸内废气 ，氧气 ，燃烧条件不利，边混合边燃烧、局部高温缺氧、燃料裂解形成碳烟冒烟、经济性差。 所以柴油机均在1的条件下工作，使柴油机容积利用率下降。这是其比质量
5、，升功率不如汽油机的原因之一 影响因素：混合气形成速度燃料与空气的扩散速度 燃烧室内气流特性及强度燃烧室、进气道。,3、缓燃期：最高压力点到最高温度点 速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油在具有大量废气的环境中定压燃烧。一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压过程）放热量达70-80%。燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20-35CA处出现。,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧阶段的划分,7,4、补燃期：补燃期为最高温度点（D点）至燃油基本燃烧完（E点）。 补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的9599时，就可以认为补燃期结束，也是整个燃烧过
6、程的结束。 燃烧时间短促，混合气不均匀； 膨胀中燃烧后燃； 高速大负荷时严重。 特点：p,气缸V 散热损失，排温； 热效率 尽可能减小补燃期 影响因素：重馏份比例（T90、T95）,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧阶段的划分,8,二、燃烧放热规律： 燃烧放热规律：放热速率随时间（曲轴转角）变化规律； 是组织燃烧过程的关键影响性能、排放。 是瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。 瞬时放热率：燃烧过程中任一时刻，单位时间内（每度曲轴转角）燃烧所放出的热量。 由能量守恒律和热一定律 ：,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧放热规律,9,累计放热率x： 从燃烧过程开始至任一时刻为止燃烧所放出的累
7、积 热量与每循环燃料燃烧总热量之比。 影响因素：燃烧室结构，及其内部气流状态； 喷射方式高压喷射，予喷射等,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧放热规律,10,典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量） 第阶段AB为予混合燃烧阶段，放热率一般都很高，历时3-7CA，与速燃期相对应。 第阶段BC为扩散燃烧阶段，放热率逐渐下降，历时约为40CA，-阶段的放热率约为80%。 第阶段CD为放热的尾巴，可能延至整个膨涨过程放热量约占20%。 大量研究表明，开始燃烧时刻，放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三要素，燃烧始点最佳是使Pmax出现在上止点后7-8CA，燃烧持续时间最佳为40CA（25-30CA）
8、。,6-2 柴油机的燃烧过程-燃烧放热规律,11,a空气利用率低 （不均匀导致的） 混合气形成时间短、只有1535CA 1.7 4ms边燃烧边喷油，油滴易被高温废气包围找不到氧，氧找不到油分子； 所以为保证柴油机燃烧比较完全，必须在1条件工作：=1.3左右，即最少有30%的空气量未能完全利用。使柴油机容积利用率低，强化指标差。,6-2 柴油机的燃烧过程-存在的主要问题,12,b燃烧噪声（工作粗暴） 主要是因为速燃期压力升高率过大（p/0.4 -0.5Mpa/CA）产生燃烧噪声、零件负荷高、寿命降低称柴油机工作粗暴。 降低柴油机工作粗暴的根本措施是降低p/，主要途径有三： 缩短着火落后期i：选十
9、六烷值高的燃料；提高喷油时缸内温度如增压等，推迟喷油（靠近上止点、减小喷油提前角）； 减小着火延迟期内喷入的油量（选择合适的喷油规律，先少后多）； 控制蒸发速度（降低进气涡流）；,6-2 柴油机的燃烧过程-存在的主要问题,13,c排气冒黑烟 缓燃期燃油被高温废气包围：高温缺氧裂解脱氢聚合形成碳烟。 一般在高负荷时发生如汽车加速，爬坡或超载。 减少冒黑烟的措施： 增大过量空气系数：改进进气系统提高，减少喷油量降低功率使用。 组织油气的相对运动：促使油束分散增大混合范围；热混合作用；增强缸内紊流。 提高喷射压力，促进油束雾化。,6-2 柴油机的燃烧过程-存在的主要问题,14,对燃烧过程的要求：,1
10、、应在较小的过量空气系数下燃油完全迅速燃烧保证柴油机的动力性和经济性。 2、应有适当的压力升高率和最大暴发压力值，以保证柴油机工作柔和，平稳可靠。 3、排气品质好，高负荷不冒黑烟，怠速和低速不冒白烟和蓝烟，尾气排放小。 4、变工况适应性好，在负荷、转速变化时都有较好的性能。 5、冷启动性能好。 6、燃烧性能稳定，对制造质量、外界环境使用维修条件不敏感。,6-2 柴油机的燃烧过程,15,三、柴油机的有害排放物 CO、HC 、NOx、PM CO和HC的生成机理与汽油机相同，但a1，缝隙激冷效应小，缸内涡流强，故其排放少。 1) NOx的生成机理: 根据燃料及其混合气形成方式分为： 热力NO和快速N
11、O 热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间产生机理与汽油机相同,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,16,产生机理：N2和O2在高温下化合的结果，在火焰下游产生。 Zeldovich机理: 因素及措施：O2浓度，燃烧温度Tz ，滞留时间 。 测量方法:化学发光法(CLD) 危害：1）与HC一起产生光化学烟雾植物枯死 2）破坏地球大气层（O3层） 3）NO2 是刺激性毒气;,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,17,快速NO生成条件：在浓混合气预混合火焰区急速生成。 CH+N2=HCN+N CH2+N2=HCN+NH C2+N2=2CN HCN、CN、NH等中间反应物中N易分解 与O反应生成
12、NO 。 快速NO是在火焰带前急速生成，对温度依赖性小，与混合气浓度直接相关，快速NO的生成速度比热力NO快。 过量空气系数 1时主要生成 热力NO 1时 主要生成 快速NO 降低快速NO：1）扩散阶段要阻止HCN等中间产物生成供给足够的氧。 2）推迟供油,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,18,2）碳烟的生成机理 1碳烟的生成过程 碳烟：可溶性有机成分 （SOF）和不可溶成分； 由燃烧时生成的含碳粒子 及其表面上吸附的多种有 机物组成。 生成过程： 成核过程、表面增长和凝聚过程、氧化过程。,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,19,2.生成条件：高温缺氧； 缺氧：空燃比为5.25-5.
13、65的比较浓的狭窄范围； 燃料在接近火焰高温缺氧下部分氧化和热分解， 生成各种低级不饱和烃类 脱氢、聚合成碳核(2nm)碳烟基元（20-30nm） 球状链状聚集物（1um以下） 高温：对于预混合火焰在2100-2400K的范围内碳烟生成量最大，高温下脱氢反应，快速凝聚形成碳烟。,粒径分布,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,20,因此，组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。 一般，加速碳烟氧化的措施，使NOx。,PM控制的基本原理：根据PM和NOx形成领域 控制火焰领域内混合气的浓度和温度。,6-2 柴油机的燃烧过程-有害排放物,21,具体措施： 电控高压喷射技术；喷射规律控制 予喷 多此喷
14、射 推迟喷油时刻 缩口燃烧室气流 EGR：Tz VNT（VGS）；,四、柴油机排放控制策略 抑制预混合燃烧过程NOx，促进扩散燃烧PM,6-2 柴油机的燃烧过程,22,五、柴油机的噪声,发动机的噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进气噪声、排气噪声等。 噪声：弹性体在声频（20Hz20kHz）范围内的振动振动与噪声密切相关。 产生振动的必要条件激振力： a)气缸内压力变化; b)曲柄连杆机构等运动付间的相互摩擦、撞击； 噪声传递的媒体弹性体：机体振动。 激振力的变化缸体表面振动对外辐射噪声。 燃烧噪声：与气缸压力升高率成正比，且直接与NOx排放有关。 燃烧噪声大气缸压力升高率，预混合燃烧的混合气量多，
15、气缸内温度，NOx排放量。 机械噪声：与运动副的相对摩擦撞击速度及强度相关n 进气噪声：进气脉动及n、发火频率 排气噪声：排气脉动及n、发火频率,6-2 柴油机的燃烧过程-柴油机的噪声,23,具体控制措施如下 1、控制燃烧过程来降低燃烧噪声。减小喷油提前角以适当推迟燃烧，减少在着火延迟期内形成的可燃混合气，调整喷油规律，在着火延迟期内喷入较少燃油等。 2、改进机体等有关零部件的结构，通过试验和计算分析的方法，在尽可能不增加重量的前提下，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。 3、为减小撞击力，尽可能减小缸套与活塞之间、轴承、传动齿轮等处的间隙。为减小惯性力，应减小运动件的质量，
16、并在可能的情况下，适当降低活塞平均速度。 4、应用吸振减振材料制造薄板零件，如油底壳、缸盖罩等。在缸体与油底壳之间、缸盖与缸盖罩之间采用较“软”的垫片，对振动起到阻尼使用。 5、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、冷却风扇等的设计以及适当调节配气相位，以降低气体动力噪声。 6、遮蔽噪声源，采用对作为主要噪声源的发动机的局部或整体加隔声罩的方法等。,6-2 柴油机的燃烧过程-柴油机的噪声,24,压燃式发动机起动过程取决于低温下混合气形成和着火燃烧条件。压缩温度和雾化条件 冷起动时： 环境温度T0低压缩终了Tc低，传热损失大，喷雾雾化差； n低，漏气，造成压缩终了Tc、pc降低，不利于自燃。,
17、六、冷起动特性,低温冷起动(怠速)时，燃料未完全蒸发，以液状态排出形成白烟和蓝烟 HC和CO排放。液滴直径不同，光照射下产生不同颜色。 一般用电热塞和进气加热来改善冷起动性,6-2 柴油机的燃烧过程,25,6-3 燃油喷射和雾化,一、对燃料喷射系统要求 燃油供给装置的组成： 主要由喷油器、高压油泵、燃油滤清器、输油泵、油箱等组成。 喷油泵的作用： 产生足够高（可调节）的压力，定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。 喷油器的作用： 将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微小的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。 喷油泵的分类： A型喷油泵、 P型喷油泵、
18、VE型喷油泵、泵喷嘴系统、单体泵、高压共轨系统。,26,主要用于直喷式柴油机上。喷孔数一般为1-8个，喷孔直径为0.150.6mm,喷孔数及喷孔角度取决于燃烧室的结构形状和涡流情况。 结构：回油接头、调压螺钉、调压弹簧、顶杆、喷油器体、喷油器拧紧螺母、喷油嘴（针阀、针阀体）、进油管接头等组成。,6-3 燃油喷射和雾化-孔式喷油器,27,工作原理： 由高压油泵提供的高压柴油经进油管进入喷油器，通过喷油器的油道到达喷油嘴的压力腔，在柴油压力的作用下针阀被向上推，当这一推力大于喷油器调压弹簧的作用力时，针阀向上运动，喷油嘴下端的密封锥面被打开，压力柴油从喷孔中喷出，喷入燃烧室。当高压油泵停止供应高压
19、油时，调压弹簧通过顶杆给针阀加压，使之复位关闭。,6-3 燃油喷射和雾化-孔式喷油器,28,6-3 燃油喷射和雾化,二、燃油的雾化和油束特性 雾化： 燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在高压（20-180MPa）、高速（100400m/s）的作用下，从喷油器喷入燃烧室。 燃油与燃烧室高压空气的相对运动中及紊流的作用下，被逐步粉碎分散为直径约250m的液滴，由大小不同的液滴组成了油束。,燃油压力高，雾化质量好，液滴直径小，烟度低,29,评价指标（油束特性）： 评价油束的几何形状的几个参数： 油束射程L（又称为贯穿距离）； 油束的最大宽度B； 喷雾锥角：标志油束的紧密程度。 贯穿率： L/L壁 L
20、/L壁1，有一部分燃油喷射到了燃烧室的壁面上。,6-3 燃油喷射和雾化,雾化质量： 细微度：用液滴平均直径来表示（索特平均直径SMD）。 直径越小，油 束雾化得越细。 均匀度：油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束内分布的均匀程度。 影响油束几何形状的主要因素： 喷射压力、喷孔直径和数量、喷油器喷孔的长度直径比和空气与燃油密度比、空气流动状态等。,30, 6-3 燃油喷射和雾化 柱塞式喷油泵原理,31,分配式喷油泵(VE)结构组成,主要由： 驱动机构 叶片式输油泵 高压泵头 供油提前角调节机构 调速机构等。 泵体内腔压力为:0.30.7MPa,32,工作情况： 低压输油泵将燃油输入高压油泵，高压
21、油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。, 6-3 燃油喷射和雾化-高压共轨电控燃油喷射系统,33,由互相呈120度夹角的3缸径向柱塞组成，3个泵油柱塞由驱动轴上的凸轮驱动进行往复运； 高压泵每转一圈，有三次供油，峰值驱动扭矩较低，油泵驱动系统 保持较稳定的负荷。 当柱塞向下运动时，为吸油行程吸油阀会开启，允许低压燃油进入泵腔； 当柱塞到达下止点时，进油阀将会关闭，泵腔内的燃油在向上
22、运动的柱塞作用下被加压后输送到蓄压器中，等待喷射；, 6-3 燃油喷射和雾化-高压油泵,34,1 -带偏心凸轮的驱动轴； 2-多边环； 3-油泵柱塞；4-进油阀； 5-元件关闭阀； 6-出油阀；7-套； 8-去共管的高压接头； 9-压力控制阀； 10-球阀 / 压力控制阀； 11-回油； 12-燃油供给 250kPa (2.5 bar) ； 13-节流阀 (安全阀)； 14-燃油供给通道,作用：除将低压燃油加压成高压燃油外，还在于保证在快速起动过程和共轨管中压力迅速上升所需要的燃油储备、持续产生高压共轨管所需要的系统压力；, 6-3 燃油喷射和雾化-高压油泵,35,喷油开始状态： 当电磁阀被触
23、发时，电驱将泄油口打，燃油从阀控制室中流到上方的空腔中（从空腔通过回油管道返回油箱），使控制室压力降低；控制室压力降低，减少了作用在控制柱塞上的力，这时喷嘴针阀被打开，喷油器开始喷油；,喷油结束状态： 电磁阀一旦断电不被触发， 小弹簧力会使电磁阀电驱下压，球阀将泄油孔关闭； 泄油孔关闭后，燃油从进 油孔进入控制室建立起油压(这个压力为油轨压力），这个高压作用在控制柱塞端面上，油轨压力加上弹簧力大于针阀锥面上的压力，使喷嘴针 阀关闭；, 6-3 燃油喷射和雾化,喷嘴关闭,36, 6-3 燃油喷射和雾化,一、燃油喷射的几个概念 1、喷射过程 定义：供油开始至喷油停止的过程。 约占1540曲轴转角。
24、 分段：喷射延迟阶段 主喷射阶段 喷射结束阶段,37, 6-3 燃油喷射和雾化,喷油延迟阶段： 定义：喷油（泵喷油开始）提前角与 供油（喷油开始）提前角的差值。 影响因素： 转速升高，喷油延迟角加大； 高压油管较长，压力波传播时间较长， 喷油延迟角也会较大。 主喷射阶段： 定义：从喷油开始到嘴端压力急剧下降所 对应的时间或曲轴转角。 影响因素：负荷增加主喷射阶段变长。 喷射结束阶段： 定义：从嘴端压力急剧下降到停止喷油（针阀落座） 特点：压力降低、所喷燃油雾化不好，造成燃烧恶化,38, 6-3 燃油喷射和雾化,2、供油规律及喷油规律 定义： （1）几何供油规律：单位时间（曲轴转角）内油泵的供油
25、量随时间（或曲轴转角）的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。 （2）喷油规律：即喷油速率。 单位时间（曲轴转角）内 喷油器喷入燃烧室内的 燃油量随时间（曲轴转角） 的变化关系；,39, 6-3 燃油喷射和雾化,造成二者区别的原因： 燃油的可压缩性，使系统内产生压力波的传播；高压油管的弹性变形引起容积的变化； 压力波的往复反射和叠加的作用。,2、供油规律及喷油规律二者的区别： 喷油始点迟于供油始点； 喷油持续时间较供油持续时间长； 喷油规律的峰值低于供油规律,40,6-3 燃油喷射和雾化-不正常喷射现象,（l）二次喷射现象：既在喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下
26、再次升起喷油的现象。 易发工况：高速大负荷（加速、爬坡、超载） 危害： 压力低雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，易引起喷孔堵塞； 时间长燃烧不及时，经济性下降，零部件过热。 解决措施： 尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动；合理选择参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷孔尺寸、针阀开启压力等。,（2）滴油现象：在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。 危害：喷射压力极低，雾化奇差，积碳、堵塞喷孔、冒烟。 解决措施：合理匹配减压容积，使得压力下降迅速、残余压力P
27、0降低,41,（3）断续喷射：由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。 危害：喷射压力低雾化不良，后燃，碳烟增多，易引起喷孔堵塞。 解决措施：合理匹配供油规律、喷油规律及管路结构,（4）不规则喷射和隔次喷射：供油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。 危害：循环波动增加、怠速不稳、限制最低稳定转速 易发工况：怠速、极小负荷 改进措施：减少高压油管的容积并提高其刚度。,6-3 燃油喷射和雾化-不正常喷射现象,42,6-4 混合气的形成与燃烧室,一、柴油机混合气形成方式分类： 空间雾化（贯穿度小于
28、1，无着壁）； 油膜蒸发（贯穿度远大于1，大部分燃油着壁，缓慢蒸发）； 二者结合（贯穿度略大于1，少部分着壁，以空间雾化为主。 柴油机燃烧室分类： A 统一式（直接喷射）燃烧室：由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹坑。 开式燃烧室：dk/D0.650.8，dk-喉口直径；（用于缸径140mm，转速2000rpm) 半开式燃烧室：dk/D= 0.350.7 （用于缸径 80mm-140mm，转速4500rpm) B 分割式燃烧室（非直喷）燃烧室：整个燃烧室分隔在两个空间，主燃烧室设于活塞顶上，副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连（通道直径/D小
29、于0.1） 。 涡流室燃烧室: Vk/Vc= 50 80%，通道截面约为活塞面积的0.9 3.5。 预燃室燃烧室；Vk/Vc=3040小孔总截面积与活塞截面积之比只有0.250.7,43,A ：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,6-4 混合气的形成与燃烧室-直喷式燃烧室,44,半开式燃烧室的空气流动组织 1 、 进气涡流 切向气道 气道母线与气缸相切，气道形状较平直，在气门前强烈收缩。气流通过切向气道时速度愈来愈快，且沿切线方向进入，在气缸壁上转向，产生绕气缸中心线的气流旋转运动。 优点：结构简
30、单，流动阻力较小 缺点：对气口位置敏感。 螺旋气道 把气门座上方的气道内腔做成螺旋形，使空气流经气门座时，一部分在气道内部形成绕气门中心的旋转运动，其强度仅与气道本身结构有关。另一部分近于切向气流、顺着气缸壁绕气缸中心线旋转。 优点：螺旋气道能产生较强的进气涡流。 缺点：制造工艺要求高，调试工作量较大。,6-4 混合气的形成与燃烧室-直喷式燃烧室,45,2、挤流 在压缩接近上止点时，活塞顶部外围环形空间的空气被挤入活塞顶部凹坑内产生的气流叫挤流，活塞下行时产生的叫逆挤流。 燃烧室喉口直径及挤气间隙愈小，则挤流愈强。挤涡流与进气涡流相比，它不影响充气效率，与转速关系不大，但涡流强度较小，且维持时
31、间短，随着活塞向下运动，很快减弱消失。,6-4 混合气的形成与燃烧室-直喷式燃烧室,46,3、以型为代表的半开式燃烧室 特点： 采用3-5孔喷嘴，依靠燃油在空间雾化来实现； 组织进气涡流，加速混合气形成。 主要结构参数： 的大小要与贯穿度，涡流互相配合。 Vk凹坑内燃烧室容积；Vc压缩容积。 相对散热面小，挤流加强，有利于混合；,6-4 混合气的形成与燃烧室-直喷式燃烧室,47,4、优缺点： 结构简单，相对散热面积小（即燃烧室表面积和其容积之比小），可以获得较高的经济性，比分割式燃烧室低10-20%。 散热面积小，压缩终点温度容易建立，压缩比也较低，约为15-17。它的低温起动性好。 开启压力
32、大20MPa左右喷油泵易磨损； 滞燃期内形成的可燃混合气量多，压升率高，工作粗暴； 较大，全负荷在1.3以上 对转速变化较敏感；较难兼顾高速和低速工况的性能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。 燃烧温度较高，空气在高温停留的时间又长，故NOX排放高，比分隔式燃烧室大30-50。,6-4 混合气的形成与燃烧室-直喷式燃烧室,48,B:分隔式燃烧室 分隔式燃烧室是整个燃烧室分隔在两个空间，主燃烧室设于活塞顶上，副燃烧室则在气缸盖内，其间用通道相连。 （一）涡流室燃烧室 1、结构特点 副燃烧室容积称为涡流室。一般Vk/Vc= 50-80%，通道截面约为活塞面积的0.9-3.5。 通道方向与活塞顶成一定
33、的角度并与涡流室相切。涡流室通常由两部分组成，上部与气缸盖铸在一起。下部（包括连接通道）由耐热钢制成，称为“保温镶块”。,6-4 混合气的形成与燃烧室-涡流室燃烧室,49,混合气形成特点： 转速增加涡流增加； 部分燃油在通道口附近靠近壁面处着火； 二次涡流（燃烧涡流）进一步混合。 对燃油适应性好。 主要优点： 较小，全负荷1.21.3，最低可到1.1，空气利用率较高； 对喷雾质量要求不高，可用轴针式喷嘴，开启压力较低1214MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象（自清洁）。 对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000rmin。 压升率较低，运转平稳；易于调试；使用性能稳定。 主要缺
34、点： 相对散热表面积较大； 气体二次经过通道节流，流动损失也较大； 冷起动性差，压缩比为1823，需要起动辅助装置。 通道口热负荷很高，容易引起热裂等毛病。,6-4 混合气的形成与燃烧室-涡流室燃烧室,50,（二）预燃室燃烧室 构造特点： 燃烧室由两个部分组成Vk/Vc=3040 预燃室和主燃室用一个或几个小孔（或称喷孔）相连通，小孔总截面积与活塞截面积之比只有0.250.7。喷油器安装在预燃室中心线附近。 混合气形成特点： 压缩紊流；燃油喷入预燃室避免与气流正面相撞；气流将一部分小油粒带向预燃室的上方形成火源。,6-4 混合气的形成与燃烧室-预燃室燃烧室,51,主要优点： 较小，全负荷1.2
35、1.3，最低可到1.1 ，空气利用率较高； 对喷雾质量要求不高，可用单孔式喷嘴，开后压力较低1214MPa；对燃油系的要求低，减少喷嘴堵塞现象。 对转速变化不敏感，高速性好，最高转速可达 5000rmin。 压升率较低，运转平稳；排气污染小，易于调试；使用性能稳定。 主要缺点： 流动损失大，散热面积大，散热损失亦较大经济性差，耗油率高。250285 g（kw.h）。 冷起动困难。压缩比较高，一般为1822，需要起动辅助装置。 低转时噪声大。,6-4 混合气的形成与燃烧室-预燃室燃烧室,52,（三）、燃烧室比较 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
36、喷射系统要求高； 对高速敏感； 排放、高速性差； 粗暴，NOx排放高。 球型：发展趋势不大，主要是性能难于稳定，低速性能不好。 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 涡流室：高速性能好，升功率较大，适合小缸径。缺点是经济性差，耗油率较高。起动困难。 预燃室：对燃料供给系要求最低，生产、保养较易。用于n25003000rmin的小型高速柴油机上。其能量损失大，耗油率高，起动性差，怠速噪声大。 选择燃烧室时主要的依据是缸径、转速及使用要求，并要考虑当前制造和使用水平。,6-4 混合气的形成与燃烧室,53,二、高速直
37、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生成取决于预混合燃烧过程和扩散燃烧过程即缸内气流特性和喷雾质量 中小型柴油机使用缩口深坑型燃烧室以便随转速提高加强压缩涡流，大型柴油机转速低用浅型燃烧室。,缸内气流特性：燃烧室结构形状,喷雾质量：高压喷射,6-4 混合气的形成与燃烧室,54,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涡流强度保持性的影响,扩散燃烧期,6-4 混合气的形成与燃烧室,55,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。,6-4 混合气的形成与燃烧室,
38、56,6.5 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,喷射夹角:=152 =156 =160,57,2）喷孔直径,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,58,3）进气涡流和喷孔数,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,59,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
39、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 ：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：,60,4）喷嘴结构,传统结构： HC的工况 排放值100%,HC工况排放值/%,喷油器压力室对HC排放的影响,停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,61,4）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，PM,NOx,轨压,轨压,轨压,轨压,HC,be,CO,62,不同转速下，轨压对发动机性能的影响：,4）喷射压力（轨压）,63,二、影响燃烧过程的运转因素 1. 负荷 质调节：非增
40、压柴油机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；燃烧恶化，排气冒黑烟； 单位Vh混合气燃烧放热量,使缸内温度上升， Tz，i，使柴油机工作柔和。 中小负荷燃烧效率变化不大，大负荷时，燃烧过程延长i,64,2、转速 n 散热/漏气损失pc Tc ；以时间计的滞燃期但i着火延迟角；喷油压力高压化可改善雾化,n过高：充气效率v燃烧占曲轴转角加大燃烧过程迟后gb i热效率 n过低：涡流弱，喷油压力低，雾化混合不好，漏气损失和散热损失热效率,二、影响燃烧过程的运转因素,65,3. 供油提前角 决定油束相对燃烧室空间的喷射位置、着火时刻。 供油提前角过大： 缸内p、T低i ，
41、压缩负功，pz、Tz工作粗暴；NOx ；动力性，经济性 供油提前角过小：燃烧不及时，散热损失，排温；动力性，经济性 最佳供油提前角：随负荷、转速而变化，大致范围是830曲轴转角,二、影响燃烧过程的运转因素,66,4. 燃油特性,十六烷值，自燃性好i，dp/d，工作温柔，但其蒸发性 不好，就会造成燃油来不及蒸发，在高温下裂解成炭烟 十六烷值过低：自燃性差，不易着火。i，工作粗暴，NOx 一般高速柴油机燃油的十六烷值大致为4050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,二、影响燃烧过程的运转因素,67,5. EGR EGR作用：降低燃烧温度；降低氧
42、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。 CO2是温室气体，2000时定压比热：O2=1.099kJ/kg.k，CO2=1.233kJ/kg.k增加12.2%,二、影响燃烧过程的运转因素,68,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,二、影响燃烧过程的运转因素,69,6-6 柴油机的排放控制技术,70,1新的燃烧方式,
43、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 /degCA,Modulated Kinetics,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+提前喷增加着火延迟期 实现预混合燃烧降低PM,by EGR,高压喷射,冷EGR,MK燃烧,预混合燃烧,71, HCCI(均质压缩着火）技术：,压缩过程中喷射，i，形成稀薄预混合气压燃PCCI（预混合压燃）,72,2、后处理技术,73,2）柴油机微粒捕集器（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。 使用氧化催化转化器（DOC）再生 目的：将CO和HC以及PM中的SOFCO2和H2O加热排气、NO氧化为NO2。主要氧化催化剂：铂Pt和钯Pd,排气,孔道截面22mm，壁厚0.4mm;滤芯体积一般在柴油机排量的12倍,74,基本概念 喷油泵速度特性；喷油规律；供油规律；废气再循环；排气颗粒；柴油机工作粗暴；二次喷射；油束的喷雾质量； 考核要求 掌握柴油机混和气形成的特点，柴油机燃烧过程分析方法，运转因素对柴油机燃烧过程及排放的影响，了解现代柴油机电控系统的组成及特点。,75,
