汽车发动机原理第九章柴油机溷合气的形成和燃烧

,发动机原理,第三篇 燃烧与排放,第9章 柴油机混合气的形成和燃烧,9.1柴油机燃烧过程,图9.1 柴油机燃烧过程、喷油速率和放热规律,1.着火延迟期,着火延迟期又称为滞燃期、着火落后期，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线明显脱离压缩线开始急剧上升(B点),图9.2 温度与压力对着火延迟期的影响 着火延迟期长短会明显影响该阶段喷油量和预制混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力性、经济性、排改特性以及噪声振动，必须精确控制。,2.速燃期,压力升高率 从提高动力性和经济性的角度，希望dpd大一些 dpd过大会使柴油机工作粗暴，运动零部件受到过大冲击载荷， 过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加。 为兼顾柴油机运转平稳性，dpd不宜超过0.4MPa()，而为了抑制氮氧化物的生成，dpd还应更低。,3.缓燃期,特点：采取措施使后期喷入的燃油能及时得到足够的空气，尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧，从而提高柴油机的经济性和动力性。柴油机燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。 缓燃期不缓,4. 补燃期,9.1.2 柴油机燃烧放热规律,1.燃烧放热规律的定义 瞬时放热速率是指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内(或l曲轴转角内)燃烧的燃油所放出的热量； 累积放热百分比，是指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。 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧放热规律,图9.3 燃烧放热规律,2. 柴油机合理的燃烧放热规律,1)放热规律三要素 一般将燃烧放热始点(相位)、放热持续期和放热率曲线的形状称为放热规律三要素 2)理想的燃烧放热规律及其控制 放热始点的位置要能保证最大燃烧压力出现在上止点后1215。柴油机通过喷油提前角的变化以及着火落后期长短来加以调控。,柴油机的喷油提前的调节规律是：要求转速及负荷都提前,放热持续期首先取决于喷油持续角的大小 影响放热规律曲线形状的因素比较复杂,9.2柴油机混合气的形成原理,9.2.1燃油的喷射与雾化,图9.7 柱塞式喷油泵燃油供给系,图9.8 分配式喷油泵燃油供给系,喷油器,孔式喷油器 轴针式喷油器,图9.12 不同喷油嘴的流通特性,2.喷射与雾化 1) 喷射过程 (1)喷射延迟阶段 (2)主喷射阶段 (3)喷油结束阶段,2)供油规律与喷油规律 单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油泵供入高压油路中的燃油量称供油速率；单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为喷油速率,两者的差别主要原因 ： (1) 燃油的可压缩性 (2) 压力波传播滞后 (3) 压力波动 (4) 高压容积变化,3) 异常喷射与穴蚀,a)正常喷射 b)二次喷射 c)断续喷射 d)隔次喷射,4) 喷雾特性与雾化质量,油束射程(又称为贯穿距离)L 喷雾锥角 油束的最大宽度,油束的雾化质量指油束中液滴的细度和均匀度 平均粒径、索特粒径和粒径分布 粒径分布则既表示了油粒大小又表示了其均匀程度,1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀,喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响,9.2.2燃烧室与混合气形成,1.柴油机的混合气形成特点和方式,1) 空间雾化混合,2) 油膜蒸发混合,3) 两种混合方式的对比,空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用 喷雾细、均匀。较多的油滴受热蒸发，着火延迟期内形成大量的可燃混合气，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。 如果减小着火延迟期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。 空间雾化混合方式有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。,油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。 油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。 随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。 大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。,2.缸内气流运动,1) 涡流 (1) 进气涡流 (2)压缩涡流 2)挤流 3) 湍流 4) 滚流,图9.21切向气道、螺旋气道的原理 (a)切向气道；(b)纯螺旋气道,图9.22切向气道、螺旋气道的进气门出口处的速度分布 (a)切向气道； (b)纯螺旋气道 涡流转速与发动机转速之比称为涡流比,进气涡流比和压缩终点时燃烧室凹坑内的涡流比的关系,图9.23 挤流的形成 a)无进气涡流或涡流不强时的挤流 b)进气涡流强时的挤流 c)逆挤流,3.柴油机燃烧室,图9.24各种直喷式燃烧室形式 (a) 浅盆形 (b) 形 (c)挤流口形 (d)球形,浅盆形燃烧室的特点 形燃烧室的特点,属于半开式燃烧室，在活塞顶部设有比较深的凹坑，其中形凹坑的中心凸起是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气而设置的。 一般dkD为0.6左右，dkh1.53.5。采用46孔均布的多孔喷油器中央布置(四气门时)或偏心布置(二气门时)，喷雾贯穿率一般为1.05。 空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。 进气涡流比介于最低的浅盘形燃烧室(3)之间， 通过减小dkD，和余隙高度S0，可使挤流强度增加。 由于利用燃油喷射和空气运动两方面的作用形成混合气，因而比浅盘形更容易形成均匀的混合气，空气利用率提高，可在过量空气系数声1.31.5的条件下实现完全燃烧。,挤流口形燃烧室,图9.26非回转体燃烧室 (a) 四角形 (b) 微涡流MTCC ( c) Quardram (d) 花瓣形,日本小松公司的微涡流燃烧室 MTCC(micro turbulence combustion chamber),在半开式燃烧室的基础之上，利用燃烧室形状的设计来产生微涡流，改善混合气形成和燃烧。 除大尺度的涡流(如进气涡流和挤压涡流)以外，小尺度的涡流，又称为微涡流或湍流，对混合气形成和燃烧的促进作用已得到公认。 微涡流主要是利用大尺度的涡流在燃烧室内不同位置造成的速度差以及流经一些特殊设计的边角、凹凸时产生的气流扰动所形成的,MAN公司的JSMeurer博士 M燃烧过程,直喷式燃烧室柴油机的性能特点,(1)由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低 (2)燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小 (3)对喷射系统的要求较高 (5)NOx的排放量较分隔式燃烧室柴油机高 (6)对转速的变化较为敏感 (7)压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴,2) 分隔式燃烧室,涡流室燃烧室及其形状,预燃室燃烧室及其形状,分隔式燃烧室柴油机的性能特点,(1)采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段过浓(还原)气氛，抑制了NOx的生成和燃烧温度，而后段的稀燃(氧化)气氛和二次涡流又促进了炭烟的快速氧化，因而NOx和微粒排放均低于直喷式燃烧室，但低负荷下的碳烟排放量较大。 (2)由于初期放热率低，因而压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧柔和，振动噪声小。 (3)对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升高而增强，即转速越高，混合气形成和燃烧速度越高，因此涡流室式燃烧室适合于高速柴油机，其转速可高达5000rmin。 (4)缸内气流运动自始至终比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数1.2左右的条件下正常工作。 (5)对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，因而加工制造成本低，使用故障少。 (6)一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。 (7) 燃烧室结构复杂，表面积与容积之比较大，加上强烈的空气运动的影响，使散热损失较大，通道节流作用引起的流动损失也较大。因此，分隔式燃烧室柴油机较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。 (8) 散热损失大和喷雾质量不高，冷起动性能不如直喷式燃烧室,9.2.3柴油机的预混合燃烧,均质压燃(预混压燃)HCCI(Homogeneous Charge Compression ignition) HCCI燃烧特性 1）全部混合气同时压缩着火 2）燃烧放热分为二个阶段 3）排放明显改善 （低负荷） 2.HCCI实现方法,1) 丰田UNIBUS燃烧方式,图9.32丰田UNIBUS系统的多层多孔喷油器,2)日产MK(modulated kinetics) 燃烧方式,图9.33 MK燃烧过程的主要技术路线及排放降低效果,3. HCCI技术难点,(1)在发动机全工况范围内控制着火定时； (2)在发动机全工况范围内控制燃烧率，尤其是高负荷运行时燃烧率的控制(使放热率放慢，限止噪声或过高燃烧压力)； (3)把HCCI向高负荷扩展； (4)改善冷起动和瞬态响应特性； (5)发展排放控制系统，降低HC和CO排放； (6)发展发动机的控制策略和系统(闭环反馈系统)以及研制相应的传感器； (7)开发合适的燃料(包括混合燃料)； (8)保证多缸机各缸的均匀性； (9)HCCI的燃烧模拟。,9.3 柴油机燃烧过程的优化,9.3.1燃烧优过程化的基本原则 1) 油气燃烧室的最佳配合 2) 控制着火延迟期内的混合气生成量 3) 合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动 4) 紧凑的燃烧室形状 5) 加强燃烧期间和燃烧后期的扰流 6) 优化运转参数,9.3.2燃油喷射过程的优化,对喷油规律的基本要求 1）“先缓后急，断油迅速” 2)尽可能减少喷油系统中的燃油压力波动，以防止不正常喷射现象,合理的喷油规律及其实现,图9.35 合理的喷油规律,1）改变凸轮型线,2）双弹簧喷油器,图9.38 双弹簧喷油器喷射规律形状与单 弹簧喷油器进行对比 a) 单弹簧喷油器 (b) 双弹簧喷油器,3）预喷射和多段喷射,图9.39预喷射对燃烧特性的影响,图9.40 多段喷射的示意图,不同燃油喷射系统的标准喷油过程对比,9