柴油机混合气形成和燃烧PPT演示课件

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,1,6-1柴油机能量转换特点,柴油机以，循环热效率。混合气形成和燃烧特点：混合气形成时间极短；混合气空间时间分布极不均匀；燃料喷射过程和燃烧过程同时存在。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;发动机性能放热规律喷油规律混合气形成,2,6-2燃烧过程,一、燃烧阶段的划分由示功图分为四个阶段：1、着火延迟期（i）：喷油开始压力脱离压缩线；混合气形成的物理过程：喷雾分散蒸发汽化混合化学过程：局部可燃混合气先期化学反应自燃。i，dp/d，NOx，粗暴,3,影响因素：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i2、速燃期：压力脱离压缩线最高压力点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，pz13MPa以上，影响NOx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,4,3、缓燃期：最高压力点最高温度点喷射过程结束，边喷边燃烧扩散燃烧阶段；主要影响碳烟排放。特点：空气量减少，燃烧产物，活塞，燃烧缓慢不均匀混合气的燃烧空燃比偏大，才有可能完全燃烧空气利用率低，PL，比重量1，缝隙激冷效应小，故其排放小。柴油机有害排放物：NOx,PM,且二者矛盾。CO21)NOx的生成机理:根据燃料及其混合气形成方式分为：热力NO(ThemalNO)和快速NO（PromptNO）热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机,11,快速NO生成条件：浓混合气燃烧火焰带内化学平衡浓度的O、OH等活性中心为主的中间生成物、燃料中的碳和氢生成的碳氢化合物，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应的结果。热力NO是在火焰下游区产生；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。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）,12,2）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：高温环境下热分解形成低级碳氢化合物没有与空气再接触的部分最终变成微粒。,13,生成条件：高温缺氧；缺氧：空燃比为5.255.65的比较浓的狭窄范围；接近火焰高温缺氧；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),凝聚,粒径分布,14,高温：在预混合火焰温度20002400K范围内出现峰值；在扩散火焰区缺氧未氧化PM。T2400K时：PMC原子不易凝聚；已形成的碳烟氧化。,急速加热到1700K以上时，聚乙炔及碳蒸汽成为中间产物而生成碳烟,危害：致癌物；大气可见度,15,PM生成特点：,碳烟生成过程早于NO的生成,燃烧初期生成中期和后期氧化；PM排量碳烟生成后被氧化程度,16,17,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。,具体措施：促进碳烟的氧化过程组织燃烧室内的气流运动，促进紊流混合；促进喷雾的微粒化高压喷射。,PM控制的基本原理：由PM和NOx形成领域，控制火焰领域内混合气的浓度和温度。,18,具体措施：电控高压喷射技术；喷射规律控制喷射时期控制；缩口燃烧室气流EGR：TzVNT（VGS）；,四、柴油机排放控制策略抑制与混合燃烧过程NOx，促进扩散燃烧PM,19,五、柴油机的燃烧噪声,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：气缸内压力变化;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。发动机的噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进气噪声、排气噪声等。,20,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，气缸内温度，NOx排放量。机械噪声：运动副的相对摩擦撞击速度及强度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,21,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温度和n最低燃料雾化不良冷起动困难。即T0低Tc低，传热损失大，喷雾雾化差；n低，漏气，造成Tc、pc降低，不利于自燃。,六、冷起动特性,低温冷起动(怠速)时，燃料未完全蒸发，以液体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。,22,6-3燃油喷射和雾化,一、对燃料喷射系统的要求,机械/电控泵-管-喷嘴位置式控制方法：三者相互间受限制,不能有效地控制放热规律,喷油器、喷油泵、ECU相互独立构成:控制自由度,23,柴油机喷射系统的发展：机械式位置式电控时间控制式高压电控机械式：直列泵、V形分配泵位置式电控：TICS、VE高压电控：高压共轨（C-R）喷射压力200MPa泵喷嘴单体泵,喷射压力：1826MPa,24,现代车用柴油机喷射系统的要求1喷射压力高压化，且可任意调控保证燃料快速、良好雾化。2喷油器响应特性足够快在极短时间内，喷油规律的自由控制达到最佳喷油时刻和理想喷油规律。3喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配。,适应高效率低排放燃烧方式的要求,25,喷雾(油束)特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压，是影响混合气形成的主要因素油束特性：用几何形状和雾化质量评价,二、喷射雾化和油束特性,核心部分液滴密集，速度高,油束外侧液滴稀少，速度低,几何形状：贯穿距离L；贯穿率和喷雾锥角或B,贯穿率：油束射程与喷孔出口沿喷孔轴线到达燃烧室壁面的距离的比值表征燃油喷到燃烧室壁面的程度,贯穿距离,26,贯穿率1:表示油束已喷到燃烧室壁面。喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环境密度越小贯穿率越大，喷雾锥角越小。,油束射程短：贯穿距离L，喷注穿透不足；空间雾化气流强粗暴，NOx油束射程过长：喷注穿透过度，喷注着壁；燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气冒烟,27,油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。,均匀度是表示油束中液滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。,细度用油束中液滴的平均直径表示，该值越小雾化质量越好,28,1）位置式喷射系统1.位置式喷射系统油泵速度特性：供油量随n增加而增加调速器的必要性：防止高速飞车，低速熄火喷射过程：取决于喷射压力；喷射压力与供油压力有关;但非线性关系，不可控。,三、喷射系统,29,直列泵,供油量控制：通过驾驶员/调速器调节油量控制环套位置来完成,机械式喷油泵,VE型分配泵：一个柱塞，与固定在一起的端面凸轮盘一同旋转,30,VE型电控分配泵：消除机械式调速器；增设：转速传感器2；滑套位置传感器5；喷射定时器位置传感器3；比例电磁阀1；电磁阀4等,控制油量环套位置,滑套位置传感器,喷射定时传感器,控制喷射定时电磁阀,31,电控直列泵TICS（TimerInjectionControlSystem）：在P型泵基础上改进。,结构：保留P型泵油量控制齿杆机构在柱塞偶件上增加控制滑套，取代P型泵的倒挂形柱塞套。控制：滑套相对柱塞的位移改变供油始点供油预行程在一定范围内实现供油时刻的任意控制,32,TICS泵的泵油原理油量控制杆位置由电子调速器控制油门开度通过传感器传送到ECU判定工况控制MAP图反馈控制控制杆位置喷油量控制精度。,33,供油规律影响喷油规律，但不同缺点：喷油规律不可控,喷油过程,位置式泵-管-喷嘴型特点：供油特性和喷油器的实际喷油特性不一致。电控化后有所改善。,喷油过程划分为等三个阶段：喷射延迟期：供油开始喷油开始,高压油管内以1400m/s声速传播建立喷油器端油压缺点：供油与喷油不同步,主喷射期：喷油开始喷嘴端压力开始急剧下降,34,喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧降低喷油器针阀落座停止喷油。因，通过喷油泵的回油降低喷油器端油压针阀落座。所以，针阀落座速度喷嘴端压力降低速率。此时喷射压力降低雾化特性变差。,35,供油规律,喷油规律,存在的问题：供油规律与喷油规律不同；出现不正常喷射现象：二次喷射；喷油压力波动滴油现象；高压密封断续喷射；针阀周期跳动隔次喷射；2循环喷1次,36,机械式与电控式的区别：调速器：机械式机械；电控式数据调速供油规律：机械式不可调；电控式可调喷油压力：机械式不可调；电控式可调,37,图4-55ECDU2系统示意图,2）时间-压力式电控喷射系统特点：不断高压化典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种,1.高压共轨系统,38,高压共轨系统特点：结构上：把泵-管-喷嘴三个单元，按各自功能相互独立起来充分提高控制自由度。功能上：实现高压喷射；喷射压力、喷射时刻、喷油规律达到可直接调控放热规律可控制。,各单元的作用：高压泵：按一定速率向共轨供油，保证轨压恒定供油原理：多山凸轮每转供三每次供油频率与喷射频率一致,39,吸油过程：柱塞下行PCV阀开泵室进油,柱塞上行PCV阀开回油轨压不变,共轨压力200MPa雾化，喷射速率多段脉冲喷射：响应特性喷射规律放热规律,77,2新的燃烧方式,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同时采用MK(可调)高压喷射缩短喷射时间+冷EGR+提前喷iPCIPM,byEGR,高压喷射,冷EGR,MK燃烧,预混合燃烧,78,HCCI技术：,EGR=30%,早喷=17,早喷，=17EGR=30%,:1714,早喷低压缩比,早喷=14EGR=30%,EGR,放热率,压缩过程中喷射，i，形成稀薄预混合气压燃PCCI,混合气均匀化,79,3.不同阶段柴油机的控制技术,对应2005年前排放法规的主要技术措施：欧IV前轨压=160MPa、冷EGR、VNT/VGS、预喷射燃烧、进气涡流可变系统、燃料含硫量50ppm；采用DOC（DieselOxidationCatalyst）、DPF后处理。,针对2005年实施的欧洲排放法规：欧IV高压多段喷射技术、闭环电控，高增压可变技术、高冷EGR，PCI燃烧方式，燃料含硫量10ppm。,2009年实施的排放法规的技术措施：欧V以上200MPa多段喷射、部分HCCI、内部EGR、燃料低含硫且机油含硫量为0，采用NH3-SCR后处理技术。,80,二、后处理技术,1）氧化催化转化器目的：将CO和HC以及PM中的SOFCO2和H2O,主要氧化催化剂：Pt钯和Pd铂，Pt/Pd2.3/1组合用,Pd受Pb铅的侵蚀；Pt受热劣化,影响催化反应因素：反应物浓度：O2浓度和CO/HC/H2浓度间的平衡温度催化剂的工作温度为300以上。空间速度=单位时间内的气体流量：数万升/h,向排气供给新鲜空气2次空气,柴油中含硫量多氧化剂会生成硫酸盐PM,81,2）NOx的催化还元转化器,选择型还原装置SCR(Selectivecatalyticreduction)：氨为还原剂,催化装置前供给相对燃料35%的32.5%浓度尿素。,用排气热进行水分解反应产生NH3对NO进行选择型还原,工作温度：250500,82,3）柴油机微粒捕集器（DPT或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。,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,83,DPF的再生方法：成为DPF的重要问题,电加热再生系统：电加热DPF供给一定空气来烧掉PM。采用遮断DPF流动法需多个DPF，每个DPF再生所需能量少结构复杂。,连续再生系统：前段氧化剂生成氧化活性很强的NO2再生后部DPF,NO2,84,强制氧化催化再生系统,发动机控制和氧化催化器相结合法：强制