汽车发动机-柴油机混合气形成和燃烧

1、第六章第六章 柴油机混合气形成和燃烧柴油机混合气形成和燃烧6-1 柴油机热功转换的特点柴油机热功转换的特点6-2 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程6-3 燃油喷射和雾化燃油喷射和雾化6-4 混合气的形成和燃烧室混合气的形成和燃烧室6-5 燃烧过程的影响因素燃烧过程的影响因素6-6 柴油机的排放控制技术柴油机的排放控制技术6-1 柴油机热功转换的特点柴油机热功转换的特点柴油机以柴油机以， 循环热效率。循环热效率。混合气形成和燃烧特点：混合气形成和燃烧特点：n混合气形成时间极短；混合气形成时间极短；n混合气空间时间分布极不均匀；混合气空间时间分布极不均匀；n燃料喷射过程和燃烧过程同时存在。燃料喷射

2、过程和燃烧过程同时存在。质调节：质调节： 输出功，输出功， 喷油量喷油量 ；喷射期间喷射期间 ，散热，散热损失；反之极短时间内快速喷射燃烧损失；反之极短时间内快速喷射燃烧粗暴粗暴; 发动机性能发动机性能放热功率放热功率喷油规律喷油规律混合气形成混合气形成 6-2 燃烧过程燃烧过程一、燃烧阶段的划分一、燃烧阶段的划分由示功图分为四个阶段：由示功图分为四个阶段：1、着火延迟期（、着火延迟期（ i） ：喷油开：喷油开始始压力脱离压缩线；压力脱离压缩线；混合气形成的物理过程：混合气形成的物理过程：喷雾喷雾分散分散蒸发蒸发汽化汽化混合混合化学过程：局部可燃混合气先化学过程：局部可燃混合气先期化学反应期化

3、学反应自燃。自燃。 i ，dp/d，NOx ，粗暴，粗暴影响因素：燃料的十六烷值影响因素：燃料的十六烷值 ， i ； 温度、压力温度、压力 ， i ； 凡是改善蒸发雾化条件均使凡是改善蒸发雾化条件均使 i 2、速燃期：压力脱离压缩线、速燃期：压力脱离压缩线最高压力点最高压力点pz 在在 i内形成的可燃混合气同时燃烧内形成的可燃混合气同时燃烧预混合燃烧预混合燃烧 特点：特点：p、T ，pz13MPa以上，影响以上，影响NOx 评价粗暴程度：平均压力升高率评价粗暴程度：平均压力升高率n影响因素：影响因素： i内形成的可燃混合气量内形成的可燃混合气量 i内喷入量内喷入量/5 . 04 . 0MPap

4、ppbcbc3、缓燃期：最高压力点、缓燃期：最高压力点最高温度点最高温度点 喷射过程结束，边喷边燃烧喷射过程结束，边喷边燃烧扩散燃烧阶段；扩散燃烧阶段； 主要影响碳烟排放。主要影响碳烟排放。特点：空气量减少，燃烧产物特点：空气量减少，燃烧产物 ，活塞，活塞 ，燃烧缓慢，燃烧缓慢 不均匀混合气的燃烧不均匀混合气的燃烧空燃比偏大，才有可能空燃比偏大，才有可能 完全燃烧完全燃烧空气利用率低空气利用率低 ，PL，比重量，比重量1，缝隙激，缝隙激冷效应小，故其排放小。冷效应小，故其排放小。柴油机有害排放物：柴油机有害排放物：NOx, PM, 且二者矛盾。且二者矛盾。 CO21) NOx的生成机理的生成机

5、理:根据燃料及其混合气形成方式根据燃料及其混合气形成方式分为：分为： 热力热力NO(Themal NO)和快速和快速NO（Prompt NO） 热力热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机汽油机快速快速NO生成条件：浓混合气生成条件：浓混合气燃烧火焰带内燃烧火焰带内化学化学平衡浓度的平衡浓度的O、OH等活性中心为主的中间生成物、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等中间反应物参与反应的结果 。p热力热力NO是在火焰下游区产生；是在火焰下游区产生； p快速

6、快速NO是在火焰带前急速生成，对温度依赖性小，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，快速与混合气浓度直接相关，快速NO的生成速度比热的生成速度比热力力NO快。快。 危害：危害：1）与）与HC一起产生光化学烟雾一起产生光化学烟雾植物枯死植物枯死 2）破坏地球大气层（）破坏地球大气层（O3层）层）2）碳烟的生成机理）碳烟的生成机理1碳烟的生成过程碳烟的生成过程 碳烟：可溶性有机成分（碳烟：可溶性有机成分（SOF）和不可溶成分；）和不可溶成分； 由燃烧时生成的含碳粒子由燃烧时生成的含碳粒子及其表面上吸附的多种有及其表面上吸附的多种有机物组成。机物组成。生成过程：生成过程：高温环

7、境下高温环境下热分解形成热分解形成低级碳氢化合物低级碳氢化合物没有与空气没有与空气再接触的部分最终变成微粒。再接触的部分最终变成微粒。 生成条件：高温缺氧；生成条件：高温缺氧；n缺氧：空燃比为缺氧：空燃比为5.255.65的的比较浓的狭窄范围；比较浓的狭窄范围； 接近火焰接近火焰高温缺氧；高温缺氧； 部分氧化和热分解部分氧化和热分解 生成各种低级不饱和烃类生成各种低级不饱和烃类 脱氢、聚合成碳核脱氢、聚合成碳核(2nm)粒子直径/nm粒子数相对频度/%凝凝 聚聚粒径分布粒径分布n高温：在预混合火焰温度高温：在预混合火焰温度20002400K范围内出现峰范围内出现峰值；值； 在扩散火焰区缺氧在扩

8、散火焰区缺氧 未未氧化氧化PM。T2400K时：时：PM C原子不易凝聚；原子不易凝聚； 已形成的碳烟氧化。已形成的碳烟氧化。燃烧温度/K由 H C向碳烟的转换率实验结果计算结果急速加热到急速加热到1700K以上以上时，聚乙炔及碳蒸汽成时，聚乙炔及碳蒸汽成为中间产物而生成碳烟为中间产物而生成碳烟 危害：致癌物；大气可见度危害：致癌物；大气可见度 PM生成特点：生成特点：碳烟生成过程碳烟生成过程早于早于NO的生成的生成燃烧初期生成燃烧初期生成中期和中期和后期氧化；后期氧化；PM排量排量碳烟生成后碳烟生成后被氧化程度被氧化程度因此，组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。因此，组织好扩散燃烧，是控制

9、碳烟的有效措施。 一般，加速碳烟氧化的措施，使一般，加速碳烟氧化的措施，使NOx 。 具体措施：具体措施： 促进碳烟的氧化过程促进碳烟的氧化过程组织燃烧室内的气流运动，组织燃烧室内的气流运动，促进紊流混合；促进紊流混合；促进喷雾的微粒化促进喷雾的微粒化高压高压喷射。喷射。PM控制的基本原理：由控制的基本原理：由PM和和NOx形成领域，形成领域， 控制火焰领域内混合气的浓度和温度。控制火焰领域内混合气的浓度和温度。 具体措施：具体措施：n电控高压喷射技术；电控高压喷射技术；喷射规律控制喷射规律控制n喷射时期控制；喷射时期控制；n缩口燃烧室缩口燃烧室气流气流nEGR： TznVNT（VGS）；）；

10、四、柴油机排放控制策略四、柴油机排放控制策略 抑制与混合燃烧过程抑制与混合燃烧过程 NOx，促进扩散燃烧，促进扩散燃烧 PM五、柴油机的燃烧噪声五、柴油机的燃烧噪声n噪声：弹性体在声频（噪声：弹性体在声频（20Hz20kHz）范围内的振）范围内的振动动振动与噪声密切相关。振动与噪声密切相关。n产生振动的必要条件产生振动的必要条件激振力：激振力： 气缸内压力变化气缸内压力变化; 曲柄连杆机构等运动付间的相互摩擦、撞击；曲柄连杆机构等运动付间的相互摩擦、撞击；n噪声传递的媒体噪声传递的媒体弹性体：弹性体：机体振动。机体振动。 激振力的变化激振力的变化缸体表面振动缸体表面振动对外辐射噪声。对外辐射噪

11、声。n发动机的噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进气噪发动机的噪声源：燃烧噪声、机械噪声、进气噪声、排气噪声等。声、排气噪声等。 n燃烧噪声：与气缸压力升高率成正比，且直接与燃烧噪声：与气缸压力升高率成正比，且直接与NOx排放有关。排放有关。 燃烧噪声大燃烧噪声大气缸压力升高率气缸压力升高率 ，预混合燃烧的预混合燃烧的混合气量多，气缸内温度混合气量多，气缸内温度 ，NOx排放量排放量 。n机械噪声：运动副的相对摩擦撞击速度及强度机械噪声：运动副的相对摩擦撞击速度及强度nn进气噪声：进气噪声：进气脉动及进气脉动及n、发火频率发火频率n排气噪声：排气噪声：排气脉动排气脉动及及n、发火频率、发火频率n压燃

12、式发动机起动过程取决于低温下混合气形成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。和着火燃烧条件。压缩温度压缩温度 和雾化条件和雾化条件n冷起动时温度和冷起动时温度和n最低最低燃料雾化不良燃料雾化不良冷起动困冷起动困难。即难。即 T0低低Tc低，传热损失大，喷雾雾化差；低，传热损失大，喷雾雾化差； n低，漏气低，漏气 ，造成，造成Tc、pc降低，不利于自燃。降低，不利于自燃。六、冷起动特性六、冷起动特性低温冷起动低温冷起动(怠速怠速)时，燃料未完全蒸发，以液体状时，燃料未完全蒸发，以液体状态排出态排出形成白烟和蓝烟形成白烟和蓝烟 HC和和CO排放排放 。 液滴直径不同，光照射下产

13、生不同颜色。液滴直径不同，光照射下产生不同颜色。6-3 燃油喷射和雾化燃油喷射和雾化一、对燃料喷射系统的要求一、对燃料喷射系统的要求机械机械/电控泵电控泵-管管-喷嘴位置式控喷嘴位置式控制方法：三者相互间受限制制方法：三者相互间受限制 不能有效地控制不能有效地控制放热规律放热规律 喷油器、喷油泵、喷油器、喷油泵、ECU相互独立构成相互独立构成:控制自由度控制自由度 柴油机喷射系统的发展：柴油机喷射系统的发展： 机械式机械式位置式电控位置式电控时间控制式高压电控时间控制式高压电控机械式：直列泵、机械式：直列泵、 V形分配泵形分配泵位置式电控：位置式电控：TICS、VE高压电控：高压共轨（高压电控

14、：高压共轨（C-R）喷射压力喷射压力200MPa 泵喷嘴泵喷嘴 单体泵单体泵喷射压力：喷射压力：1826MPa现代车用柴油机喷射系统的要求现代车用柴油机喷射系统的要求1喷射压力高压化，且可任意调控喷射压力高压化，且可任意调控保证燃料快速、保证燃料快速、良好雾化。良好雾化。2喷油器响应特性足够快喷油器响应特性足够快在极短时间内，喷油规在极短时间内，喷油规律的自由控制律的自由控制达到最佳喷油时刻和理想喷油规达到最佳喷油时刻和理想喷油规律。律。3喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配。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适应高效率低排放燃烧方式的要求喷雾喷雾(油束油束)

15、特性取决于喷油器的结构、喷射压力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二、喷射雾化和油束特性核心部分液滴核心部分液滴密集，速度高密集，速度高 油束外侧液滴油束外侧液滴稀少，速度低稀少，速度低 p几何形状：贯穿距离几何形状：贯穿距离L ；贯穿率和喷雾锥角或；贯穿率和喷雾锥角或B 贯穿率贯穿率：油束射程：油束射程与喷孔出口沿喷孔与喷孔出口沿喷孔轴线到达燃烧室壁轴线到达燃烧室壁面的距离的比值面的距离的比值表征燃油喷到燃烧表征燃油喷到燃烧室壁面的程度

16、室壁面的程度 贯穿距离贯穿距离n贯穿率贯穿率1: 表示油束已喷到燃烧室壁面。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、喷射环境喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环境密度越小密度越小贯穿率越大，喷雾锥角越小。贯穿率越大，喷雾锥角越小。 油束射程短：油束射程短：贯穿距离贯穿距离L ，喷注穿透不足；喷注穿透不足； 空间雾化空间雾化气流强气流强粗暴，粗暴，NOx 油束射程过长：油束射程过长：喷注穿透过度喷注穿透过度，喷注着壁，喷注着壁 ； 燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气冒烟冒烟p 油束的雾化质量：油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。液滴的细

17、度和均匀度表示。 烟度烟度0粒径粒径10均匀度是表示油束中液滴均匀度是表示油束中液滴大小相同程度及直径分布大小相同程度及直径分布的均匀程度。的均匀程度。 细度用油束中液滴的细度用油束中液滴的平均直径表示，该值平均直径表示，该值越小雾化质量越好越小雾化质量越好 1）位置式喷射系统）位置式喷射系统 1. 位置式喷射系统位置式喷射系统油泵速度特性：供油量随油泵速度特性：供油量随n增加而增加增加而增加调速器的必要性：调速器的必要性： 防止高速飞车，低速熄火防止高速飞车，低速熄火喷射过程：取决于喷射压力；喷射过程：取决于喷射压力； 喷射压力与供油压力有关喷射压力与供油压力有关; 但非线性关系，不可控。但

18、非线性关系，不可控。三、喷射系统三、喷射系统 溢流节流孔 张力杠杆 断油阀 柱塞套 到喷油器 出油阀 柱塞 柱塞弹簧 油量调 节滑套 平面凸轮 喷油 提前器 驱动 齿轮 滑片式 输油泵 齿轮 驱动轴 调压阀 燃油入口 调速手柄 调速弹簧 停车 手柄 飞锤 调速套筒 流回油箱 直列泵直列泵供油量控制：通过驾驶供油量控制：通过驾驶员员/调速器调节油量控制调速器调节油量控制环套位置来完成环套位置来完成 机械式喷油泵机械式喷油泵 VE型分配泵：型分配泵：一个柱塞，与固定一个柱塞，与固定在一起的端面凸轮在一起的端面凸轮盘一同旋转盘一同旋转 VE型电控分配泵：型电控分配泵：消除机械式调速器；消除机械式调速

19、器；增设：转速传感器增设：转速传感器2； 滑套位置传感器滑套位置传感器5； 喷射定时器位置传感器喷射定时器位置传感器3； 比例电磁阀比例电磁阀1； 电磁阀电磁阀4等等 控制油量控制油量环套位置环套位置滑套位置滑套位置传感器传感器喷射定时传喷射定时传感器感器控制喷射定控制喷射定时电磁阀时电磁阀电控直列泵电控直列泵TICS（Timer Injection Control System）：在）：在P型泵基础上改进。型泵基础上改进。 l结构：保留结构：保留P型泵油量控制齿杆机型泵油量控制齿杆机构构在柱塞偶件上增加控制滑套，在柱塞偶件上增加控制滑套，取代取代P型泵的倒挂形柱塞套。型泵的倒挂形柱塞套。l控

20、制：滑套相对柱塞的位移控制：滑套相对柱塞的位移改改变供油始点变供油始点供油预行程供油预行程在一定在一定范围内实现供油时刻的任意控制范围内实现供油时刻的任意控制 TICS泵的泵油原理泵的泵油原理 油量控制杆位置由电子调速器控制油量控制杆位置由电子调速器控制油门开度油门开度通过传感器传送到通过传感器传送到ECU判定工况判定工况控制控制MAP图图反馈控制控制杆位置反馈控制控制杆位置喷油量控制精度。喷油量控制精度。 供油规律影响喷油规律，但不同供油规律影响喷油规律，但不同缺点：喷油规律不可控缺点：喷油规律不可控 喷油过程喷油过程n位置式泵位置式泵-管管-喷嘴型特点：供油特性和喷油器的喷嘴型特点：供油特

21、性和喷油器的实际喷油特性不一致。电控化后有所改善。实际喷油特性不一致。电控化后有所改善。 泵端压力泵端压力喷嘴端喷嘴端压力压力针阀升程针阀升程喷油过程划分为等三个阶段：喷油过程划分为等三个阶段：喷射延迟期：供油开始喷射延迟期：供油开始喷油开始喷油开始高压油管内以高压油管内以 1400m/s声速传播声速传播建立喷油器端油压建立喷油器端油压缺点：供油与喷油不同步缺点：供油与喷油不同步主喷射期：喷油开始主喷射期：喷油开始喷嘴端压喷嘴端压力开始急剧下降力开始急剧下降 n喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧降低喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧降低喷喷油器针阀落座停止喷油。油器针阀落座停止喷油。 因，

22、通过喷油泵的回油因，通过喷油泵的回油降低喷油器端油压降低喷油器端油压针阀针阀落座。落座。 所以，针阀落座速度所以，针阀落座速度 喷嘴端压力降低速率。喷嘴端压力降低速率。 此时喷射压力降低此时喷射压力降低雾化特性变差。雾化特性变差。 供油规律供油规律喷油规律喷油规律存在的问题存在的问题：供油规律与喷油规律不同；供油规律与喷油规律不同；出现不正常喷射现象：出现不正常喷射现象： 二次喷射；喷油压力波动二次喷射；喷油压力波动滴油现象；高压密封滴油现象；高压密封断续喷射；针阀周期跳动断续喷射；针阀周期跳动隔次喷射；隔次喷射；2循环喷循环喷1次次机械式与电控式的区别：机械式与电控式的区别：n调速器：机械式

23、调速器：机械式机械；机械； 电控式电控式数据调速数据调速n供油规律：机械式供油规律：机械式不可调；电控式不可调；电控式可调可调n喷油压力：机械式喷油压力：机械式不可调；电控式不可调；电控式可调可调图图4-55 ECDU2系统示意图系统示意图2）时间）时间-压力式电控喷射系统压力式电控喷射系统 特点：不断高压化特点：不断高压化 典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种 三向阀控制脉冲三向阀控制脉冲燃油箱燃油箱其他信息其他信息（p,t）节流阀节流阀ECU负荷负荷压压 力力传感器传感器三通阀三通阀喷射率控制喷射率控制油压活塞油压活塞针阀体针阀体喷油器喷油器

24、油油 泵泵控制阀控制阀E/G转速转速及凸轮及凸轮转角转角气缸判气缸判别信号别信号 蓄蓄压压室室高压供油泵高压供油泵喷射喷射压力压力控制控制1. 高压共轨系统高压共轨系统高压共轨系统特点：高压共轨系统特点：p结构上：把泵结构上：把泵-管管-喷嘴三个单元，按各自功能相互喷嘴三个单元，按各自功能相互独立起来独立起来充分充分提高控制自由度。提高控制自由度。p功能上：实现高压喷射；功能上：实现高压喷射；喷射压力、喷射时刻、喷射压力、喷射时刻、喷油规律达到可直接调控喷油规律达到可直接调控放热规律可控制。放热规律可控制。 各单元的作用：各单元的作用： 高压泵：按一定速率向共轨供油，保证轨压恒定高压泵：按一定

25、速率向共轨供油，保证轨压恒定 供油原理：多山凸轮供油原理：多山凸轮每转供三每次每转供三每次供油频率供油频率 与喷射频率一致与喷射频率一致 吸油过程：柱塞下行吸油过程：柱塞下行PCV阀开阀开泵室进油泵室进油柱塞上行柱塞上行PCV阀开阀开回油回油轨压不变轨压不变共轨压力共轨压力设定值时，设定值时，ECU接通接通PCV阀关闭阀关闭出油阀出油阀开迅速供油补充轨压开迅速供油补充轨压 高压泵供油原理：高压泵供油原理：三山三山凸轮凸轮PCV阀出油阀n高压泵供油量：取决于高压泵供油量：取决于PCV阀关闭后柱塞升程阀关闭后柱塞升程有效行程有效行程通过改变通过改变PCV电磁阀的关闭时刻电磁阀的关闭时刻凸凸轮的有效

26、行程轮的有效行程改变供油量改变供油量控制共压。控制共压。n特点：减小功率损耗。但控制系统复杂。特点：减小功率损耗。但控制系统复杂。BOSCH-CR型三缸径向柱型三缸径向柱塞式高压泵：塞式高压泵： 结构：泵体、结构：泵体、泵盖、气门组件、泵盖、气门组件、柱塞泵组件、柱柱塞泵组件、柱塞弹簧、凸轮轴塞弹簧、凸轮轴组成。组成。特点：每压油单元采用多个特点：每压油单元采用多个压油凸轮，三缸柱塞泵隔压油凸轮，三缸柱塞泵隔120度均匀分布度均匀分布保证供油保证供油频率和供油量频率和供油量 共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压按恒按恒定压力均匀分配到各缸喷油器。定压力均匀分

27、配到各缸喷油器。 n 共轨容积的确定：共轨容积的确定：兼顾高压泵供油压力波动和每个喷油器喷油而引兼顾高压泵供油压力波动和每个喷油器喷油而引起的压力波动起的压力波动共轨压力波动控制在共轨压力波动控制在5MPa以内；以内；为保证共轨压力响应速度为保证共轨压力响应速度快速响应柴油机工况快速响应柴油机工况的变化，其容积又不能太大。的变化，其容积又不能太大。n ECD-U2共轨系统：共轨系统：高压泵最大循环供油量高压泵最大循环供油量为为600mm3，共轨容积，共轨容积约为约为94000mm3。 喷油器的主要作用：根据喷油器的主要作用：根据ECU的控制指令完成的控制指令完成定量、雾化及喷油规律的控制。定量

28、、雾化及喷油规律的控制。 n喷油量：喷油器开启持续时间（通电脉宽）来控喷油量：喷油器开启持续时间（通电脉宽）来控制；喷油器的开启时刻制；喷油器的开启时刻控制喷油时刻。控制喷油时刻。n喷雾质量：取决于喷射压力和喷孔总截面积以及喷雾质量：取决于喷射压力和喷孔总截面积以及燃烧室内气流状态。燃烧室内气流状态。 n喷油规律控制精度：取决于喷油器的响应特性。喷油规律控制精度：取决于喷油器的响应特性。n喷油器响应特性：取决于电磁阀特性和针阀惯性喷油器响应特性：取决于电磁阀特性和针阀惯性质量。质量。 n三向电磁阀式喷油器特点：三向电磁阀式喷油器特点： 由针阀偶件、液压柱塞、由针阀偶件、液压柱塞、 节流阀以及三

29、向电磁阀节流阀以及三向电磁阀（TWV）等组成。）等组成。 通电时刻通电时刻喷射时刻；喷射时刻；通电持续时间通电持续时间喷油量。喷油量。 ECD-U2系统：系统： 高压共轨系统的工作原理高压共轨系统的工作原理发动机发动机高压泵高压泵共轨共轨ECU喷油器喷油器发动机发动机高压泵工作；高压泵工作；ECU检测轨压：检测轨压：当轨压当轨压200MPa)可靠性好；但复杂可靠性好；但复杂 取消了高压油管取消了高压油管弥补高压共弥补高压共轨耐高压及高压密封缺陷。轨耐高压及高压密封缺陷。 3. 单体泵单体泵向喷油器高压螺旋电磁阀发动机挺柱体滚轮n结构特点：一种模块式结构；结构特点：一种模块式结构； 各缸柱塞泵独

30、立；各缸柱塞泵独立； 喷油器和喷油泵间用短高压油管连接喷油器和喷油泵间用短高压油管连接n工作方式：工作方式：ECU控制电磁阀控制电磁阀n 组成：由滚轮式挺柱、柱组成：由滚轮式挺柱、柱塞、回位弹簧、泵体、塞、回位弹簧、泵体、ECU控制及电磁阀等。控制及电磁阀等。当电磁阀开启时，高压油经短高压当电磁阀开启时，高压油经短高压管管传到喷油器传到喷油器建立油压喷射；建立油压喷射；当电磁阀当电磁阀OFF时，泵油室内油和高时，泵油室内油和高压管内燃油回油，喷油器油压迅速压管内燃油回油，喷油器油压迅速降低降低停止喷油。停止喷油。CR：泵喷嘴独立控制：泵喷嘴独立控制直接控制喷射规律；响应性直接控制喷射规律；响应

31、性 喷射压力控制不受喷射压力控制不受n、负荷影响，自由度高。、负荷影响，自由度高。UIS：泵喷嘴一体：泵喷嘴一体高压化；喷油规律高压化；喷油规律 供油规律供油规律 ； 喷射压力喷射压力 供油速率供油速率 凸轮型线和凸轮型线和n； 喷射压力控制自由度受限。喷射压力控制自由度受限。UP：结构上，改善：结构上，改善CR的高压密封及可靠性问题，的高压密封及可靠性问题， UIS的体积大结构复杂的缺点。的体积大结构复杂的缺点。控制方法：用供油特性间接控制喷油规律；控制方法：用供油特性间接控制喷油规律； 喷油规律控制精度及高速响应特性较差。喷油规律控制精度及高速响应特性较差。 4. 三种高压喷射系统（三种高

32、压喷射系统（CR、UIS及及UP）的比较：）的比较：6-4 混合气的形成与燃烧室混合气的形成与燃烧室一、柴油机混合气形成方式一、柴油机混合气形成方式1）空间雾化）空间雾化：n多孔式喷油器强制雾化多孔式喷油器强制雾化+与空气的相对运动与空气的相对运动n 影响油气相对速度的因素：影响油气相对速度的因素：p喷，T， ，气流特性，气流特性 即即 喷雾特性与燃烧室内气流特性的匹配。喷雾特性与燃烧室内气流特性的匹配。影响柴油机混合气形成的因素：燃料的雾化特性，影响柴油机混合气形成的因素：燃料的雾化特性， 燃烧室内气流特性燃烧室内气流特性 123351234i）回转体燃烧室）回转体燃烧室ii)四角形燃烧室四

33、角形燃烧室iii）四角圆弧形燃烧室）四角圆弧形燃烧室vi）花瓣形燃烧室）花瓣形燃烧室传统的直喷燃烧室：主要靠空间雾化形成混合气传统的直喷燃烧室：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；缺陷：燃烧室内气流组织不当，喷射压力低； 混合气形成速率随混合气形成速率随n适应性差适应性差淘汰淘汰NOx 已淘汰已淘汰2）油膜蒸发：）油膜蒸发：n 燃烧室壁面形成油膜后，利用受热蒸发和空气流燃烧室壁面形成油膜后，利用受热蒸发和空气流动作用形成混合气。动作用形成混合气。蒸发速度蒸发速度n燃烧室壁面温度、和燃烧室内气流速度的控制燃烧室壁面温度、和燃烧室内气流速度的控制涡流室式涡流室式 对预燃

34、室对预燃室 压缩过程压缩过程涡流室内形涡流室内形成强烈压缩涡流成强烈压缩涡流壁面油膜蒸发混合壁面油膜蒸发混合喷入主燃室喷入主燃室二二次涡流次涡流n适应性适应性 压缩过程压缩过程 预燃室内形成预燃室内形成 强烈紊流强烈紊流部分部分空间空间混合混合喷入喷入主燃室主燃室燃烧涡燃烧涡流流n适应性适应性 3）传统直喷式和分隔式燃烧室特点：）传统直喷式和分隔式燃烧室特点： 直喷式：直喷式：燃烧等容度高；燃烧等容度高； 散热面积小；散热面积小； 经济性好经济性好 冷起动性好；冷起动性好； =1418 对喷射系统要求高；对喷射系统要求高； 对高速敏感；对高速敏感； 排放、高速性差排放、高速性差 粗暴，粗暴，N

35、Ox排放高。排放高。分隔式：分隔式：空气利用率好；空气利用率好； n适应性好适应性好 喷雾要求低、成本低；喷雾要求低、成本低； 散热面积大；通道节流损失大；散热面积大；通道节流损失大； 热效率低；冷起动性差。热效率低；冷起动性差。 =2024二、高速直喷燃烧室结构及其混合气形成特点二、高速直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柴油机燃烧放热规律及NOx和和PM生成生成 预混预混合燃烧过程和扩散燃烧过程。合燃烧过程和扩散燃烧过程。 预混合燃烧过程预混合燃烧过程 缸内缸内气流特性和喷雾质量；气流特性和喷雾质量； 扩散燃烧过程扩散燃烧过程 后喷射的喷雾质量和气流特性后喷射的喷雾质量和

36、气流特性;H D1 D2 D1D2A型型 (D120mm)p 缸内气流特性：缸内气流特性：燃烧室结构形状燃烧室结构形状p喷雾质量：高压喷射喷雾质量：高压喷射三、燃烧室内气流特性及其评价方法三、燃烧室内气流特性及其评价方法目的：有效控制预混合燃烧目的：有效控制预混合燃烧和扩散燃烧期间的气流特性。和扩散燃烧期间的气流特性。评价指标评价指标滚流强度保持性滚流强度保持性 评价方法：评价方法： 基于基于CFD软件，对燃烧室三软件，对燃烧室三维空间瞬态流场进行模拟计算；维空间瞬态流场进行模拟计算；11)()()(1cgcgwsdsS燃烧室断面燃烧室断面三维计算模型三维计算模型计算断面计算断面任任意意曲曲轴

37、轴转转角角滚滚流流:)(cgs处处滚滚流流峰峰值值11:cgsSW不同燃烧室结构对不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的燃烧室内气流特性的影响：影响：缩口比缩口比D2/D1一定时，一定时，燃烧室底部凸起形状燃烧室底部凸起形状对滚流强度保持性的对滚流强度保持性的影响影响 I型II型III型D1D2扩散燃烧期扩散燃烧期燃烧室底部形状对排放特性的影响：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。及烟度影响明显。 g6.5 燃烧过程的影响因素燃烧过程的影响因素一、喷雾特性与燃烧室形状匹配一、喷雾特性与燃烧室形状匹

38、配1）喷射夹角）喷射夹角(位置位置)： 喷射夹角不同，喷雾在燃烧室位置不同喷射夹角不同，喷雾在燃烧室位置不同过大：更多燃料过大：更多燃料飞溅到飞溅到挤气面挤气面过小：空间混合，预混合燃烧过小：空间混合，预混合燃烧 过小过小过大过大NOx烟度烟度喷射夹角喷射夹角:g g=152 g g=156 g g=160喷孔直径喷孔直径负荷负荷油耗油耗NOx烟度烟度喷射压力和喷射压力和喷孔数一定喷孔数一定喷孔直径喷孔直径影响喷射影响喷射总面积。总面积。喷孔直径小喷孔直径小：射程：射程 夹角夹角变小变小雾化雾化 油束着壁倾向油束着壁倾向 烟度烟度 。直径过大直径过大：小负荷：小负荷/大大负荷区，喷雾质量差负荷

39、区，喷雾质量差存在最佳喷控直径存在最佳喷控直径喷孔数和进气涡流喷孔数和进气涡流喷孔数和涡流强度喷孔数和涡流强度影响喷注与燃烧室空间的匹配影响喷注与燃烧室空间的匹配 孔数过多或涡流强度过孔数过多或涡流强度过强强喷注相互干涉喷注相互干涉适当减小涡流比适当减小涡流比,进气阻力进气阻力 , v 喷孔数过多，燃烧室内横向涡流过强喷孔数过多，燃烧室内横向涡流过强 喷注之间干涉；喷注之间干涉；n纵向涡流：预混合阶段适当；纵向涡流：预混合阶段适当； 扩散燃烧阶段有足够强度扩散燃烧阶段有足够强度保持性保持性n喷孔直径及喷孔数的确定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确定喷孔直径时，一般考虑

40、最大喷射面积 ； 一定喷射压力，影响喷射速率及喷雾质量一定喷射压力，影响喷射速率及喷雾质量喷孔数：根据燃烧室空间大小来确定喷孔数：根据燃烧室空间大小来确定 jjbnnVA3106喷喷射射面面积积： Vb：最大循环喷油量：最大循环喷油量 n：转速：转速 ：喷控流量系数：喷控流量系数 j：喷油持续角：喷油持续角 j：喷孔处平均喷油速率：喷孔处平均喷油速率喷孔数喷孔数=i 时：时：iAdnn4喷喷孔孔直直径径：喷油器面容比：喷油器面容比：cnVA喷嘴结构喷嘴结构 传统结构：传统结构：HC的工况的工况排放值排放值100%小压力室小压力室无压力室无压力室HC工况排放值工况排放值/%喷油器压力室对喷油器压

41、力室对HC排放的影响排放的影响喷后压力室内油进入气缸喷后压力室内油进入气缸雾化不良雾化不良HC ；无压力室无压力室针阀升程很小针阀升程很小因节流效应因节流效应射程不均射程不均一定喷孔面积，喷一定喷孔面积，喷嘴壁厚影响贯穿距嘴壁厚影响贯穿距离离雾化效果雾化效果 喷射压力（轨压）喷射压力（轨压） 轨压轨压 ，喷射速率，喷射速率 ，喷射持续时间，喷射持续时间 ，初期放热速率初期放热速率 ，NOx ，PM NOx轨压轨压轨压轨压轨压轨压轨压轨压HCbeCO不同转速下，轨压对发动机性能的影响：不同转速下，轨压对发动机性能的影响：二、影响燃烧过程的运转因素二、影响燃烧过程的运转因素1. 负荷负荷质调节：进

42、入气缸的空气量基本保持不变，只调质调节：进入气缸的空气量基本保持不变，只调节循环喷油量。节循环喷油量。 负荷负荷 ,=喷油量喷油量 ， a ； 单位单位Vh混合气燃烧放热量混合气燃烧放热量 , Tz ， i ，粗暴，粗暴 ； 但但 大负荷时，燃烧过程延长大负荷时，燃烧过程延长 e 2、转速、转速 n 散热散热/漏气损失漏气损失 pc Tc ； i着火落后期着火落后期 ；喷油压力高压化；喷油压力高压化可改善雾化可改善雾化 n过低：雾化过低：雾化热效率热效率 ； n过高：燃烧过程迟后，充气效率过高：燃烧过程迟后，充气效率 热效率热效率 3. 喷油时刻喷油时刻 pt 决定喷注相对燃烧室空间的喷射位置

43、。决定喷注相对燃烧室空间的喷射位置。 一般：一般： pt过大，过大， 缸内缸内p、Ti ；压缩负功；压缩负功 ； pz、Tz工作粗暴；工作粗暴；NOx ； 动力性动力性 ，经济性，经济性 pt过小：燃烧不及时，散热损失过小：燃烧不及时，散热损失 ，排温，排温 ； 动力性动力性 ，经济性，经济性 最佳最佳 pt0：动力性经济性不变的前提下，：动力性经济性不变的前提下， NOx 。 推迟推迟 pt是是 NOx的主要措施的主要措施 。 pt0随负荷、转速而变化。随负荷、转速而变化。 缩口燃烧室，喷射压力缩口燃烧室，喷射压力=24MPa，机械喷射系统：相对传统，机械喷射系统：相对传统静态供油提前角由静

44、态供油提前角由1114CA68 CA NOx而传统直喷柴油机而传统直喷柴油机 gt0=1130CA。 gt0范围范围=8 14CA4. 燃油特性燃油特性十六烷值十六烷值过低：自燃性差，不过低：自燃性差，不易着火。易着火。 i ，工作，工作粗暴，粗暴，NOx 冷态正常燃烧条件冷态正常燃烧条件易着火易着火压缩比和十六烷值匹配：压缩比和十六烷值匹配： 从从1614 &十六烷值十六烷值5585时时着火特性不变着火特性不变有效有效 NOx和和HC十六烷值十六烷值 ，自燃性好，自燃性好i ，dp/d，工作温柔，工作温柔， NOx ; 但但 过高过高冒烟冒烟。 5. EGR EGR作用：降低燃烧温度；降低氧

45、浓度作用：降低燃烧温度；降低氧浓度NOx 但但EGR率过大率过大燃烧滞后、不完全，经济性燃烧滞后、不完全，经济性 ； 排烟排烟 各工况存在最佳各工况存在最佳EGR率。率。p EGR作用在柴油机和汽油机上的区别：作用在柴油机和汽油机上的区别：汽油机：量调，汽油机：量调，EGR后，后，A/F基本不变；基本不变； 反应及燃烧温度反应及燃烧温度 NOx柴油机：质调，柴油机：质调，EGR后，后，A/F ,Tz ， NOx 效果明显。效果明显。 0.00.20.40.60.81.00102030EGR率/%NO、mm NO ;00NONONONO00mmmm排放量排放量时时无无：NOxEGR0NO排排放放

46、量量时时：有有NOxEGRNOm0：无：无EGR时进气量；时进气量；m：有：有GR时的进气量时的进气量 %;100EGRaEGRGG率率EGREGRaaGGG柴油机柴油机EGR降低降低NOx效果：效果：EGR流量流量=有无有无EGR时的进气流量之差时的进气流量之差EGR抑制燃烧效果与抑制燃烧效果与 氧氮含量效果各氧氮含量效果各50%空滤器空滤器进气进气1.可变增压可变增压+双级增压双级增压4.电控高压多电控高压多段喷射系统段喷射系统还元剂还元剂供给系统供给系统6.氧化催化氧化催化+DPF+NOx还元还元2.中冷中冷3.EGR中冷中冷EGR阀阀5.燃烧室内燃烧室内气流特性气流特性6-6 柴油机的

47、排放控制技术柴油机的排放控制技术表表6-1 不同技术措施对排放及性能的影响效果不同技术措施对排放及性能的影响效果喷喷 射射 系系 统统后后 处处 理理喷射压喷射压力最高力最高化化喷射喷射压力压力控制控制先导先导喷射喷射喷射时喷射时期期控控制制EGR还元剂还元剂NOx氧化剂氧化剂HC静电静电除尘除尘PM/SM/HCNOx油耗油耗噪声噪声起动机起动机行驶性行驶性：明显改善，：明显改善，：改善，：改善，：恶化，：恶化，：无效果。：无效果。 一、机内措施一、机内措施1喷射系统的控制喷射系统的控制目的：良好喷雾特性、喷注与燃烧室良好匹配；目的：良好喷雾特性、喷注与燃烧室良好匹配； 控制喷油规律控制喷油规

48、律控制放热规律控制放热规律节能又低排节能又低排放放 措施：喷射压力高压化；且喷射时期措施：喷射压力高压化；且喷射时期/喷油量喷油量/喷油喷油率可变控制；率可变控制； 响应特性响应特性 。相对相对UP和和UIS：C-R直接控制喷油器直接控制喷油器控制响应特控制响应特性性 ，高速柴油机上普遍采用。高速柴油机上普遍采用。喷油器的要求：喷油器的要求： 喷射压力高压化：喷射压力高压化：200MPa雾化，喷射速率雾化，喷射速率 多段脉冲喷射：响应特性多段脉冲喷射：响应特性喷射规律喷射规律放热规律放热规律 2新的燃烧方式新的燃烧方式 低温燃烧技术低温燃烧技术MK燃烧：燃烧：u特点：低温燃烧和特点：低温燃烧和

49、预混合燃烧相组合预混合燃烧相组合同时同时 NOx & PM。 喷射持续时间-着火延迟期 /degCAModulated Kineticsu基本原理：由基本原理：由EGR 氧浓氧浓度和度和TzNOx; 同时采同时采用用MK(可调可调)高压喷射高压喷射缩缩短喷射时间短喷射时间+冷冷EGR+提前提前喷喷i PCIPM by EGR高压喷射高压喷射冷冷EGRMK燃烧燃烧预混合燃烧预混合燃烧 HCCI技术：技术：EGR=30%早喷早喷 =17早喷，早喷， =17EGR=30% :1714早喷早喷低压缩比低压缩比早喷早喷 =14EGR=30%EGR放热率放热率压缩过程中喷射，压缩过程中喷射，i，形成稀薄预

50、混合气，形成稀薄预混合气压燃压燃PCCI混合气混合气均匀化均匀化 3. 不同阶段柴油机的控制技术不同阶段柴油机的控制技术对应对应2005年前排放法规的主要技术措施：欧年前排放法规的主要技术措施：欧IV前前轨压轨压=160MPa、冷、冷EGR、VNT/VGS、预喷射燃烧、预喷射燃烧、进气涡流可变系统、燃料含硫量进气涡流可变系统、燃料含硫量50ppm；采用；采用DOC（Diesel Oxidation Catalyst）、）、DPF后处理。后处理。针对针对2005年实施的欧洲排放法规：欧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、高压多段喷射技术、闭环电控，高增压可变技

51、术、高冷高冷EGR，PCI燃烧方式，燃料含硫量燃烧方式，燃料含硫量 10ppm。 2009年实施的排放法规的技术措施：欧年实施的排放法规的技术措施：欧V以上以上200MPa多段喷射、部分多段喷射、部分HCCI、内部、内部EGR、燃料低、燃料低含硫且机油含硫量为含硫且机油含硫量为0，采用，采用NH3-SCR后处理技术。后处理技术。 二、后处理技术二、后处理技术1）氧化催化转化器）氧化催化转化器目的：将目的：将CO和和HC以及以及PM中的中的SOFCO2和和H2O 主要氧化催化剂：主要氧化催化剂：Pt钯和钯和Pd铂，铂， Pt/Pd2.3/1组合用组合用 Pd受受Pb铅的侵蚀；铅的侵蚀；Pt受热劣

52、化受热劣化 影响催化反应因素：影响催化反应因素： 反应物浓度：反应物浓度：O2浓度和浓度和CO/HC/H2浓度间的平衡浓度间的平衡 温度温度催化剂的工作温度为催化剂的工作温度为300以上。以上。 空间速度空间速度=单位时间内的气体流量：单位时间内的气体流量：数万升数万升/h 向排气供给新鲜空气向排气供给新鲜空气2次空气次空气 柴油中含硫量多柴油中含硫量多氧化剂会生成硫酸盐氧化剂会生成硫酸盐PM 氨水箱氨水箱氨水供氨水供给系统给系统氧化催化剂氧化催化剂高压喷射高压喷射装置装置2）NOx的催化还元转化器的催化还元转化器选择型还原装置选择型还原装置SCR (Selective catalytic reduction)：氨