第五章柴油机混合气的形成和燃烧2

1、第五章第五章 柴油机混合气形成和燃烧柴油机混合气形成和燃烧基本思路基本思路 探讨优化的途径探讨优化的途径 混合气形成与燃烧混合气形成与燃烧室结构优化室结构优化 燃油喷射燃油喷射过程优化过程优化 实例：结合柴油机的直喷式高压共轨技术实例：结合柴油机的直喷式高压共轨技术 燃油的喷射与雾化要素燃油的喷射与雾化要素 燃烧各阶段对动力性、经济性、环保性及噪声的影响燃烧各阶段对动力性、经济性、环保性及噪声的影响揭示柴油机的燃烧与放热过程揭示柴油机的燃烧与放热过程 柴油机正常工作燃烧的必要条件柴油机正常工作燃烧的必要条件 (油油 ) (气气) (室室) 的完美优化组合的完美优化组合 第一节第一节 燃油的喷射

2、与雾化燃油的喷射与雾化 一、喷射系统一、喷射系统 1、对喷油系统的要求、对喷油系统的要求 a.足够高的喷油压力足够高的喷油压力b.实现所要求的喷油规律，以保证合理的实现所要求的喷油规律，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能燃烧放热规律和良好的综合性能c.保证各种工况下精确供给燃油量及各保证各种工况下精确供给燃油量及各缸工作均匀性缸工作均匀性d.避免异常喷射现象避免异常喷射现象 2、喷油系统工作原理、喷油系统工作原理 （略）（略） （泵管嘴）（泵管嘴）二、喷射与雾化二、喷射与雾化 注意：喷射与雾化是柴油机良好工作的前提注意：喷射与雾化是柴油机良好工作的前提 究竟如何评价？究竟如何评价？通常用

3、通常用喷油特性和喷雾质量喷油特性和喷雾质量来评价喷油质量。来评价喷油质量。1、喷射过程、喷射过程 喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程（全负荷工况下约占曲周转角的的过程（全负荷工况下约占曲周转角的15 40）。 喷油特性喷油特性:是指喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷是指喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷油压力。油压力。喷雾质量喷雾质量：是指油束贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。：是指油束贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。开始供油开始喷油？开始供油开始喷油？ 对于对于n转转/分的发动机，喷油有多快？分的发动机，喷油有多快？

4、1560/（n360） 若高速轿车柴油机，若高速轿车柴油机，n=4000rpm ,则喷油时间则喷油时间0.000625 s ! 对于传统的柴油机难以实现的，所以，对电控高速电磁阀的速度对于传统的柴油机难以实现的，所以，对电控高速电磁阀的速度越来越高！越来越高！压力波：压力波：12001300m/s 供油提前角供油提前角 喷油提前角喷油提前角 是否喷油泵产生压力喷油器即是否喷油泵产生压力喷油器即即开始喷油？即开始喷油？开始喷油开始喷油 单位曲轴转角由喷油泵供单位曲轴转角由喷油泵供入油管的燃油量入油管的燃油量取决于柱塞直径和凸轮几取决于柱塞直径和凸轮几何尺寸何尺寸单位凸轮轴转角由喷油器单位凸轮轴转

5、角由喷油器喷入燃烧室内的燃油量喷入燃烧室内的燃油量主要取决于喷油器的结构特点主要取决于喷油器的结构特点 810比较发现：比较发现：1、喷油比供油延迟、喷油比供油延迟8102、喷油持续时间比供油时间长、喷油持续时间比供油时间长3、最大、最大 喷油速率比供油速率低喷油速率比供油速率低4、形状畸变、形状畸变5、循环喷油量低于循环供油量、循环喷油量低于循环供油量 原因：原因：1、燃油的可压缩性、燃油的可压缩性2、压力波传播滞后、压力波传播滞后3、压力波动、压力波动4、高压容积变化、高压容积变化2、供油规律与喷油规律、供油规律与喷油规律 为什么要共轨为什么要共轨 ？轿车柴油机的喷油压力脉图请参阅轿车柴油

6、机的喷油压力脉图请参阅P217 共轨管的容积能共轨管的容积能减弱高压油泵减弱高压油泵的供油压力波动和每个喷油的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震器由喷油过程引起的压力震荡荡，但其容积不能太大，以保证，但其容积不能太大，以保证油轨有足够的压力响应速度，足油轨有足够的压力响应速度，足以快速适应柴油机工况的变化要以快速适应柴油机工况的变化要求求.要根据具体的柴油机精确设计要根据具体的柴油机精确设计适合的容积和形状的高压共轨管适合的容积和形状的高压共轨管产生高压（可调压）产生高压（可调压） 蓄压蓄压 电控喷油器电控喷油器 实现高度灵活性的燃油喷射实现高度灵活性的燃油喷射 发动机转速越高，曲

7、轴旋转越快，在相同的发动机转速越高，曲轴旋转越快，在相同的喷油周期所占的曲轴转角下，喷油时间越短，为喷油周期所占的曲轴转角下，喷油时间越短，为满足大负荷，又必须喷入更多的燃油，因此，就满足大负荷，又必须喷入更多的燃油，因此，就需要高压供油泵提供更高的喷油压力需要高压供油泵提供更高的喷油压力 ，所以，在，所以，在高转速、大负荷时共轨高压油泵应该工作在高压高转速、大负荷时共轨高压油泵应该工作在高压的脉谱图区域中。的脉谱图区域中。3、喷雾特性、喷雾特性 与雾化质量与雾化质量 雾化：燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小油滴的过程。雾化：燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小油滴的过程。20200MPa10040

8、0m/s雾化的作用：雾化的作用：增加与周围空气接触的蒸发面积增加与周围空气接触的蒸发面积 加速从空气中吸热过程和油滴的汽化过程加速从空气中吸热过程和油滴的汽化过程有利于混合气的形成有利于混合气的形成 射程（贯穿距离）射程（贯穿距离） 喷雾锥角喷雾锥角 250m油滴越细小油滴越细小已雾化已雾化 最大宽度最大宽度 雾化质量的评价雾化质量的评价:油束中油滴的细度和均油束中油滴的细度和均匀度，常用指标有匀度，常用指标有平均粒径、索特粒径（平均粒径、索特粒径（m）和粒径分布（略）和粒径分布（略）。影响油粒直径的因素：影响油粒直径的因素：减小喷孔直径：减小喷孔直径：增大喷油压力：增大喷油压力：增大空气密度

9、：增大空气密度：减小燃油粘度、表面张力：减小燃油粘度、表面张力：喷孔直径减小趋势喷孔直径减小趋势压力增大的趋势压力增大的趋势增压增压粘度小？粘度小？电控柴油机中有燃油温度传感器，就是为了修正电控柴油机中有燃油温度传感器，就是为了修正油温变化引起的喷油特性的变化！油温变化引起的喷油特性的变化！喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响 35MPa 28MPa22MPa1MPa0.5MPa0.1MPa喷油压力喷油压力喷射背压喷射背压喷孔直径喷孔直径0.8mm0.57mm0.4mm各种异常喷射简介各种异常喷射简介 多出现在大负荷、高转速多出现在大负荷、高

10、转速 多出现在怠速工况多出现在怠速工况 在某些工况（特别是低怠速工况）下，当结构参数匹配不当时，循环供油量在某些工况（特别是低怠速工况）下，当结构参数匹配不当时，循环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异，这种现象称之为不断变动，各循环喷油规律也有差异，这种现象称之为不稳定或不规则喷射不稳定或不规则喷射。对于不稳定喷射，测量针阀升程和喷油规律即可加以判定，如针阀开启不足，针对于不稳定喷射，测量针阀升程和喷油规律即可加以判定，如针阀开启不足，针阀的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动，即所谓阀的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动，即所谓不齐喷射不齐喷射，更为严，更为严重的是有的循环针阀

11、不能开启，产生重的是有的循环针阀不能开启，产生隔次喷射隔次喷射现象。造成这些现象的原因是高现象。造成这些现象的原因是高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射又采用了较为防止二次喷射又采用了较大的出油阀减压容积；但在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，大的出油阀减压容积；但在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油压低，加之在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压降低并漏油增多，油压低，加之在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压降低并产生产生周期性的波动周期性的波动，从而使循环喷油量也相应产

12、生变化，从而使循环喷油量也相应产生变化。主要原因：压主要原因：压力波动力波动正常喷射正常喷射 高压油管压力波动高压油管压力波动 二次喷射二次喷射 喷嘴本身的参数喷嘴本身的参数 异常喷射的原因异常喷射的原因 燃油供给系统的结构参数：高压燃油供给系统的结构参数：高压 油管的长度油管的长度 高压容积的大小高压容积的大小 出油阀的结构出油阀的结构 减压容积等减压容积等高压油管压力波动高压油管压力波动 机械式柴油喷射系统与电控柴油喷射系统的比较机械式柴油喷射系统与电控柴油喷射系统的比较 初步认识共轨初步认识共轨 电控高压共轨燃油喷射系统的特点是电控高压共轨燃油喷射系统的特点是:喷油定时与喷油量的控制喷油

13、定时与喷油量的控制相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响；相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响；各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控正时、喷油量和喷油速率的最优控 制；喷射压力很高且喷射可靠，制；喷射压力很高且喷射可靠，能实现多种喷油规律等能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪高效、清洁、低噪声的燃烧过程起到了显著的作用声的燃烧过程起到了显著的作用。 电控共轨燃油喷射系统的优点是电控共轨燃油喷射系统的优点是

14、喷油压力柔性可调，在不同负喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，减少了排气颗粒和程，减少了排气颗粒和NOX的排放，降低了燃烧噪声。另外它对燃的排放，降低了燃烧噪声。另外它对燃油经济性的改善也是十分明显的油经济性的改善也是十分明显的。目前电控高压共轨燃油喷射系统。目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是的发展趋势是更高更高 的喷射压力的喷射压力(200 MPa ) 、更小的喷

15、孔直径、更小的喷孔直径（0.110.13 mm）更短的响应时间（）更短的响应时间（0.1 ms）。更低的功率消耗）。更低的功率消耗(采用压电晶体喷油器采用压电晶体喷油器)和功能更完善的软件。和功能更完善的软件。 电子控制高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于电子控制高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于系统比较复杂系统比较复杂:为了实现精为了实现精确的控制，对传感器的精度要求较高；随着共轨压力的不断提高，对共轨系统各确的控制，对传感器的精度要求较高；随着共轨压力的不断提高，对共轨系统各部件的性能要求也越来越苛刻。另外，采用电控共轨燃油喷射系统后，需对发动部件的性能要求也越来越苛刻。另外，采用电控共轨燃

16、油喷射系统后，需对发动机结构进行相应的改进，尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷机结构进行相应的改进，尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷射系统的应用成本相对较高。射系统的应用成本相对较高。一、燃烧过程一、燃烧过程 柴油机燃烧过程非常复杂，为了柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即个阶段，即着火延迟期（又称为滞着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期. .第二节第二节 燃烧与放热燃烧与放热 分析燃烧过程的方法：高

17、速摄影、光谱分析、采样分析等，但分析燃烧过程的方法：高速摄影、光谱分析、采样分析等，但最常最常用最简便是用示功图用最简便是用示功图 为实现对柴油机燃烧过程的优为实现对柴油机燃烧过程的优化，我们必须研究柴油机的燃化，我们必须研究柴油机的燃烧与放热过程。烧与放热过程。（一）着火延迟期（一）着火延迟期（滞（滞燃期）燃期） 从柴油开始喷入气缸起到着火开从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为始为止的这一段时期称为着火延迟着火延迟期期。在做什么在做什么 柴油开始喷入柴油开始喷入着火着火示功图示功图 燃烧室内的混合气进行着燃烧室内的混合气进行着物理和物理和化学准备过程化学准备过程。物理准备过程：

18、物理准备过程：燃油的粉碎分散、燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合；蒸发汽化和混合； 化学准备过程：化学准备过程：混合气的先期化学混合气的先期化学反应直至开始自燃（低温多阶段反应直至开始自燃（低温多阶段着火：着火：淡青色、蓝色到橘黄色淡青色、蓝色到橘黄色）。）。特点：压力没有偏离压缩线。特点：压力没有偏离压缩线。温度温度压力压力 参阅教材参阅教材p86,喷油开始与喷油开始与结束时刻，燃烧持续时间结束时刻，燃烧持续时间600着火延迟期（滞燃期）对燃烧过程（性能）的影响着火延迟期（滞燃期）对燃烧过程（性能）的影响 在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就多，在着火前形成可燃在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就多，在着火前形

19、成可燃混合气也多，混合气也多，这些预混合燃料在下一阶段（速这些预混合燃料在下一阶段（速燃期）中几乎同时燃烧燃期）中几乎同时燃烧，使压力升高率和最高燃烧，使压力升高率和最高燃烧压力很高，运动零件受到强烈冲击负荷，发动机运转粗暴，压力很高，运动零件受到强烈冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使用寿命。影响发动机的使用寿命。 如果滞燃期过长，如果滞燃期过长，在滞燃期内已喷入全部燃料在滞燃期内已喷入全部燃料，则，则随后的燃烧就难以控制，柴油机在高转速时有可能产生这随后的燃烧就难以控制，柴油机在高转速时有可能产生这种情况。种情况。 为了能控制燃烧过程，为了能控制燃烧过程，降低柴油机的机械负荷并使降低柴

20、油机的机械负荷并使之运转平稳，应设法缩短滞燃期之运转平稳，应设法缩短滞燃期。 但是，若滞燃期过短，又对混合气形成不利，反过来使但是，若滞燃期过短，又对混合气形成不利，反过来使柴油机性能恶化。柴油机性能恶化。滞燃期长了会怎样滞燃期长了会怎样 ？ 研究表明，影响着火延迟期长短的主要研究表明，影响着火延迟期长短的主要因素是：因素是： a/a/喷油时缸内的喷油时缸内的温度和压力越高温度和压力越高，则着火，则着火延迟期越短。延迟期越短。（符合燃烧学说）（符合燃烧学说） b/b/柴油的柴油的自燃性较好自燃性较好（十六值较高），着火（十六值较高），着火延迟期较短。延迟期较短。（燃料特性）（燃料特性） c/c

21、/燃烧室的燃烧室的形状和壁温形状和壁温等：等：直喷式涡流弱，滞直喷式涡流弱，滞燃期内形成的混合气较多燃期内形成的混合气较多（混合气形成及着火燃烧条件）（混合气形成及着火燃烧条件）。 d/d/喷油提前角喷油提前角：喷油早，温度压力低，滞燃期长；喷油早，温度压力低，滞燃期长；过迟，可能活塞已开始下行，使空气温度压力降低，过迟，可能活塞已开始下行，使空气温度压力降低，滞燃期增加。滞燃期增加。（应与工况对应的最佳喷油提前角）（应与工况对应的最佳喷油提前角） 特点：压力急剧上升，特点：压力急剧上升，压压 力达到最高力达到最高（有可能（有可能达到达到13MPa以上）以上）着火着火最高压力最高压力在做什么？

22、在做什么？ 在靠近活塞上止点时，在靠近活塞上止点时，在滞燃期内做好燃前准在滞燃期内做好燃前准备的可燃混合气备的可燃混合气多点大多点大面积同时着火燃烧面积同时着火燃烧。 速燃期速燃期:从开始着火（即压力偏从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力离压缩线）到出现最高压力.4.514MPa 一般用一般用压力升高率压力升高率pMPa()曲轴曲轴表示压力急剧上升的程度。表示压力急剧上升的程度。式中：式中：p速燃期始点和终点的气速燃期始点和终点的气 体压力差（体压力差（MPa）; 速燃期始点和终点相对于上速燃期始点和终点相对于上 止点的曲轴转角差（止点的曲轴转角差（CA ）。）。 pp 特点：特点：

23、（1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（）达到最高压力（4.514MPa）。）。 （3）继续喷油。）继续喷油。 从理论循环角度看从理论循环角度看(p2），），pt 。因此，。因此， 压力升高压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。 但压力升高率过大，则但压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大，且柴油机工作粗暴，燃烧噪音大，且NOX ；同时；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命寿命； 压力升

24、高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于升高率一般应不大于0.40.5 MPa()曲轴。与汽油机相曲轴。与汽油机相比，柴油机的比，柴油机的压力升高率较大。压力升高率较大。控制压力升高率的措施：控制压力升高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量合气的量 缩短着火延迟期的时间缩短着火延迟期的时间 减少着火延迟期内喷入减少着火延迟期内喷入 减少燃烧初期可能形成可燃混合气减少燃烧初期可能形成可燃混合气的燃油的燃油P214 预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot pre三角形三角形 靴

25、形靴形 预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot pre靴形靴形boot 近后喷射近后喷射 具有高度灵活性的燃油喷射具有高度灵活性的燃油喷射 在主喷射之前在主喷射之前618（CA）12.5 微小油量。微小油量。3mm远后喷远后喷 post 后喷后喷 after p215为什么要预喷？为什么要预喷？（先导喷射）（先导喷射） pilot b/预喷射的少量燃预喷射的少量燃油先形成混合气，油先形成混合气，在在高温高压下形成高温高压下形成初期燃烧初期燃烧，使使随后的主燃烧期随后的主燃烧期的滞燃期缩短的滞燃期缩短，避免了速燃期急剧的避免了速燃期急剧的压力和温度上升，从压力和温度上升，从而能而能有效

26、降低噪声有效降低噪声与与NOX的排放的排放。 a/预喷出的少量预喷出的少量燃油可提高缸内局燃油可提高缸内局部湍流，使燃油与部湍流，使燃油与空气更好混合；空气更好混合；无预喷射无预喷射 有预喷射有预喷射 滞燃期缩短滞燃期缩短滞燃期过长滞燃期过长压力升高比降低压力升高比降低最高压力降低最高压力降低很高的很高的 （三）（三） 缓燃期缓燃期 缓燃期为图中的缓燃期为图中的CDCD段，即从最大段，即从最大压力点至最高温度点。压力点至最高温度点。 最大压力点最大压力点最高温度点最高温度点要求：缓燃期不宜过长要求：缓燃期不宜过长 ，否则，否则会使放热过程加长（相当于理会使放热过程加长（相当于理想混合加热循环的

27、初始膨胀比想混合加热循环的初始膨胀比0增大增大P2），循环效率下降。），循环效率下降。 所以，所以，应该越快越好应该越快越好(主喷射阶段时间不能太长，主喷射阶段时间不能太长，且应该断油迅速），且应该断油迅速），同时同时需加快混合气形成速率。需加快混合气形成速率。在做什么？在做什么？ 当缓燃期开始时，虽然气缸当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。量混合气正在燃烧。2000（1）喷油过程基本结束，燃烧速率）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。增多）。 （2）压力开始下降（气缸容积不）压

28、力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温断增大），温度达到最高。最高温度可达度可达2000K左右，一般在上止点左右，一般在上止点后后2035曲轴转角处出现。曲轴转角处出现。预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot 靴形靴形boot 近后喷射近后喷射after 具有高度灵活性的燃油喷射具有高度灵活性的燃油喷射 远后喷射远后喷射 post为什么要近后喷？为什么要近后喷？ 近后喷射近后喷射的燃油实际上是对正在进行的燃烧起到一种扰动作用的燃油实际上是对正在进行的燃烧起到一种扰动作用(增强混合，尤其对涡流较弱的直喷式柴油机），促进燃烧后期的增强混合，尤其对涡流较弱的直喷式柴油机），促

29、进燃烧后期的混合气形成及燃烧加速，因而燃烧压力提高，燃烧持续期缩短，使混合气形成及燃烧加速，因而燃烧压力提高，燃烧持续期缩短，使碳烟排放降低，同时还可以改善冷起动特性。（实际上，近后喷的碳烟排放降低，同时还可以改善冷起动特性。（实际上，近后喷的影响持续到补燃期）影响持续到补燃期）后喷后喷 主喷射之后主喷射之后26（CA）近后喷射近后喷射的燃油实际上是对正在进行的燃烧起到一种扰动作用的燃油实际上是对正在进行的燃烧起到一种扰动作用(增强混合），促进燃烧后期的混合气形成及燃烧加速，因而增强混合），促进燃烧后期的混合气形成及燃烧加速，因而燃烧燃烧压力提高，燃烧持续期缩短压力提高，燃烧持续期缩短，使碳烟

30、排放降低，同时还可以改，使碳烟排放降低，同时还可以改善冷起动特性。（实际上，近后喷的影响持续到补燃期）善冷起动特性。（实际上，近后喷的影响持续到补燃期）P216 燃烧持续期缩短燃烧持续期缩短（四）（四） 补燃期补燃期 从最高温度点起到燃从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点补燃期。补燃期的终点很难准确地确定，一般很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放当放热量达到循环总放热量的热量的9599时，时，可认为补燃期结束。可认为补燃期结束。最高温度点最高温度点燃油基本烧完燃油基本烧完在做什么？在做什么？ 由于燃烧时间短促，混合由于燃烧时间短促，混合气又不均匀，

31、总有少量燃气又不均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续油拖延到膨胀过程中继续燃烧，燃烧， 补燃期内燃油的燃烧可称为补燃期内燃油的燃烧可称为后燃后燃，由于燃烧时间短，由于燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为严重。严重。 在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸内容在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸内容积增大很多，缸内

32、压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，还使排气温度升高，导致散所放出的热量很难有效利用，还使排气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。因此，了有关零件的热负荷。因此，应尽量缩短补燃期，减应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。少补燃期内燃烧的燃油量。 措施：措施：加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气形成和燃烧速度，而且会使碳烟成分加速氧化。形成和燃烧速度，而且会使碳烟成分加速

33、氧化。基于这一原理，共轨柴油机采用的基于这一原理，共轨柴油机采用的近后喷射近后喷射的影响持续到补燃期。的影响持续到补燃期。预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot 靴形靴形boot 近后喷射近后喷射after具有高度灵活性的燃油喷射具有高度灵活性的燃油喷射 远后喷射远后喷射post为什么还需要远后喷？为什么还需要远后喷？ 远后喷射：远后喷射：在主喷射之后的做功行程或排气行程进行，其范围在主喷射之后的做功行程或排气行程进行，其范围在在上止点后上止点后200内内，喷入的燃油在气缸内不会燃烧，而是在废气，喷入的燃油在气缸内不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入中剩余热量的作用下蒸发

34、，带入DOC （ Diesel oxidation catalyst ）催化器充当还原剂催化器充当还原剂，使，使DOC 有效工作，降低有效工作，降低NOX/CO/HC/和碳烟。和碳烟。后喷后喷 根据实测示功图进行数值计算得到的放热规律根据实测示功图进行数值计算得到的放热规律 二、燃烧放热规律二、燃烧放热规律 1、燃烧放热规律的定义、燃烧放热规律的定义为什么研究放热为什么研究放热规律规律 ？ 当发动机结构参当发动机结构参数确定后，数确定后，气缸压气缸压力变化特性主要力变化特性主要由燃烧规律所决由燃烧规律所决定！定！。（数模推导过（数模推导过程略，可参考程略，可参考p88数模）数模）注意：放热是否

35、从喷油器针阀升起时候开始注意：放热是否从喷油器针阀升起时候开始的？为什么的？为什么? 燃烧放热规律强燃烧放热规律强烈影响烈影响平均有效平均有效压力、油消耗率、压力、油消耗率、最高燃烧压力、最高燃烧压力、燃烧噪声排放燃烧噪声排放等等性能指标性能指标!瞬时放热瞬时放热率率dq/d累计放热率累计放热率 2、理想的燃烧放热规律及其控制、理想的燃烧放热规律及其控制(这是我们的目的）这是我们的目的） 从理论分析和试验研究得出从理论分析和试验研究得出结论结论：开始放热时刻、放热开始放热时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素。 它们对性能的影响主要表现在

36、：它们对性能的影响主要表现在：循环热效率、压力升高比循环热效率、压力升高比和最高燃烧压力等和最高燃烧压力等方面。方面。 为了减少燃烧噪声及降低机械负荷，希望降低压力升为了减少燃烧噪声及降低机械负荷，希望降低压力升高率及最高燃烧压力；而欲使柴油机有较高的热效率，希高率及最高燃烧压力；而欲使柴油机有较高的热效率，希望燃料尽量在上止点附近燃烧。降低望燃料尽量在上止点附近燃烧。降低 ，就意味着，就意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧，其结果使燃烧时间拉长，较多的燃料不在上止点附近燃烧，其结果使燃烧时间拉长，柴油机热效率下降，燃油消耗率增加。柴油机热效率下降，燃油消耗率增加。因而，降低燃烧噪声因而，降低燃

37、烧噪声（使柴油机工作平稳）与提高经济性（使柴油机经济运行）之间往（使柴油机工作平稳）与提高经济性（使柴油机经济运行）之间往往发生矛盾。往发生矛盾。 如何解决这一矛盾，保证柴油机既平稳运如何解决这一矛盾，保证柴油机既平稳运转又经济，是组织柴油机燃烧过程所要解决转又经济，是组织柴油机燃烧过程所要解决的主要问题！的主要问题！（1）放热始点）放热始点a/调整喷油提前调整喷油提前角到最佳位置角到最佳位置转速高转速高 提前提前负荷大负荷大 提前提前手段：手段： (a)自动喷油提前器自动喷油提前器 (b)电控电控MAP图图b/尽量缩短着火尽量缩短着火落后期（与燃烧落后期（与燃烧过程理论同）过程理论同） 为了

38、实现对喷射过程控制的优化，存储在为了实现对喷射过程控制的优化，存储在ECU中的曲线和图标中的曲线和图标包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的综合各方面的目包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的综合各方面的目标值，如喷油量与喷油正时随转速与负荷变化的三维曲面图，这种标值，如喷油量与喷油正时随转速与负荷变化的三维曲面图，这种图形一般称为脉图（图形一般称为脉图（MAP)。（3）放热规律的）放热规律的曲线形状曲线形状（2）放热持续期）放热持续期 取决于喷油持续角、取决于喷油持续角、混合气形成的快慢及完混合气形成的快慢及完善程度善程度!a/喷油时间喷油时间b/混合气形成的快慢和混合气形成的快

39、慢和完善程度完善程度 放热曲线的形状决定了前后放热量的比例，对噪声、放热曲线的形状决定了前后放热量的比例，对噪声、振动和排放都有很大的影响。振动和排放都有很大的影响。放热率图形放热率图形 压力压力 放热持续期的长短，放热持续期的长短，一定程度上是理论循环一定程度上是理论循环等压放热初始膨胀比等压放热初始膨胀比 的反映，显然这是决定的反映，显然这是决定循环热效率的一个极为循环热效率的一个极为关键的因素。对有害气关键的因素。对有害气体排放也有重大影响体排放也有重大影响0第三节第三节 柴油机混合气的形成与燃烧柴油机混合气的形成与燃烧 一、柴油机混合气的形成的特点和方式一、柴油机混合气的形成的特点和方

40、式1、混合气形成特点、混合气形成特点 柴油机所用的燃料（柴油）粘度较大，不宜挥发，必须借助喷油设柴油机所用的燃料（柴油）粘度较大，不宜挥发，必须借助喷油设备（喷油泵和喷油器等）将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压备（喷油泵和喷油器等）将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压以细小的油滴形式（油滴直径在之间）喷入气缸，与高温高压的热空气以细小的油滴形式（油滴直径在之间）喷入气缸，与高温高压的热空气混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃烧。故柴油机是采用内部混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃烧。故柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。混合的方式形成可燃混合气。 柴油机可燃混合气的形

41、成时间极为短促，这就给柴油机中柴油与空气柴油机可燃混合气的形成时间极为短促，这就给柴油机中柴油与空气的良好混合和完全燃烧带来很大困难。而且喷油与燃烧重叠，出现的良好混合和完全燃烧带来很大困难。而且喷油与燃烧重叠，出现边燃边燃烧，边喷油，边混合烧，边喷油，边混合的情况。因此混合气形成过程很复杂。的情况。因此混合气形成过程很复杂。 柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。过量空气系数通常在标准工况要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。过量空气系数通常在标准工况下都大于下都大于1，一般在，一

42、般在1.152.20范围内。范围内。 2、柴油机可燃混合气的形成方式、柴油机可燃混合气的形成方式 柴油机混合气形成方式从原理上来分，有柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾空间雾化混合和油膜蒸发化混合和油膜蒸发混合两种。混合两种。 1空间雾化混合空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。为了使混合均匀，要求喷出的热蒸发并扩散，与空气形成混合气。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合。燃油与燃烧室形状配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合。

43、 2油膜蒸发混合油膜蒸发混合 将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成燃油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气均匀的可燃混合气。这一混合方式中起主要作用的因素是。这一混合方式中起主要作用的因素是燃烧室燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。二、缸内气流运动二、缸内气流运动 涡流涡流挤流挤流滚流滚流湍流湍流 缸内气流运动形式有哪些？缸内气流运动形式有哪些？ 注意：注意：不管是柴油机还是汽油机都需要不管是柴油

44、机还是汽油机都需要适当的气流运动！适当的气流运动！被分别或组合应用于不同的燃烧系统被分别或组合应用于不同的燃烧系统评价涡流强度：涡流比 （1）涡流 指涡流转速与发动机转速之比指涡流转速与发动机转速之比 =12=24（2）挤流）挤流 在压缩过程中，活塞接近上止点时，气缸内在压缩过程中，活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞顶部的燃烧室凹坑内产生的挤的空气被挤入活塞顶部的燃烧室凹坑内产生的挤压涡流。压涡流。垂直隔板垂直隔板 （三）滚流（三）滚流三菱三菱GDI (4)湍流湍流 在气缸中形成的无规则的小尺寸气流运动在气缸中形成的无规则的小尺寸气流运动称为湍流，也称为微涡流。称为湍流，也称为微涡流。微

45、涡流微涡流 总结：气流运动对加速混合气形总结：气流运动对加速混合气形成和燃烧有着重要的意义，但是气成和燃烧有着重要的意义，但是气流运动总是会带来一定的流动损失流运动总是会带来一定的流动损失和泵气损失等。和泵气损失等。 所以，对于柴油机，向直喷式发展并强所以，对于柴油机，向直喷式发展并强调高压喷射，减低了对气流的要求。对于汽调高压喷射，减低了对气流的要求。对于汽油机，缸内的气流运动是改善燃烧的重要措油机，缸内的气流运动是改善燃烧的重要措施，稀薄燃烧技术的重要手段之一就是组织施，稀薄燃烧技术的重要手段之一就是组织好缸内的气流。（如本田的好缸内的气流。（如本田的iVTEC就是两就是两个进气门升程的不

46、同产生涡流、三菱个进气门升程的不同产生涡流、三菱GDI的的进气道滚流等等）进气道滚流等等）直喷式直喷式（统一式燃烧室）（统一式燃烧室）非直喷式非直喷式（分隔式燃烧室）（分隔式燃烧室）型型 球型球型涡流室燃烧室涡流室燃烧室预燃式燃烧室预燃式燃烧室统一式燃烧室由凹顶统一式燃烧室由凹顶活塞顶部与气缸盖底活塞顶部与气缸盖底部所包围的单一内腔，部所包围的单一内腔，几乎全部容积都在活几乎全部容积都在活塞顶面上。塞顶面上。四角型四角型柴油机燃烧室如何分类？柴油机燃烧室如何分类？ 三、柴油机燃烧室三、柴油机燃烧室 浅盆型浅盆型 （一）（一）直喷式直喷式(统一式燃烧室统一式燃烧室)混合气混合气形成特形成特点和对

47、点和对喷油系喷油系统要求统要求请参阅请参阅教材教材 p94 型燃烧室：型燃烧室：1 1）主要是依靠多孔喷雾（多为）主要是依靠多孔喷雾（多为4 4孔），孔），利用油束和燃烧室的吻合利用油束和燃烧室的吻合，在空间形成混合气。在空间形成混合气。( (空间雾化混合空间雾化混合) )2 2）喷孔直径小（孔式），喷孔易堵。）喷孔直径小（孔式），喷孔易堵。喷油压力较高，一般在喷油压力较高，一般在20Mpa20Mpa左右。左右。3 3）结构紧凑，散热面积小，热损失结构紧凑，散热面积小，热损失小，故热效率高，经济性好，容易小，故热效率高，经济性好，容易起动。起动。4 4）滞燃期形成混合气较多，工作粗滞燃期形成混

48、合气较多，工作粗暴，燃烧噪音大。暴，燃烧噪音大。5) 5) 制造困难。制造困难。 1 1、涡流室式燃烧室、涡流室式燃烧室1)1)整个燃烧室也是分为两部分整个燃烧室也是分为两部分 球型涡流室在球型涡流室在气缸盖内；活塞上方为主燃烧室。涡流室容积气缸盖内；活塞上方为主燃烧室。涡流室容积占总燃烧室容积的占总燃烧室容积的50508080，用一个和数个，用一个和数个切向大面积通道相通。属于切向大面积通道相通。属于空间混合方式空间混合方式 。2)2)在压缩行程中，气缸内的空气被活塞推挤，在压缩行程中，气缸内的空气被活塞推挤，经过通道进入涡流室，形成强烈地有组织的高经过通道进入涡流室，形成强烈地有组织的高速

49、旋转运动（几百转速旋转运动（几百转/ /分）柴油喷入涡流室中，分）柴油喷入涡流室中，在空气涡流的作用下，形成较浓的混合气。部在空气涡流的作用下，形成较浓的混合气。部分混合气在涡流室中着火燃烧，已然与未然的分混合气在涡流室中着火燃烧，已然与未然的混合气高速（经通道）喷入主燃烧室，借活塞混合气高速（经通道）喷入主燃烧室，借活塞顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流。促使进顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流。促使进一步混合和燃烧。一步混合和燃烧。3)3)顺气流方向喷射，由于涡流运动促进了混合顺气流方向喷射，由于涡流运动促进了混合气的形成与燃烧，可采用较大孔径的喷油器，气的形成与燃烧，可采用较大孔径的喷油器，

50、喷射压力也较低（喷射压力也较低（121214 MPa14 MPa） 4)4)过量空气系数可较小（对空气需求少，即过量空气系数可较小（对空气需求少，即aa小）小）5)5)涡流转速与曲轴转速近似成正比，对转速变涡流转速与曲轴转速近似成正比，对转速变化适应性好化适应性好6 6）热损失较大，经济性较差（气流通过通道）热损失较大，经济性较差（气流通过通道的阻力大，耗油率高），起动性能差的阻力大，耗油率高），起动性能差 占总燃烧室容积占总燃烧室容积的的50802 2、预燃室式燃烧室、预燃室式燃烧室1 1）整个燃烧室分两部分，预燃室位于）整个燃烧室分两部分，预燃室位于气缸盖内为总燃烧室容积的气缸盖内为总燃烧

51、室容积的25254040，活塞上方为主燃室。，活塞上方为主燃室。2 2）喷油嘴安装在预燃室中心线附近，）喷油嘴安装在预燃室中心线附近，为便于冷起动，多装有电热塞。为便于冷起动，多装有电热塞。3 3）大部分燃料是在主燃烧室中混合燃）大部分燃料是在主燃烧室中混合燃烧，是属于空间混合方式。烧，是属于空间混合方式。4) 4) 利用压缩紊流先预燃。利用压缩紊流先预燃。5) 5) 利用强烈的燃烧涡流，促使完全燃利用强烈的燃烧涡流，促使完全燃烧。烧。 6 6）对喷油的雾化质量要求不高，可采）对喷油的雾化质量要求不高，可采用不易堵塞的大直径单孔喷嘴，喷油用不易堵塞的大直径单孔喷嘴，喷油压力较低（压力较低（8M

52、Pa8MPa12MPa12MPa），有适应大），有适应大转速范围和不同着火性能燃料的能力。转速范围和不同着火性能燃料的能力。7 7）运转平顺，燃烧噪声小，但经济性）运转平顺，燃烧噪声小，但经济性较差。热损较大，起动性能差，必须较差。热损较大，起动性能差，必须加装电热塞。加装电热塞。预热室式燃烧室预热室式燃烧室涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室特点：油压要求不高；故障少；特点：油压要求不高；故障少；工作较平稳；散热面积大；油耗工作较平稳；散热面积大；油耗高；起动性差。高；起动性差。第四节第四节 燃烧过程的优化燃烧过程的优化 一、燃烧过程优化的基本原则一、燃烧过程优化的基本原则 追求目标：希望燃烧更完善

53、、更柔和、追求目标：希望燃烧更完善、更柔和、损失更小、排气更清洁。损失更小、排气更清洁。a/油气室的最佳配合油气室的最佳配合b/控制着火落后期的混合气生成量控制着火落后期的混合气生成量c/合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动d/紧凑的燃烧室形状紧凑的燃烧室形状e/加强燃烧期间和燃烧后期的扰流加强燃烧期间和燃烧后期的扰流f/优化运转参数优化运转参数二、燃油喷射过程的优化二、燃油喷射过程的优化 燃油喷射过程实质就是喷油规律的优化！燃油喷射过程实质就是喷油规律的优化！初期：放热快慢的对比初期：放热快慢的对比 中期中期主喷射期主喷射期: 噪声噪声后期对比后期对比 满足柴油机

54、理想的燃烧方案要求什么样的满足柴油机理想的燃烧方案要求什么样的喷油规律？喷油规律？至此，究竟是至此，究竟是供油规律还是喷油规律供油规律还是喷油规律？都有关系！（传统机械式与共轨系统）但是两者是有差都有关系！（传统机械式与共轨系统）但是两者是有差别的！但直接影响混合气形成和燃烧过程的是别的！但直接影响混合气形成和燃烧过程的是喷油规喷油规律律！ 优化的供油规律和喷油规律优化的供油规律和喷油规律（供油系统）应该：（供油系统）应该：先缓后急，断油迅速先缓后急，断油迅速P214 预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot pre三角形三角形 靴形靴形 先缓后急，断油迅速先缓后急，断油迅速参阅教材参

55、阅教材p103，合理的喷油规律，合理的喷油规律 ，传统的脉动供油系统难以实现，传统的脉动供油系统难以实现 预喷射（先导喷射）预喷射（先导喷射） pilot pre靴形靴形boot 近后喷射近后喷射 具有高度灵活性的燃油喷射具有高度灵活性的燃油喷射 远后喷远后喷 post 后喷后喷 after 性能性能 机械式柴油喷射系统机械式柴油喷射系统 电控共轨柴油喷射系统电控共轨柴油喷射系统喷油量喷油量 喷油泵、调速器、提前器喷油泵、调速器、提前器 喷油器、二通或三通（喷油器、二通或三通（TWV）、）、 ECU 喷油时间喷油时间 喷油泵、调速器、提前器喷油泵、调速器、提前器 喷油器、二通或三通（喷油器、二通或三通（TWV）、）、 ECU燃油升压燃油升压 喷油泵喷油泵 供油泵供油泵 燃油分配燃油分配 喷油泵喷油泵 共轨管共轨管 喷油压力喷油压力 转速、喷油量的变化转速、喷油量的变化 供油泵、共轨压力调节器供油泵、共轨压力调节器 可产生影响可产生影响 二通或三通（二通或三通（TWV）喷油次数喷油次数 1次次 多次多次(1一一5次，由次，由ECU控制控制) 喷油量喷油量 不能自由调不能自由调 自由调自由调(根据负荷、转速以及其他传感器决定根据负荷、转速以及其他传感器决定) 喷油压力喷油压力