第五章压燃式内燃机低排放设计课件

第五章压燃式内燃机低排放设计低排放燃烧室设计低排放燃油喷射系统气流组织和多气门技术排气再循环增压与排放南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计低排放燃烧室设计南昌大学机电学1第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机设计的低排放考虑柴油机的CO和HC排放量较汽油机少得多，但NOx与汽油机在同一数量级，而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此，设计低排放柴油机，重点是控制NOx与微粒，其次是HC。降低微粒和碳烟排放（柴油机排气冒黑烟问题至今还没有完全解决）与改善柴油机燃烧过程是一致的，不过NOx排放往往与之矛盾（仍是现在面临的技术难题）。现今面临的技术挑战南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机设计的低排放考虑柴油机的2低排放的空燃比考虑第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好（尽管柴油机平均a一般都在1.3以上）。混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。同时存在很多a

=1.0-1.2的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围绕改善油气混合这一中心任务，防止局部a

＝1.0-1.2（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成）。低排放设计要点的讨论方面从进气系统、燃油系统和燃烧室等方面讨论南昌大学机电学院低排放的空燃比考虑第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机造成污3§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃油混合后进行燃烧的地方，所以燃烧室几何形状和尺寸对柴油机的性能和排放具有重要影响。柴油机(按燃烧室设计形式分)非直喷式柴油机直喷式柴油机南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式柴油机燃烧室，4非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油首先喷入副燃烧室内进行混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。非直喷式燃烧室(按燃烧室构造分)涡流室式燃烧室预燃室式燃烧室§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油5§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式涡流式室燃烧室:作为副燃烧室的涡流室设置在气缸盖上，主燃烧室由活塞顶与气缸盖之间的空间构成。主、副燃烧室之间有一通道柴油机在压缩过程中，气缸内的空气受活塞挤压，经连接通道导流并进入涡流室，形成强烈的有组织的压缩涡流（一次涡流）。涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段的浓混合气抑制了NOx的生成和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次涡流又加速了燃烧，促使碳烟的快速氧化，因而NOx和微粒排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是BSU<3。非直喷式燃烧系统南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式涡流式室燃烧室:6§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式预燃室式燃烧室：燃烧室由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个（图（a））或数个（图（b））孔道相连。

（a）预燃室倾斜偏置,单孔道（b）预燃室中央正置,多孔道（c）预燃室侧面正置,单孔道预燃室式燃烧室的工作原理与涡流室式燃烧室相似，都是采用浓、稀两段混合燃烧。由于预燃式燃烧室的通孔方向不与预燃室相切，所以在压缩行程期间预燃室内形成的是无组织的紊流运动，这是与涡流室的主要区别。非直喷式燃烧系统南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式预燃室式燃烧室：7直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。常见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（a）、深坑形（b、c）和球形（d）。§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设8直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式浅盆形燃烧室混合气形成特点整个燃烧室是由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一容积，燃油直接喷入气缸，混合气形成是空间混合。1）混合气形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求高。为此采用多孔喷嘴，孔数较多，为6~12个；喷孔直径很小，在0.2~0.4mm之间；针阀开启压力较高，为20~40MPa，最高喷油压力甚至高达100MPa以上。浅盆形燃烧室：在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑。南昌大学机电学院直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式浅92）要求油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间。四冲程柴油机一般是在活塞顶上做成浅的形状或浅盆形与油束配合，并避免油束直接接触气缸壁，因为气缸壁温度较低，燃油喷到气缸壁上不但不能迅速蒸发燃烧，而且燃油可能沿缸壁流入曲轴箱，稀释润滑油并使它变质。3)燃浇室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合如图5-56所示。浅盆形燃烧室混合气形成特点4）燃烧室基本上是一个空间，形状简单，结构紧凑，相对散热面积小。传热损失小；又由于燃烧室中不组织气流运动，无节流损失，因此浅盆形燃烧室的最大优点是经济性好，容易起动。南昌大学机电学院2）要求油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧10§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式5）由于是均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此燃烧室内燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴；而且燃烧直接在活塞顶上进行，使运动零件直接承受较大的机械负荷，燃烧温度高，NOx和排气烟度高。浅盆形燃烧室混合气形成特点（缺点）6)对转速和燃料较敏感，因为喷雾质量随转速而变，转速降低，燃油雾化质量变差，而燃料品质改变也会影响混合气形成和燃烧，如燃油粘度大，则燃料雾化不好，使滞燃期增加dp/dφ增大。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式5）由于是均匀的11浅盆形燃烧室主要应用在大型柴油机7)过量空气系数较大，一般1.6~2.2。这是因为混合气形成主要靠喷雾质量，为了保证燃烧，需要用较大的过量空气系数；此外，大型发动机一般都采用增压，缸径大加之增压使每循环供油量较大，而相对散热面积Fk/Vk又较小，因此燃烧室热负荷较高。为了减轻热负荷，也需要过量空气系数用得较大一些。由上可见，大型柴油机应用浅盆形燃烧室，燃烧本身的问题不大，并且随着缸径的增大和增压比的提高，烟度、dp/dφ、pz/pme和NOx均相对减小，优点能充分发挥出来，而缺点并不突出，因而对这类柴油机主要解决热负荷、机械负荷、燃油系统及高增压问题。一、燃烧方式浅盆形燃烧室混合气形成特点（缺点）南昌大学机电学院浅盆形燃烧室主要应用在大型柴油机7)过量空气系数较大，一般12直喷式燃烧系统浅盆形燃烧室虽然有经济性好、易于起动的优点，但在小型高速柴油机上应用就会碰到许多问题。1）转速高(有的高达4000r／min)，混合气形成和燃烧的时间极短，每循环供油量又很小，单靠雾化混合，则必须将喷孔直径做得很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。2）由于转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。显然浅盆形燃烧室达不到这一要求，于是出现了有涡流的深坑形燃烧室。深坑形燃烧室：如图所示，将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，这样燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积及活塞顶上的余隙容积，采用4~6孔的多孔喷油器，喷孔的直径较大(0.35mm左右)。南昌大学机电学院直喷式燃烧系统浅盆形燃烧室虽然有经济性好、易于起动的优点，但13

混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室对燃油系统的要求较低。由于利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数为1.3－1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式深坑形燃烧室：南昌大学机电学院混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，一方面组织进气涡流及形成14

ω形燃烧室ω形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈ω形，目的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。燃烧室内的空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。

挤流口形燃烧室挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑。其燃烧过程较柔和，挤流口抑制了较浓的混合气过早地流出燃烧室凹坑，使初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此NOX排放较ω形燃烧室低。深坑燃烧室ω形燃烧室挤流口形燃烧室直喷式燃烧系统涡流挤流南昌大学机电学院ω形燃烧室15直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式球形燃烧室：球形油膜燃烧室是在活塞上，形状为球形，如图5-68所示。球形燃烧室是属于深坑形燃烧室的一种，但其混合气主要是油膜蒸发混合形成。南昌大学机电学院直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式球16将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁温控制在200~350℃，使喷到壁面上的燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解反应。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气，从油束中分散出来的一小部分燃料是极细的油雾，在炽热的空气中首先完成着火准备，形成火核，然后靠此火核点燃从壁面已蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。混合气的形成球形燃烧室：南昌大学机电学院将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将17球形燃烧室采用油膜蒸发混合最显著的效果是：发动机工作柔和，燃烧噪声小，NOx和碳烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。此外，球形油膜燃烧室便于使用轻质燃料，从柴油机到汽油机都能平稳运转。优点1)冷起动比较困难，这是因为空间雾化燃料少，起动时燃烧室壁温低，壁面蒸发混合少，对起动不利。2)对负荷突变反应慢，主要是空气涡流跟不上。3)低负荷时冒蓝烟，HC大量增加。4)高、低速性能差别大。5)对增压适应性差，因每循环供油量增大将使油膜变厚，影响混合气形成的速率。6)在大缸径上应用困难。因为当缸径增大时，每循环供油量增多，而燃烧室的相对表面积减小，使油膜变厚，影响混合气形成速率。目前球形燃烧室应用的缸径在75~130mm范围内，主要应用在小型高速柴油机上。缺点南昌大学机电学院球形燃烧室采用油膜蒸发混合最显著的效果是：发动机工作18§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式从应用的角度考察：过去：重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采用直接喷射燃烧方式的原因：这种燃烧方式的流动损失和散热损失较小，燃油消耗率相对较低。轿车和轻型车用柴油机大量采用非直接喷射燃烧方式的原因：直喷式柴油机对高转速适应性较差，对燃油喷射系统要求较高，对燃油要求较严。现在：1）现代直喷式柴油机已经完全满足轻、轿车的配套需要：由于多气门技术和高效增压系统的应用，喷油系统的小型化、高压化和高速化，使直喷柴油机的高速适应性大为改善。2）进一步降低燃油消耗的压力（21世纪全世界已树立起每100km耗油3L的轿车油耗目标)：对使用直喷式柴油机提出了迫切的要求。非直喷式柴油机的发展：20世纪90年代最后推出少数几款最新非直喷式轻、轿车柴油机样品，再也没有非直喷式新样机问世。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式从应用的角度考察19燃烧室的比较直接喷射式非直接喷射式浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃室燃烧室形状简单一般一般复杂复杂混合气形成方式空间雾化空间雾化为主油膜蒸发空间雾化为主空间雾化空气运动无涡流或弱进气涡流进气涡流较强进气涡流最强压缩涡流燃烧涡流燃料雾化高较高一般较低低针阀开启压力/MPa20~4018~2518~1910~158~13热损失与流动损失小较小较小大最大§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院燃烧室的比较直接喷射式非直接喷射式浅盆形深坑形球形油膜涡流室20§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式现代车用增压柴油机不同燃烧方式的污染物排放量负荷特性的比较：非直喷机碳烟排放>轻型高速直喷机>重型车用直喷机。原因：副燃烧室内混合气很浓，易在燃烧前期生成碳烟，主燃烧室中温度较低，已生成的碳烟后期氧化较差。直喷机的HC排放量大于非直喷机。直喷机与非直喷机微粒排放量相差不大（微粒包括碳烟和SOF）直喷机NOx排放量大于非直喷机原因：非直喷机的初期燃烧发生在混合气极浓的副燃烧室里，由于缺氧，NOx生成少，而主燃烧室中的燃烧在较低温度下进行(已开始膨胀)，NOx也不易生成。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式现代车用增压柴油21§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院22§5.1低排放燃烧室设计二、非直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点非直喷式柴油机排气污染物主要在副燃烧室内生成，所以改善其排放的重点也在副燃烧室。副燃烧室相对容积，碳烟生成（混合气相对变稀），但NOx（氧增多）。涡流室的相对容积在50％左右得出最佳的碳烟与NOx折衷。预燃室容积，流动损失，预燃室中燃气的能量，影响燃气与主燃烧室中空气的混合，一般预燃室的相对容积在25％~30％之间。涡流室中的气体流动应尽可能加强，所以应避免流动死区，起动电热塞对气流的干扰应尽量小。喷油器安装孔部位的流动死区从占涡流室容积的10％5％，可使冒烟界限的平均有效压力

10％；用顺气流安装电热塞代替垂直气流安装，可使冒烟界限平均有效压力

5％。减小电热塞加热头的直径(从6mm到3.5mm)，可使燃油消耗率5~10g/(kW·h)，全负荷烟度0.5~1BSU。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计二、非直喷式柴油机燃烧室低排23§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，这受许多因素的综合影响，其中空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素。它们相互影响，相互制约，任何一个因素如不与其他因素合适地匹配，都会造成燃烧过程恶化。由于直喷式柴油机具有经济性好的明显特点，柴油机的燃烧室已向直喷化方向发展。在直喷式燃烧系统中，空气运动、燃油喷射及燃烧室结构这三者之间的合理匹配，被认为是该燃烧系统的三大要素。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放24§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计其燃烧室设计要点如下：①燃烧室有效容积比②柴油机压缩比③燃烧室口径比④燃烧室形状所以燃烧室的设计对室中的气体流动、燃油与空气的混合及混合气的燃烧有很大影响。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放25§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计1、燃烧室有效容积比燃烧室容积与压缩室总容积（燃烧室容积+余隙容积）之比称为燃烧室有效容积比。燃烧室容积：是直喷式发动机的混合气形成和燃烧主要进行的场所；余隙容积（包括活塞顶间隙容积、气门凹坑、第一道活塞环上的狭缝容积等）：其中的气体不能有效利用，往往错过有效燃烧期。不同结构柴油机的燃烧室有效容积比的变化范围如图5-2所示，图中表明一般有效容积比＝0.7-0.8。因为气门头部的凹坑导致燃烧室有效容积比下降，导致四气门柴油机的燃烧室不如二气门柴油机紧凑。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放26尽量提高有效容积比，可以提高柴油机的冒烟界限，降低柴油机的碳烟和微粒排放。现已证明，长行程、低转速、高增压度（为了弥补长行程柴油机动力性的不足）的柴油机，综合性能比短行程、高转速的柴油机好。尽可能缩小活塞顶面到气缸盖底面之间的气缸余隙（提高柴油机机体、活塞连杆和曲轴等主要零件相关尺寸的加工精度，减小气缸盖衬垫压紧厚度的公差）§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计1、燃烧室有效容积比南昌大学机电学院尽量提高有效容积比，可以提高柴油机的冒烟界限，降低柴油机的碳27三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计2、柴油机压缩比传统的观点是根据冷起动条件选择压缩比，压缩比过低，冷起动困难；压缩比过高导致机械负荷过高，机械效率下降。低排放柴油机适当提高压缩比可降低HC和CO排放，而最高燃烧压力由于推迟喷油定时而得到控制。所以现代柴油机提高压缩比并结合推迟喷油（减小NOx排放）有利于柴油机性能与排放之间较好的折衷。燃烧室容积：是直喷式发动机的混合气形成和燃烧主要进行的场所。柴油机直喷式燃烧室的容积主要决定于压缩比，其次是燃烧室的有效容积比，即南昌大学机电学院三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计2、柴油机压缩比传统的观点是28§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计3、燃烧室口径比小口径比的深燃烧室优点：可在室中产生较强的涡流（图示），因而可采用孔数较少、孔径较大的喷嘴而获得满意的性能和排放。缺点：1）涡流造成能量损失，降低柴油机充量系数2）中高速时涡流足够，低转速时往往显得涡流不足；3）燃烧室口径小增加喷雾碰壁量，造成HC排放增加。现在的趋势：除了缸径很小的柴油机用较小口径比的燃烧室外，尽量用口径比较大的浅平燃烧室(dc/D＝0.5-0.8）配合小孔径的多孔喷嘴（缩短喷雾的贯穿距离，减小雾粒平均直径，改善油雾宏观分布的均匀性），实施高压喷射。由于不需要强烈的空气涡流辅助混合，燃烧过程对转速敏感性较低。定义：如图中所示，燃烧室口径比是指燃烧室直径dc与深度hc或缸径D的比值，即dc/hc、dc/D，它是柴油机直接喷射式燃烧室的重要结构参数。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放29§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计4、燃烧室形状现在应用最广的仍是直边不缩口形燃烧室（墨西哥人帽形燃烧室，如下图示）原因：它的形状与多孔喷嘴的喷雾形状配合良好，能适度增强进气涡流，产生适度的挤压涡流和燃烧湍流，合理利用空气，得出良好的综合性能。哑铃形的缩口燃烧室（如下图示）：燃烧室的缩口(dc1<dc)可加强口部的气体湍流，促进扩散混合和燃烧。图5-4所示的哑铃形燃烧室，其底部中央的凸起，比图5-3所示的形燃烧室大很多。原因：可以提高空气利用率，因为燃烧室底部中央气流运动较弱，燃料喷注油雾不易到达，空气利用相对较差。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放30用带圆角的方形或五瓣梅花形(分别配4孔和5孔喷嘴)燃烧室代替圆形燃烧室。出现的起因：在自然吸气柴油机加强燃烧室中的微观湍流，加速油气混合燃烧，减少碳烟生成。逐渐淘汰的原因：1）增压的采用和增压度的提高，燃烧空燃比提高，多角形燃烧室优点逐渐淡化；2）随着喷油嘴喷孔数的增加，多角形燃烧室角数也相应增多，与回转体没有多大差别。缩口燃烧室在燃烧上止点后的膨胀行程中仍能保持较强的涡流(图5-5)，这对加强柴油机燃烧过程后期的扩散燃烧十分有利。这样为减少燃烧过程中NOx的生成而推迟喷油时，不致造成燃烧品质的严重恶化，从而改善NOx与微粒排放之间的折衷关系。图5-6表示有关的一项试验结果。§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计4、燃烧室形状曾经采用的非回转体形状的燃烧室：南昌大学机电学院用带圆角的方形或五瓣梅花形(分别配4孔和5孔喷嘴)燃烧室代缩31在大型柴油机中，一般不组织空气涡流运动，而是依靠高压喷射、多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。在中、小型高速柴油机中，一般都要组织进气涡流，以促进混合气的形成和燃烧过程的进行。对于一定缸径和转速的发动机，到底选用多大强度的进气涡流，要根据燃油系统参数和燃烧室结构参数来确定，过强或过弱的进气涡流都会造成燃烧恶化以及有害废气排放量增加，因此存在一个最佳涡流比。这个最佳涡流比主要是通过试验来确定的。§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计南昌大学机电学院在大型柴油机中，一般不组织空气涡流运动，而是依靠高压喷射、多32图5-64是稳流试验所得的平均涡流强度对性能的影响。图中1%、2%的损失是因涡流不足或涡流过强而使燃油消耗率增高的百分数。南昌大学机电学院图5-64是稳流试验所得的平均涡流强度对性能的影响。图中1%33如果涡流过弱，混合气形成和燃烧不好，性能下降；如果涡流过强，一方面增加热损失，另一方面使相邻油束之间发生干扰，即从涡流上游方向吹来的燃烧产物会妨碍位于下游的油束充分燃烧，也要使性能下降，因此对于每一工况有一最佳涡流强度。最佳涡流强度随发动机转速升高而降低。对于车用发动机，转速变化范围较大，涡流强度的选择也要顾及部分工况的性能。根据经验，对于铸造的进气道，最佳拆衷的平均涡流比在2.5~3.5之间。南昌大学机电学院如果涡流过弱，混合气形成和燃烧不好，性能下降；最佳涡流强度随34

最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时(尤其是大转矩时)应为高涡流比，使油耗和烟度同时降低；在高速时应为低涡流比，使油耗和NOx同时降低。对于普通进气道，进气涡流的强度随发动机转速的增加而增加，涡流比基本保持不变，无法满足这个要求。近年来一些公司利用电子控制技术研制成可变涡流进气系统，确保在主要的发动机运行工况下都能获得最佳涡流比，并使涡流强度变化时气道的流量系数保持较高水平。§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计南昌大学机电学院最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时(尤其是大转矩35

进气涡流强度的增加会造成进气充量系数的减小和进气道复杂化，影响发动机的性能。近年来，压燃式发动机空气运动研究的一个重点是适当降低进气涡流强度而增加湍流强度，它可在不增加总的气流运动能量的前提下有效地促进混合气的形成和燃烧，改善发动机的性能。提高湍流强度主要是依靠特殊的燃烧室形状、涡流运动和燃油喷注的综合调整来获得。§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计南昌大学机电学院进气涡流强度的增加会造成进气充量系数的减小和进气道复杂36进气涡流强度的增加会造成进气充量系数的减小和进气道复杂化，影响发动机的性能。近年来，压燃式发动机空气运动研究的一个重点是适当降低进气涡流强度而增加湍流强度，它可在不增加总的气流运动能量的前提下有效地促进混合气的形成和燃烧，改善发动机的性能。提高湍流强度主要是依靠特殊的燃烧室形状、涡流运动和燃油喷注的综合调整来获得。§5.1低排放燃烧室设计三、直喷式柴油机燃烧室低排放设计南昌大学机电学院进气涡流强度的增加会造成进气充量系数的减小和进气道复杂37§5.2低排放燃油喷射系统减少燃料燃烧过程碳烟的生成，降低微粒排放，必须改善燃料喷雾在燃烧室中分布的宏观均匀性和微观均匀性。宏观均匀性保证燃烧室各个角落的空气都能得到充分利用。微观均匀性保证燃油粒子足够细且大小均匀，使其能及时蒸发并与空气均匀混合。在足够均匀的混合气形成条件下，保证足够的空燃比，就不会出现导致碳烟生成的极浓混合气(a

＜0.6)，也可避开导致NOx大量生成的近化学计量比稀混合气(a=1.0-1.2)。均匀混合气的快速燃烧可以提高对EGR的耐受力，可以推迟燃烧而不恶化性能，为进一步降低NOx排放提供很大的潜力。燃油喷射系统的改进对降低压燃式内燃机的排放所起的关键作用：低排放燃油喷射系统应达到的要求：1)每循环喷油量要适应柴油机不同工况低排放运行的需要。特别如起动工况，要供给足够的循环供油量保证柴油机起动可靠，又不供给过多以限制起动时的HC排放。2)优化全工况的喷油定时，实现柴油机的性能与排放的最佳折衷。3)优化喷油规律(喷油速率随时间或曲轴转角的变化)，包括实现每循环多次喷射的可能性。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。

[喷油规律决定于放热规律(理想的放热规律曲线应为先缓后急)。理想的喷油规率先缓后急。压力升高率较小，柔和；燃烧不拖后]4)燃油喷雾宏观形状与燃烧室形状及燃烧室内气流运动相匹配，保证燃烧室内空气的充分利用。5)燃油喷雾油粒粒度均匀且足够细，以保证燃油及时蒸发，并与空气均匀混合。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统减少燃料燃烧过程碳烟的生成38§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力改善燃油喷雾细度的方法：柴油机燃油喷射系统喷入燃烧室的燃油喷雾细度取决于很多因素：喷油压力(喷孔前后的压力差);喷油器喷嘴部分的结构和几何特性;燃油的粘度和表面张力等物性参数；燃油喷入空间的空气密度等。燃油喷雾特性的表示方法：用不同直径的油滴数目占总油滴数的分数表示。图5-7表示喷雾特性的一些实测结果。图中显示，当被喷射的燃油物性不变时，喷射背压越大，喷雾越细；喷孔直径越小，喷雾也越细。在实际柴油机的条件下，改善喷雾细度的最有效手段是提高喷油压力（燃油物性、喷射背压和喷孔直径等参数很难随意改变。当喷油压力提高时，不仅油滴直径的分布范围向小直径方向移动，而且平均直径也变小了。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力改善燃油喷39§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力喷油泵的几何供油速率、喷油器的喷孔总面积以及喷油系统的结构刚度和泄漏情况等一系列因素实际喷射压力的决定因素：嘴端峰值压力：喷油系统中有较长的高压油管时，系统中的压力波动对喷射压力产生很大影响，导致实际喷油压力峰值产生在喷嘴端。所以工程实践常以嘴端峰值压力作为喷油系统工作能力的指标喷油系统工作能力的指标：表征喷油雾化能力的指标：喷油系统的峰值喷油压力取决于一系列复杂的因素，同时对喷油全过程也不能作出明确的表征。所以用平均有效喷油压力(MeanEffectiveInjectionPressure、缩写MEIP)表征喷油雾化能力：南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力喷油泵的几40平均有效喷油压力实际上表示使一定喷油量在一定时间通过一定喷孔面积所需压力降。图5-9表示目前常用的直列泵和分配泵系统的这种关系。喷油系统越好，产生的平均有效喷油压力越高。§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力图5-8表示现在常用的柴油机喷油系统以及今后要求的喷油压力特性。南昌大学机电学院平均有效喷油压力实际上表示使一定喷油量在一定时间通过一定喷孔41§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油机喷油系统：目前广泛应用的喷油泵-油管-喷油嘴系统（P-L-N系统），由于细长的高压油管和其他死区容积的固有物理特性的制约，能达到的喷油压力有限，最高喷油压力<100MPa。柱塞式喷油泵和喷油嘴做成一体的泵喷嘴，取消了高压油管，最高喷油压力达180MPa优点1：取消了高压油管，有害高压油腔较小，没有压力波动造成不正常的二次喷射现象。优点2：喷油持续期缩短，使怠速和小负荷时喷油量的稳定性改善。缺点1：泵喷嘴安装在气缸盖上，由凸轮轴直接驱动。由于泵喷嘴的尺寸比一般喷油器大，给气门布置带来一定困难。缺点2：泵喷嘴高压喷油时使气缸盖受附加载荷，所以应该确保气缸盖强度和刚度。缺点3：泵喷嘴驱动凸轮到曲轴距离较远，传动系统负荷较大。电控泵喷嘴优点：根据事先标定的脉谱控制电磁阀，可优化循环喷油量和喷油定时。通过电磁阀流道的细节设计，还可对喷油规律进行一定控制。缺点：对电磁阀要求很高，它所承受的压力比汽油喷射的电磁阀高300~500倍，开闭速度高10~20倍。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油42§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油机喷油系统：使用短油管的单体泵是直列柱塞泵与泵喷嘴之间的良好折衷。优点1：每个气缸配一个柱塞式喷油泵，由公共的凸轮轴驱动。喷油泵距气缸盖很近．高压油管长度(包括喷油器中高压油路在内)只有250mm左右。优点2：油泵凸轮轴接近曲轴，传动系统比较简单，强度与刚度易于保证。这种系统的喷油压力可达到130-170MPa。缺点：图5-11所示的单体泵还是机械控制，控制精度较低，调整不便。电控单体泵已投入使用，控制更加灵活。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油43§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油机喷油系统：传统的直列泵、分配泵、单体泵、泵喷嘴共同的缺点是喷油压力随转速和循环喷油量的降低而降低。这对转速范围很大、对低速和部分负荷性能要求很高的车用柴油机来说，是一个很大的遗憾。历经几十年的探索，最近才开发成功的电控共轨喷油系统(Common-RailInjectionSystem，缩写CRIS)，终于在这方面取得了突破性进展。如图表示电控共轨喷油系统工作原理。燃油共轨l5实质上就是一个储存高压燃油的耐压管道，高压燃油由曲轴驱动的独立高压油泵11供给。当油压传感器2感知共轨15中油压已达到预定数值时，电控器1操纵油泵控制阀7使油泵11空转。电控器1根据传感器12-14以及其他传感器的信号来控制喷油器10的电磁阀3，使喷嘴6定时定量喷油。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油44§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油机喷油系统：共轨喷油系统的优点1：是其喷油压力可以自由控制．因而在柴油机低转速运行时可保证必要的喷油压力(见图5-8中的4)。共轨喷油系统的优点2：共轨系统高压喷油泵任务单一，结构简单，驱动方式和安装位置比较自由。燃油共轨结构紧凑，由燃油轨到喷油器的高压油管很短。当装备传统喷油系统的柴油机改造为共轨喷油柴油机时，机体和气缸盖等主要件不需作很大改动。共轨喷油系统的缺点：目前共轨系统令人担心的一个问题是：万一喷油嘴密封不严，高压燃油可能持续流入气缸，造成安全隐患。因此，必须提高喷油嘴工作可靠性，并通过自动诊断系统严密监控。共轨喷油系统是柴油机供油系统方面划时代的技术突破、在满足未来对车用柴油机性能和排放的要求方面有巨大的潜力。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统一、提高喷油压力常用的柴油45§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律对直接喷射式柴油机来说，喷油规律对燃烧过程的进展(最终表现为放热规律)有重大的影响。实现低排放柴油机的理想喷油规律“靴形喷射”实现低排放的优化放热率目的理想的喷油规律应如图5-13所示，即初期缓慢、中期急速、后期快断南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律对直接喷46§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律“靴形喷射”的特征参数：初期喷油速率和时间长短；中期喷油速率的变化率(斜率)和最高喷油速率；后期断油速率等。对特征参数的要求：初期喷油速率不要过高，以抑制在滞燃期内形成的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以达到降低最高燃烧温度和压力升高率、抑制NOx的生成及降低燃烧噪声的目的。在喷油中期应急速喷油，即尽快达到较大的最高喷油速率，以加速扩散燃烧，防止生成大量碳烟微粒和热效率的恶化。在喷油后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使燃油雾化变差，导致燃烧不完全，使HC和微粒(尤其SOF)排放增加。在极端的情况下，初期低速喷射与后期高速喷射分开，构成由预喷射和主喷射组成的二次喷射模式，使喷油规律的控制更为灵活。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律“靴形喷射47§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律喷油规律的决定因素（凸轮驱动的机械式喷油泵）：主要决定于油泵凸轮外形产生的供油规律，两者的差别来源于高压燃油系统中的压力波动过程。切线凸轮工艺简单，应用很广。虽然它的供油规律也是越来越快，但实际喷油规律由于受压力波的干扰，不适应低排放的要求。凹弧凸轮与切线凸轮相比，供油规律突出初期供油速率低、中期供油速率高的特点，更符合低排放喷油规律的要求。试验结果表明(图5-14b），凹弧凸轮能在NOx与PT排放折衷关系给出较好的结果。两种典型油泵凸轮的比较：图5-14a表示两种油泵凸轮产生的供油规律。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律喷油规律的48§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律通过双弹簧喷油器（针阀二级升起喷油器)实现的先缓后急的喷油规律：其典型结构如图5-15所示。在油压上升过程中，首先克服较软的一级弹簧3的压力，使喷油器针阀升起预升程H1＝0.03-0.06mm。这时由于喷嘴流通截面很小，燃油喷射只能以较小的速率进行。当油压继续上升到能克服较硬的二级弹簧6的压力时，针阀又升起一段主升程H2＝0.2mm，开始速率较高的主喷射。双弹簧喷油器与常规喷油泵相配，可得出接近靴形喷射的喷油规律，有利于降低燃烧噪声和NOx诽放，已获得广泛应用。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律通过双弹簧49§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律利用机械喷油系统优化喷油规律要获得与主喷射分开的预喷射是很困难的。只有用电磁阀控制喷油的电控喷油系统，才能实现灵活的喷油规律控制。如电控共轨喷油系统，只要适当设计喷油器中的电磁阀及燃油流路，完全可以实现喷油规律的控制和优化，可以在轿车柴油机的高转速下实现精确的预喷射。利用机械喷油系统优化喷油规律的缺陷及解决办法：有一少量的预先喷射的好处：会使得在着火滞燃期内只能形成有限的可燃混合气量，这部分混合气只有较弱的初期燃烧放热，并使随后的主喷射燃油的着火滞燃期缩短，避免了一般直喷式柴油机燃烧初期急剧的压力，温度升高，因而可明显降低NOx排放。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统二、优化喷油规律利用机械喷50§5.2低排放燃油喷射系统三、低排放喷油器尺寸越来越小，为气缸盖的优化布置提供了更大的余地。过去常用25mm和21mm的S型喷油器；现在常用17mm的P型喷油器，最小的是9mm的铅笔型喷油器。高性能低排放的高速柴油机所用的喷油器尺寸的变化：喷油器倾斜角对微粒排放的影响（每缸两气门的直喷式柴油机）为了保证喷油器各孔喷出的油雾在燃烧室中均匀分布，获得相同的混合气形成条件，希望喷油器的偏心量和倾斜角尽可能小。图5-16表示喷油器倾斜角对微粒排放的影响。可见，喷油器倾斜角从10°变到0°(垂直布置)使PT排放降低5％NOx排放也下降。原因：每束油雾获得了相同的与空气混合条件：燃料浓度场比较均匀，减少PT生成；燃烧温度场比较均匀，减少NOx生成。所以喷油器外形尺寸越小，喷油器的偏心量和倾斜角可以越小，越有利于降低排放。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统三、低排放喷油器尺寸越来越51§5.2低排放燃油喷射系统三、低排放喷油器压力室容积对柴油机的HC排放的影响标准结构(图5-17a)的压力室容积为0.6-1.0mm3，喷油孔总容积＝0.3mm3。小压力室喷嘴(图5-17b)的压力室容积可减小到0.2-0.3mm3(喷油孔容积不变)。无压力室喷嘴(又称为VCO喷嘴)的压力室容积可缩小到极限0.05-0.10mm3，所以这个极小容积中的燃油在针阀关闭后被封闭，不能够流入燃烧室。为了制造工艺上的方便，直喷式柴油机所用的闭式多孔喷油嘴中针阀尖端与针阀体之间一般有一小空间，称为压力室(图5-l7a)。喷嘴压力室容积(包括各油孔的容积)中残存的燃油，在燃烧后期受热膨胀后有可能滴漏入燃烧室中，此时油滴雾化很差，不能完全燃烧，成为未燃的HC排放物，也构成微粒的SOF。为了减小柴油机的HC排放，应尽可能减小这一压力室容积。无压力室喷嘴存在的问题：1）喷油孔中燃油的滴漏问题；2）工艺复杂；3）针阀升程很小时喷孔节流严重，使从喷孔喷出的油射程（流速）不均，影响混合气形成。目前一般认为应用小压力室喷嘴是较好的选择。试验表明，用小压力室喷嘴代替标准压力室喷嘴时，HC排放可下降一半左右。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统三、低排放喷油器压力室容积52§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的控制喷油时刻对柴油机性能的影响喷油定时是间接地通过滞燃期来影响发动机性能的。喷油提前角喷油提前角过大

燃料在柴油机的压缩行程中燃烧的数量多，增加压缩负功，使燃油消耗率上升、功率下降。滞燃期较长，压力升高率和最高燃烧温度、压力迅速升高，使得柴油机工作粗暴、NOX排放量增加喷油提前角过小燃料不能在上止点附近迅速燃烧，导致后燃增加，虽然最高燃烧温度和压力降低，但燃油消耗率和排气温度增高，发动机容易过热结论：柴油机对应每一工况都有一个最佳喷油提前角南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的53喷油定时对柴油机污染物排放的影响喷油定时对柴油机的HC排放的影响比较复杂。与燃烧室形状、喷油器结构参数及运转工况等有关。喷油提前或过迟，都会引起HC排放增加。对NOx，喷油提前，使滞燃期延长，导致NOx的增加。推迟喷油，使燃烧室中最高温度降低，从而减少NOx排放量。但喷油延迟必将使功率下降，燃油经济性变坏，并产生后燃现象，同时排温增高，烟度增加。因此，喷油延迟必须适度。所以总有一个最佳喷油提前角，就是要在该提前角下柴油机功率大、燃油消耗率低、颗粒浓度也最低（考虑NOx排放的最优折衷）。§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的控制南昌大学机电学院喷油定时对柴油机污染物排放的影响喷油定时对柴油机的HC排54§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的控制推迟喷油是降低柴油机NOx排放的最简单易行的办法，同时还必须考虑微粒排放和燃油消耗恶化的程度，采取最优的折衷。控制喷油定时的目的1）直列式喷油泵常在驱动联轴器中设置离心式定时调节器，使喷油定时随转速提高适当提前，而与负荷无关。2）分配式喷油泵，利用泵内一个液压活塞改变压油柱塞与凸轮环的相对角位置，从而改变喷油定时，而液压压力即为输油泵压力，其高低与转速有顺变关系。这样保证分配式喷油泵的喷油定时随转速升高而提前。传统的机械式喷油泵喷油定时的控制传统的机械式喷油泵喷油定时控制的弊端控制传统的机械式喷油泵喷油定时的可能性，受到很大限制，往往结构复杂，效果有限，显得事倍功半。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的55§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的控制滑套式可变预行程泵是早期的一个成功实例，其工作原理如图5-18所示。滑套2通过电控执行器上下移动，改变喷油的预行程，从而改变喷油定时，但这时柱塞供油有效行程不变。柱塞1通过另一电控执行器绕轴线转动，改变柱塞有效行程。图上表示的是循环喷油量相同而顶行程不同的两种工作情况。电子控制的喷油定时1）与控制离心调节器相比，移动定时滑套2费力较小。实际结构中定时滑套移动3-4mm，对应以曲轴转角计的喷油定时改变25度左右。2）当定时滑套上移、喷油推迟时，供油速率相应提高，有利于柴油机NOx与PT排放的降低。电子控制的喷油定时的优越性南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的56§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的控制在电控的直列柱塞泵中，调节循环喷油量的齿条一般由线性电磁铁控制(图5-19)。在断电状况下，回位弹簧2把调节齿条1拉向停机位置，油泵停止供油。随着电控系统输出电流的增大，电磁铁4的电磁力逐渐克服回位弹簧2的弹力，把调节齿条l拉到相应的位置。电流的大小，决定了调节齿条的位置和相应的循环喷油量。电控直列泵可以舍去原先复杂的机械调速器，可以得出各种随心所欲的调速特性，特别在冷起动和突然加速的瞬态运行工况下，可以优化油量控制，改善了柴油机的调速性能和燃油经济性，还能够降低排放。电子控制的循环喷油量电子控制循环喷油量的优越性在电控泵喷嘴和电控共轨喷油系统中，一般采用高速电磁阀对喷油定时和循环喷油量进行控制，使控制更加精确、灵活，功能更加完善。南昌大学机电学院§5.2低排放燃油喷射系统四、喷油定时和循环喷油量的57§5.3气流组织和多气门技术提高喷油压力，降低进气涡流强度，以减小进气损失，配合多孔数、小孔径喷油器来获得良好的混合气。适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。（当由于喷油系统的压力不够高而喷雾不够细时，一般要求较强的涡流运动来支持油气混合）。气流组织的目的现代柴油机技术的发展趋势目前小型高速直喷柴油机所需的进气涡流比为1.5-2.0，而重型车用直喷式柴油机需要的进气涡流比一般在1.0以下。原因：小缸径柴油机燃烧室直径很小，喷孔直径再小，燃油仍不可避免地有相当大的一部分喷到燃烧室壁上，需要较强的气流运动来强化室壁上燃油油膜的蒸发，加速可燃混合气的形成。大缸径柴油机形成油膜可能性较小，不需要强烈的气流运动。南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术提高喷油压力，降低进气涡58§5.3气流组织和多气门技术强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，这样增加了进气阻力，泵气损失增大，充量系数下降。在实践中往住针对中等转速匹配合适的涡流比，容忍在低转速和高转速下的某些损失。原因：对于小缸径高速柴油机：工作转速范围很大，在进气系统产生的涡流比基本恒定情况下，如果在高转速下气流速度正好的话，在低转速下就显得不足，导致燃烧恶化。如果在低转速下气流速度合适，则在高转速下就会过强，同样不利于燃烧，同时又造成进气损失过大。获得较强的涡流运动付出的代价南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术强烈的进气涡流一般由螺旋59§5.3气流组织和多气门技术图5-20试验结果为车用柴油机在低、中、高三种转速下的不同负荷下，进气涡流比SR对柴油机微粒排放的质量浓度和NOx排放体积分数的影响。螺旋进气道产生的进气涡流比为2.3，且不随转速而变。（SR依靠向进气道喷射压缩空气改变）图5-20得到的结果：在不同的转速下NOx排放均随SR的加大而增加。在低转速下，PT排放随SR加大而下降；在高转速下，PT随SR加大而上升；可能的原因：涡流过强使PT中的SOF增加所致。采用的措施：在高转速下适当降低SR(例如从2.3降到1.7-1.8)，可同时使PT和NOx排放下降；在低转速下适当提高SR(例如从2.3升到3.5-4.0)，可使PT排放下降(特别是碳姻DS下降明显)，NOx的上升可以用别的措施加以降低。进气涡流比SR对微粒和NOx排放影响南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术图5-20试验结果为车60§5.3气流组织和多气门技术1）进气涡流比SR依靠向进气道喷射压缩空气加以改变，这种手段很难实用化。2）在螺旋进气道中设置一个挡流片，依靠在不同程度挡住气道中的一部分气流来改变涡流比，但结构复杂，降低了充量系数。3）采用可变涡流进气系统。如图示，在螺旋进气道1下面加工一个副进气道2，此副气道的进口装一个由空气缸5操纵的开关阀3。当柴油机的工况要求高涡流比时，电磁阀4开启，空气缸5操纵开关阀3关闭副进气道2。这样仅有螺旋进气道1进气，产生高涡流比。当柴油机工况要求低涡流比时，电磁阀4关闭，开关阀3在回位弹簧作用下开启副进气道2。于是，空气经主螺旋进气道和副进气道流入气缸。两股气流相互干扰，涡流强度降低。缺点：这种变涡流结构只有两级变化，而且结构复杂。改变二气门柴油机的进气涡流比的方法（进气道形状不变）南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术1）进气涡流比SR依靠向61§5.3气流组织和多气门技术1）扩大进排气门的总流通面积，从而降低进排气流动阻力，提高充量系数。

2）喷油器可以布置在气缸中靠近气缸轴线的地方，平行于气缸轴线，没有倾斜角，为喷嘴油孔的均匀分布、改善燃烧室内的空气利用，提供了很大的潜力。采用这些措施对排放的好处：1）如图2-26和图5-22所示：在同样的NOx排放条件下，四气门柴油机的排气烟度、微粒排放和HC排放都低于二气门柴油机。2）四气门柴油机喷油器的冷却情况与二气门机相比得到改善，燃烧室在活塞头部中心布置消除了温度场的不均匀，降低活塞的热应力和热变形。四气门柴油机的优点南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术1）扩大进排气门的总流通62§5.3气流组织和多气门技术双螺旋气道(H十H)有较大的流量系数，但由于两气流之间的干扰，涡流比比较低。双切向气道(D十D)的流量系数和涡流比均可达到较高水平，但流场的细致测量表明，这时只是气缸周边区域气流速度较快，而中心部分气流速度低，这不利于燃油的完全燃烧，因为喷入高速区域的油雾和喷入低速区域的油雾与空气混合的状况不同。所以螺旋气道与切问气道的组合(H+D或D十H)是较好的选择，应用比较广泛。四气门柴油机不同进气道组合的涡流比四气门柴油机，由于从进气门进入气缸的两股独立的气流彼此会干扰，降低涡流强度，因此很难在大负荷下在气缸中形成足够的涡流。螺旋气道与切向气道的不同组合，具有不同的涡流一阻力性能。图5-23为在稳流气道试验台上的对比结果。南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术双螺旋气道(H十H)有较63由图可见，当一个进气道关闭时，缸内涡流强度几乎翻一番，但此时流量系数也几乎下降一半。考虑到一般在低转速时关闭一个进气道，以加强涡流改善燃烧，此时进气阻力不是大问题。§5.3气流组织和多气门技术通过关闭一个进气道调节气缸内的涡流强度（4气门结构）南昌大学机电学院由图可见，当一个进气道关闭时，缸内涡流强度几乎翻一番，但此时64在最新型的车用四气门柴油机中，开始采用一个进气道中的调节阀开度连续可调的结构。这样就可通过电控系统使进气涡流强度随心所欲地随工况变化。图5-25表示，通过安装在一个进气道中的进气道关闭阀的开度变化，可使燃烧室中的涡流比在2.7-5.8这样很大范围内变化。§5.3气流组织和多气门技术采用进气道调节阀调节进气涡流强度（4气门）图5-26为实际采用的进气道关闭阀的控制脉谱。南昌大学机电学院在最新型的车用四气门柴油机中，开始采用一个进气道中的调节阀开65§5.3气流组织和多气门技术图5-27表示一台典型的重型车用柴油机实现低排放和低油耗的技术措施。由此图可以看出，燃烧室形状由缩口深坑形变为敞口浅平形，喷孔数由5增加到7再到8，最高喷油压力(喷嘴端)由135MPa提高到150MPa再到180MPa，进气涡流相对下降50％，再到无涡流的排放与燃油消耗率的逐步改善情况。可见经过燃烧系统的这些改进，燃油消耗率平均下降10％左右，排放水平由勉强满足欧2标准到接近欧3标准，收效明显。重型车用柴油机的发展趋势：尽可能降低进气涡流强度，直至完全消除有组织的进气涡流（这时进气阻力减小，充量系数提高，不存在涡流对转速的敏感性问题）。与此同时，增加喷油嘴的喷孔数，增大燃烧室口径(以减少油雾的着壁量)，并提高喷油压力。南昌大学机电学院§5.3气流组织和多气门技术图5-27表示一台典型的66§5.4排气再循环一、柴油机的最佳EGR脉谱1）柴油机燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大，但因混合气成分不均匀，局部燃烧温度仍高，所以生成大量NOx，与汽油机不相上下。2）随着柴油机负荷的降低，NOx的排放迅速减小。柴油机的NOx排放对于轻型车或轿车用柴油机来说，EGR常用于中小负荷工况(排放法规规定的测试工况也以中小负荷为主)。原因：这时柴油机平均空燃比很大，可以采用较大的EGR率，所以用EGR降低NOx排放的效果较显著对于重型车用柴油机来说，平均使用负荷较高，而大负荷时空燃比较小，不可能采用较大的EGR率，所以用EGR降低NOx排放的效果较小。用EGR降低柴油机的NOx排放的分析南昌大学机电学院§5.4排气再循环一、柴油机的最佳EGR脉谱1）柴67所以，对于重型车用柴油机来说，虽然全负荷不进行EGR以保持动力性和经济性，但在紧挨着全负荷的工况就应开始EGR，以尽可能在十三工况NOx排放方面取得明显的效果。但在实际运行中，重型车用柴油机在全负荷运行的比例并没有十三工况加权系数表示的那么大，所以EGR降NOx的实际效果还是很大的。§5.4排气再循环一、柴油机的最佳EGR脉谱表5-1表示一台满足欧2排放法规的增压中冷直喷式柴油机对应十三工况的NOx排放工况分担率和加权分担率。用EGR降低柴油机的NOx排放的分析可见，全负荷的两工况6号(最大转矩工况)和8号(最大功率工况)的加权NOx排放分别占70％和10％左右，其次，工况5号和4号分别占6％和4％。南昌大学机电学院所以，对于重型车用柴油机来说，虽然全负荷不进行EGR以保持动68§5.4排气再循环一、柴油机的最佳EGR脉谱图5-28表示车用柴油机的典型EGR率脉谱。对轻型车用柴油机来说，主要在低速低负荷领域进行EGR。对于重型车用柴油机，除全负荷的很小范围外，几乎在整个工况领域均进行EGR。柴油机排气中氧含量远远高于汽油机，而CO2含量较低，所以柴油机允许也需要较大量的EGR来降低NOx的排放，最大EGR率可达0.4-0.5。大负荷下用EGR会降低柴油机本来就较低的平均空燃比，使微粒排放增加。在较高的转速下用EGR也会造成类似的问题。所以最佳的EGR率脉谱，要全面考虑NOx和PT排放并通过标定实验确定。最佳的EGR率脉谱南昌大学机电学院§5.4排气再循环一、柴油机的最佳EGR脉谱图5-269§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现自然吸气柴油机所用的EGR系统1）自然吸气柴油机所用的EGR系统与汽油机类似，由于进排气之间有足够的压力差，EGR的控制比较容易。2）在EGR的回流气中的微粒可能引起气缸活塞组和进气门的磨损，其中的硫酸盐可能引起腐蚀。为了缓解这个问题，首先要尽可能降低PT排放，同时选用优质润滑油和低硫柴油。如下图示，在增压柴油机中，再循环排气—般流到增压器4后的进气管中，而在增压中冷柴油机中，则流到中冷器2后，以免沾污增压器叶轮和中冷器芯子。这时，为防止增压压力大于排气压力时再循环排气的倒流，要在EGR阀5前加一个排气脉冲阀6，以便利用排气脉冲加大EGR量。用排气脉冲阀的EGR系统（增压中冷柴油机）南昌大学机电学院§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现自然吸气70现代增压柴油机中，由于涡轮增压器效率的提高．增压器后的进气压力(即增压压力)在很多工况下会高于增压器前的排气压力，达成EGR的困难，至少不会获得足够高的EGR率。为此可采用下列措施：(1)用节流阀7对进气进行节流(图5-29b)，它可降低柴油机前的进气压力，可使EGR率大为提高；但会增加柴油机的泵气损失，有损燃油经济性。§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压柴油机EGR采用的措施南昌大学机电学院现代增压柴油机中，由于涡轮增压器效率的提高．增压器后的进气压71§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压柴油机EGR采用的措施(2)在进气系统中装一个文丘里管8(图5-29c)，它可以提高EGR的有效压差，从而扩大EGR率的可调范围。由于文丘里管喉口的压降在喉口下游可得到部分的恢复，压力损失可以减小。调节文丘里管的旁通阀9可改变EGR的有效压差。南昌大学机电学院§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压72§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压柴油机EGR采用的措施(3)用专门的EGR泵11(图5-29d)，用泵强制进行EGR，具有最大的灵活性。但由于EGR泵的流量要求很大，机械驱动泵显然过于庞大昂贵。如图所示由涡轮增压器驱动一个外加的小气泵11可能是一个实用方案，但这需要涡轮增压器专业厂的配合。南昌大学机电学院§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压73§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压柴油机EGR采用的措施(4)用可变喷嘴增压器(Variable-NozzleTurbocharger，缩写VNT)它可能为实现增压柴油机的有效EGR开辟一个新途径。用普通涡轮增压器，实现足够的EGR有一定难度。试验结果说明(图5-30)：用普通的涡轮增压器，只能在部分负荷下获得0.1左右的EGR率；用可变喷嘴涡轮增压器时，柴油机大负荷时可以通过减小涡轮喷嘴流通面积来提高排气压力，进而增大大负荷领域的EGR率。南昌大学机电学院§5.4排气再循环二、增压柴油机EGR的实现现代增压74§5.4排气再循环三、冷EGR试验证明，把再循环的排气加以冷却，即采用所谓冷EGR，可使进入缸内的新鲜空气的损失减少，从而避免了大负荷燃油经济性利排气烟度的恶化(图5-31)。冷EGR系统布置如图5-29c和d所示。EGR气冷却器10可以用柴油机的冷却水冷却，但是冷却温度有限，最好是用空气直接冷却。现已成功投产的EGR冷却器，可在不同工况下使EGR气温度下降50-150℃，使NOx下降10％左右。南昌大学机电学院§5.4排气再循环三、冷EGR试验证明，把再循环的75§5.4排气再循环四、柴油机EGR的控制柴油机EGR控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般都采用电子控制。电控器1(图5-29)一般根据柴油机转速、负荷、温度等传感器的输入信号，按标定的EGR脉谱对EGR阀5、节流阀7、旁通阀9等执行机构进行控制。EGR阀5可以是一个真空阀，电控器通过对一个独立真空源产生的真空度加以调制来控制真空阀的开度。EGR阀也可以是—个电磁阀，可由电控器通过PWM信号直接控制。为提高控制的精确度，可以对各阀进行反馈控制。EGR率可以用热线式质量流量计直接监测。南昌大学机电学院§5.4排气再循环四、柴油机EGR的控制柴油机EG76§5.5增压与排放所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压的定义：增压后，每循环进入气缸的新鲜空气或混合气充量密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性及排放性能的目的。增压的目的：机械增压增压器的转子，由发动机曲轴通过齿轮增速箱或其它传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机气缸。增压器可用离心式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压气机等。废气涡轮增压利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。气波增压利用高压废气流的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气压力，具有良好的瞬态响应性。复合增压由上述各种方式组合而成，如机械增压与涡轮增压的结合等。增压的方式（按空气被压缩的方式）：南昌大学机电学院§5.5增压与排放所谓增压，就是利用增压器将空气或可771）小型高速涡轮增压器设计技术和大量生产制造工艺的成熟，涡轮增压器的效率大大提高，工作可靠性显著改善，成本也明显下降。2）增压柴油机的加速性得到明显的改善。3）城市道路条件的改善，城间高等级公路特别是高速公路网的迅速发展，长途运输用高功率、大吨位载货车的需求短剧增长，推动了涡轮增压重型车用柴油机的迅速普及。4）对于涡轮增压在车用柴油机的应用，最大的推动力来自排放控制形势的发展。试验研究证明，对增压柴油机来说，达到欧洲1排放标准比较容易。§5.5增压与排放涡轮增压在车用柴油机历史上发展缓慢的原因（尽管涡轮增压应用有半个世纪）1）小型涡轮增压器制造技术不成熟，以至可靠性不符合汽车的要求，同时成本过高；2）增压柴油机过渡工况性能不好，尤其是加速性较差（加速冒烟）。涡轮增压在现代车用柴油机上获得广泛应用的推动力南昌大学机电学院1）小型高速涡轮增压器设计技术和大量生产制造工艺的成熟，涡轮78§5.5增压与排放增压柴油机的主要特征是进气量大、燃烧平均空燃比大，因此碳烟和微粒排放下降。但NOx排放会增加（因为增压后进气温度提高，同时可燃混合气中氧浓度增加）。增压柴油机的NOx和微粒排放：采用增压后空气的中间冷却器，降低柴油机的进气温度，不仅降低柴油机的热负荷，又进一步提高空气密度，从而可能进一步强化功率密度，同时降低最高燃烧温度，减少NOx的生成。图5-32表示中冷对减少NOx生成和排放的效果。因此现代车用柴油机越来越广泛采用增压中冷技术。增压柴油机采用中冷降低NOx排放：为把增压空气冷却到尽可能低的温度，大多采用空-空中冷器，即把中冷器放在水散热器之前，用温度最低的空气来冷却增压空气。在这种情况下，增压空气温度可从120-150℃降低到50-60℃。从而为柴油机性能和排放的改进开辟了广阔的可能性。南昌大学机电学院§5.5增压与排放增压柴油机的主要特征是进气量大、燃79§5.5增压与排放现代轻型车，特别是轿车用柴油机工作转速范围很宽（1000-4500r/min）。在这种情况下，匹配涡轮增压器比较困难。如果在额定(最高)转速下增压器与柴油机匹配良好，则在低速区域就会显得增压器转速过低，增压压力不足。反之，如果在低转速区域匹配良好，则在高速区域增压器就会超速运转，造成不安全，而且增压压力过高。轿车用柴油机与涡轮增压器的匹配在增压器上安装一个由增压压力控制的排气旁通阀的办法(图5-33)。当柴油机达到最大转矩转速或略高于此转速的某一转速时，压气机叶轮2出口的压力作用于排气旁通阀3的膜片上，克服回位弹簧的弹力，打开排气旁通阀，使柴油机的旁通排气4不经过涡轮叶轮1直接进入总排气出口5这样使柴油机7的进气压力(即增压压力)在柴油机转速进一步提高时大致保持不变，柴油机外特性转矩曲线形状得到改善。用排气旁通阀的办法进行匹配不利的影响：以损失部分排气能量为代价，使柴油机的性能和排放略有恶化。南昌大学机电学院§5.5增压与排放现代轻型车，特别是轿车用柴油机工作80§5.5增压与排放图5-34表示一种VNT增压器的主要构造。喷嘴环叶片角度可通过涡轮壳外的控制链随工况变动。在柴油机低速运转时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得排气流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大。在柴油机高速运转时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器不会超速，增压不过量。采用可变喷嘴增压器(VNT)解决涡轮增压器与宽转速范围柴油机的匹配问题南昌大学机电学院§5.5增压与排放图5-34表示一种VNT增压器的主81图5-35示，普通的增压器主要使柴油机的中高速转距有比较明显的提高；而带排气旁通阀增压器，可以校正普通涡轮增压柴油机的转矩特性；可变喷嘴涡轮增压器可以在整个转速范围内使柴油机发出最大可能的转矩。柴油机用不同类型涡轮增压器时转矩外特性的对比如表5-2所示，可见采用VNT增压器后汽车的动力性有显著改善。装有VNT增压器与带排气旁通阀的涡轮增压器的柴油小轿车性能的对比§5.5增压与排放南昌大学机电学院图5-35示，普通的增压器主要使柴油机的中高速转距有比较明显82图5-36具体表示了VNT增压器对柴油机转矩和油耗率的影响。可见VNT增压器扩大了低燃油耗区，增大了低速转矩。图5-37表示一台轿车柴油机用带排气旁通阀的涡轮增压器和VNT增压器时，加速踏板突然踏到底后增压压力、柴油机转速和汽车加速度变化历程对比。可见VNT增压器的加速性比旁通阀的大为改善。（在相同的条件下，转矩和功率的提高，意味着污染物比排放量的降低。加速性的改善，意味着加速烟度等排放性能的改善）。可变喷嘴增压器柴油机转矩和油耗率的影响可变喷嘴增压器的加速性§5.5增压与排放南昌大学机电学院图5-36具体表示了VNT增压器对柴油机转矩和油耗率的影响83演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！84第五章压燃式内燃机低排放设计低排放燃烧室设计低排放燃油喷射系统气流组织和多气门技术排气再循环增压与排放南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计低排放燃烧室设计南昌大学机电学85第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机设计的低排放考虑柴油机的CO和HC排放量较汽油机少得多，但NOx与汽油机在同一数量级，而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此，设计低排放柴油机，重点是控制NOx与微粒，其次是HC。降低微粒和碳烟排放（柴油机排气冒黑烟问题至今还没有完全解决）与改善柴油机燃烧过程是一致的，不过NOx排放往往与之矛盾（仍是现在面临的技术难题）。现今面临的技术挑战南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机设计的低排放考虑柴油机的86低排放的空燃比考虑第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好（尽管柴油机平均a一般都在1.3以上）。混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。同时存在很多a

=1.0-1.2的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围绕改善油气混合这一中心任务，防止局部a

＝1.0-1.2（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成）。低排放设计要点的讨论方面从进气系统、燃油系统和燃烧室等方面讨论南