《发动机原理 第4版》课件 第六章柴油机混合气的形成和燃烧II

第六章柴油机混合气形成和燃烧-26-1柴油机热功转换的特点（理解）6-2柴油机的燃烧过程（掌握）6-3燃油喷射和雾化（理解）6-4混合气的形成和燃烧室（掌握）6-5燃烧过程的影响因素（掌握）6-6柴油机的排放控制技术（理解）6-4混合气的形成与燃烧室影响柴油机混合气形成的关键因素：燃料的喷雾特性；

燃烧室内气流特性柴油机燃烧放热规律及NOx和PM生成

预混合燃烧过程和扩散燃烧过程。预混合燃烧过程

缸内气流特性和喷雾质量；扩散燃烧过程

后喷射的喷雾与气流的两相扩散特性;※燃烧室结构：直接关系混合气形成和燃烧过程

喷雾质量：高压喷射一、柴油机混合气形成方式1）空间雾化：多孔式喷油器，空间强制雾化+与空气的相对运动影响油气相对速度的因素：p喷，T，

，气流特性即喷雾特性与燃烧室内气流特性的匹配。传统直喷式燃烧室：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；混合气形成速率随n适应性差淘汰123351234i）回转体燃烧室ii)四角形燃烧室iii）四角圆弧形燃烧室vi）花瓣形燃烧室NOx

已淘汰浅盆型深坑型燃烧室口形状传统直喷式燃烧室结构特点：混合气形成方式

空间雾化2）油膜蒸发：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。蒸发速度燃烧室壁面温度、和燃烧室内气流速度的控制涡流室式:

对预燃室:

压缩过程

涡流室内形成强烈压缩涡流

壁面油膜蒸发混合喷入主燃室二次涡流n适应性

压缩过程

预燃室内形成强烈紊流部分空间混合喷入主燃室燃烧涡流n适应性

3）传统的直喷式和分隔式燃烧室特点：直喷式：燃烧等容度高；散热面积小；冷起动性好；

对喷射系统要求高；对高速敏感；粗暴，NOx排放高。

分隔式：空气利用率好；

n适应性好喷雾要求低、成本低；

散热面积大；通道节流损失大；热效率低；冷起动性差。

=20~24经济性好

=14~18排放、高速性差二、高速直喷缩口型燃烧室及其混合气形成特点H

D1

D2

D1D2A型(D<120mm)B型(D>120mm)

缸内气流特性：取决于燃烧室结构形状缩口燃烧室结构特点：挤气面积

缩口比

底部中央凸起

混合气形成特点：喷雾与挤流的匹配产生的挤流特性及强度与结构有关利用l传统直喷+涡流室燃烧室的优点三、缩口燃烧室内气流特性及其评价方法(略)目的：有效控制预混合燃烧和扩散燃烧期间的气流特性。评价指标挤流强度保持性定义：评价方法：基于CFD软件，对燃烧室三维空间瞬态流场进行模拟计算；燃烧室断面三维计算模型计算断面SW不同燃烧室结构对燃烧室内气流特性的影响：缩口比D2/D1一定时，燃烧室底部凸起形状对挤流强度保持性的影响I型II型III型D1D2扩散燃烧期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CO、

HC及烟度影响明显。思考题1）影响DI柴油机混合气形成的关键因素有哪两个方面？2）柴油机混合气形成方式有哪两种？分别有何特点？3）现代高速DI柴油机混合气形成有何特点？4）如何评价柴油机燃烧室内的气流特性？5）传统直喷式和分隔室燃烧室结构有何特点，混合气形成方式有何区别，主要优缺点分别是什么？6）现代柴油机燃烧室的结构特点及设计要求是什么？6.5燃烧过程的影响因素：对已确定的燃烧室结构影响混合气形成及燃烧过程的因素，从以下三个方面考虑：1）影响喷雾特性的因素

喷雾特性，包括喷雾形状及雾化质量，表征液体燃料蒸发气化能力和贯穿燃烧室空间情况，从而影响燃烧过程。2）影响喷雾与燃烧室形状匹配的因素

喷雾特性再好，如果不与燃烧室结构匹配，不能有效利用燃烧室空间内的空气，从而直接影响燃烧过程，3）使用因素

发动机使用条件的不同，直接影响混合气形成的背景条件1）喷孔直径：燃烧室结构及喷射压力一定负荷油耗NOx烟度喷孔数一定喷孔直径决定喷射总面积

影响L和雾化质量。喷孔直径小：贯穿距离L

锥角变小

雾化

油束着壁倾向

烟度。直径过大：小负荷/大负荷区，喷雾质量差

存在最佳喷控直径一、影响喷雾特性的因素2）喷嘴结构①传统结构：HC的工况排放值100%②小压力室③无压力室HC工况排放值/%喷油器压力室对HC排放的影响②喷后压力室内油进入气缸雾化不良HC；③无压力室针阀升程很小因节流效应射程不均一定喷孔面积，喷孔壁厚影响贯穿距离雾化效果

3）喷射压力（轨压）轨压

，喷射速率

，喷射持续时间

，初期放热速率

，NOx

，PMNOx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：g二、影响喷雾特性与燃烧室形状匹配的因素1）喷（孔）射夹角(喷雾的空间位置of燃烧室内)：喷孔夹角不同，喷雾在燃烧室内的纵向位置不同过大：更多燃料飞溅到挤气面过小：空间混合，预混合燃烧

过小过大NOx烟度喷射夹角:=152°=156°=160°对一定的喷射总面积，喷孔数决定：

喷雾与燃烧室空间周向匹配情况

喷雾与燃烧室内部涡流强度的匹配情况——干涉。2）喷孔数和进气涡流：喷孔数过多：燃烧室内横向涡流过强

喷注之间相互干涉；喷孔数过少：燃烧室空间利用不够纵向滚流：预混合阶段适当，促进混合；扩散燃烧阶段有足够强度和保持性，促进扩散涡流强度过强

喷注相互干涉适当减小涡流比,进气阻力

,

v

一定的燃烧室喷孔数（5）和涡流强度匹配效果喷孔直径及喷孔数的确定（略）：

考虑最大喷射面积及与燃烧室空间的匹配问题确定喷孔直径时，一般考虑最大喷射面积；一定喷射压力，影响喷射速率及喷雾质量喷孔数：据燃烧室容积Vc及涡流强度来确定，即

=An/VcVb：最大循环喷油量

n：转速

：喷孔流量系数

j：喷油持续角

j：喷孔处平均喷油速率喷孔数=i时：喷油器的面容比：3）

喷油时刻

pt

决定喷注相对燃烧室空间纵向喷射位置和燃烧的及时性。

pt过大，缸内p、Ti

；压缩负功；

pz、Tz

工作粗暴；NOx；喷射位置燃烧室顶部动力性，经济性

pt过小：燃烧不及时，散热损失，排温；动力性，经济性；喷雾位置靠近燃烧室底部

最佳pt0：动力性经济性不变的前提下，NOx。推迟pt是NOx的主要措施。

pt0随负荷、转速而变化。缩口燃烧室，喷射压力=24MPa，机械喷射系统：相对传统静态供油提前角由11~14°CA6~8°CANOx而传统直喷柴油机

gt0=11°~30°CA。

gt0范围=8~14°CA归纳：1）影响燃烧过程的喷油器结构参数

喷孔数：喷注与燃烧室空间匹配

喷孔直径：贯穿距离，喷雾质量

压力室：滴漏，喷雾质量，HC2）影响燃烧过程的喷油器控制参数

喷射压力：喷雾质量，贯穿距离，喷射持续时间

喷射时刻：喷注与燃烧时空间位置的匹配

喷射方式：多次喷射

喷射规律三、影响燃烧过程的运转因素1）

负荷

质调节：进气量(A)基本保持不变，只调节循环喷油量。

负荷

,=喷油量

，

a

；

单位Vs混合气燃烧放热量

,Tz

，

i，粗暴；但大负荷时，燃烧过程延长

e

2）转速

n

散热/漏气损失pcTc；

i着火落后期；喷油压力高压化可改善雾化

n过低：雾化热效率；

n过高：燃烧过程迟后，充气效率——热效率3）燃油特性十六烷值冷态正常燃烧条件易着火压缩比和十六烷值匹配：从1614&十六烷值5585时着火特性不变有效NOx和HC

十六烷值高：自燃性好

i，dp/d

，工作温柔，

NOx;但过高冒烟。过低：自燃性差，不易着火。

i，工作粗暴，NOx

4）EGR

EGR作用：降低燃烧温度；降低氧浓度NOx

但EGR率过大燃烧滞后、不完全，经济性；排烟各工况存在最佳EGR率。EGR作用在柴油机和汽油机上的区别：汽油机：量调，EGR后，A/F基本不变；反应及燃烧温度NOx柴油机：质调，EGR后，A/F,Tz，

NOx效果明显。m0：无EGR时进气量；m：有EGR时的进气量柴油机EGR降低NOx效果：EGR流量=有无EGR时的进气流量之差效果:EGR抑制NOx的效果※EGR抑制燃烧效果与

氧氮含量效果各50%思考题1）在分析柴油机燃烧过程的影响因素时，从哪三个方面考虑？2）影响燃烧过程的喷油器结构参数都有哪些？这些参数分别影响什么？3）对确定的燃烧系统，在组织柴油机燃烧过程时，喷油器的控制参数有哪些？分别影响什么？4）影响柴油机燃烧过程的使用因素主要有哪些？分别对燃烧过程有何影响？5）对柴油机，EGR降低NOx的机理是什么？与汽油机有何区别？空滤器进气1.可变增压+双级增压4.电控高压多段喷射系统还元剂供给系统6.氧化催化+DPF+NOx还元2.中冷3.EGR中冷EGR阀5.燃烧室内气流特性6-6柴油机的排放控制技术表6-1不同技术措施对排放及性能的影响效果喷射系统后处理喷射压力最高化喷射压力控制先导喷射喷射时期

控制EGR还元剂NOx氧化剂HC静电除尘PM/SM/HC◎◎—×——◎◎NOx×○◎◎◎◎——油耗○○○×○———噪声×○◎○————起动机－○○×————行驶性○◎—×————◎：明显改善，○：改善，×：恶化，—：无效果。一、机内措施

1．喷射系统的控制目的：1)良好喷雾特性；2）喷注与燃烧室良好匹配；

3）控制喷油规律

控制放热规律

节能又低排放措施：1）喷射压力高压化；2）且喷射时期/喷油量/喷油

率可变控制；3）

响应特性。相对UP和UIS：C-R直接控制喷油器

控制响应特性

，柔性控制；∴高速柴油机上普遍采用。喷油器的要求：喷射压力高压化：>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

2．新的燃烧方式①低温燃烧技术MK(ModulatedKinetics)燃烧特点：

低温预混合燃烧；

由此同时

NOx&PM。基本原理：由EGR

氧浓度和Tz

NOx;同时采用MK(可调)高压喷射

缩短喷射持续时间+冷EGR+提前喷

iPCIPM

喷射持续时间-着火延迟期/degCAbyEGR高压喷射冷EGRMK燃烧预混合燃烧②HCCI/PCCI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3.增压技术（第三章）

增压中冷

可变增压

双增压

双级增压4.EGR技术（第三章）

冷EGR；高压EGR，低压EGREGR率精确控制5.燃烧系统多参数协调控制

燃烧室结构参数优化与喷射参数、增压、EGR等协调控制

6.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，多参数协调控制，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。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SOF

CO2和H2O

主要氧化催化剂：Pt钯和Pd铂，Pt/Pd≈2.3/1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

氨水箱氨水供给系统氧化催化剂高压喷射装置2）NOx的催化还元器选择型还原装置SCR(Selectivecatalyticreduction)：氨为还原剂催化装置前供给相对燃料3~5%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：250℃~500℃3）柴油机微粒捕集器或滤清器（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1~2倍DPF的再生方法：成为DPF的重要问题

滤芯催化器滤芯加热器阀ON阀OFF再生采用遮断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DPFNO2电加热再生系统：电加热DPF

供给一定空气来烧掉PM。

强制氧化催化再生系统

发动机控制和氧化催化器相结合

强制DPF升温的方法法：系统：发动机控制：喷射时期、EGR、VGT、排气制动

排温

达到前段催化剂的活性温度。或后喷：以排出HC，在催化转化器中燃烧再生。

再生方法

备注

电加热