《发动机原理》课件-第六章 柴油机混合气形成和燃烧

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（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）6-1柴油机能量转换特点柴油机以，循环热效率。柴油机循环特点？适应的燃料？决定混合形成和燃烧方式柴油机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：为输出功，喷油量喷射期间，散热损失；

反之，极短时间内快速喷射燃烧时粗暴;

∴

发动机性能放热功率喷油规律混合气形成

6-2燃烧过程1、着火延迟期

i：A~B（燃烧前准备）=物理过程+化学过程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，mi

，dp/d，NOx，粗暴一、燃烧阶段的划分由示功图分为四个阶段：影响

i的因素：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i喷油规律的控制，是组织燃烧过程的关键影响因素：i内形成的可燃混合气量i内喷入量2、速燃期：压力脱离压缩线~最高压力点pz：B~C

在i内形成的可燃混合气同时燃烧预混合燃烧，等容度

特点：p、T，pz13MPa以上，影响NOx评价：用平均压力升高率评价粗暴程度

混合气形成的关键：喷雾特性+组织气流

特点：喷射过程结束，边喷边燃烧

扩散燃烧阶段；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大，才有可能完全燃烧空气利用率低

∴PL、比质量<汽油机。影响因素：混合气形成速度：燃料与空气的扩散速度;燃烧室内气流特性及强度燃烧室结构。

3、缓燃期：最高压力点~最高温度点；C~D4、后燃期：Tmax点~基本燃烧完毕点一般，释放总放热量的95%~99%时，后燃期结束。原因：燃烧时间短促，混合气不均匀，边喷边燃烧未及时形成的混合气在膨胀中燃烧后燃；高速大负荷时后燃严重。特点：气缸V,

p散热损失，排温，做功能力热效率

∴

尽可能减小后燃期这种燃烧过程的评价与分析方法借助于放热规律二、燃烧放热规律：定义：燃烧过程中放热速率随曲轴转角变化规律。

组织燃烧过程的关键

影响性能、排放。累计放热率放热规律放热速率工质吸热率传热率放热速率：燃烧过程中任时刻，一单位时间内（每度曲轴转角）燃烧所放出的热量。由能量守恒律和热一定律：累计放热率x：

从燃烧过程开始至任一时刻为止燃烧所放出的累积热量与每循环燃料燃烧总热量之比。影响因素：燃烧室结构，及其内部气流状态；喷射方式——高压喷射，先导喷射等工质的做功能力：燃烧期间工质质量m变化很小，故令工质内能变化：对工质的加热率：工质对活塞做功：

燃烧后气缸压力变化率：※dp/d

(工质做功能力)，与放热规律和膨胀速率有关！代入

控制燃烧过程（放热规律）的要素：燃烧始点喷射时刻；放热规律曲线形状喷射规律；燃烧持续时间扩散速率※燃烧室内部气流特性，和燃料喷射方式的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要手段。三、柴油机的有害排放物

CO和HC的生成机理与汽油机相同，但

a>1，高，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。1)NOx的生成机理:根据燃料及其混合气形成方式分为：

zeldovitchNO(或ThemalNO)和快速NO（PromptNO）

zeldovitchNO产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机快速NO生成及条件：浓混合气下

燃烧反应带内>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CH，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应的结果。量少快速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。而zeldovitchNO是在火焰下游已燃的高温富氧区产生；

危害：快速NO促进热力NO的生成？

与HC一起产生光化学烟雾——植物枯死破坏地球大气层（O3层）7/31/202513PM生成领域传统燃烧域NOx生成领域PCCI燃烧域局部过量空气系数局部当量比温度/KzeldovitchNO&快速NO生成领域：PromptNOF-T图快速NO生成区域：喷射系统和燃烧室直接影响混合气形成PM生成领域传统燃烧域NOx生成领域PCCI燃烧域局部过量空气系数局部当量比温度/KNOx和碳烟生成：均与混合气形成和燃烧过程密切相关。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（SOOT）；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：成核-成长-聚合；

高温下脱氢缺氧成核成核过程:高温环境下

热分解、脱氢而形成碳核；成长+聚合成长+聚合过程：吸附有机物，表面成长，凝集

没有与空气再接触

最终变成微粒。

碳烟生成条件：高温+缺氧；缺氧：A/F=5.25~5.65的（

a=0.36~0.38）浓的狭窄范围；接近火焰时造成高温缺氧；

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)粒子直径/nm粒子数相对频度/%凝聚粒径分布危害：致癌物；大气可见度

燃烧温度/K由HC向碳烟的转换率实验结果计算结果急速加热到1700K以上时，聚乙炔及碳蒸汽成为中间产物而生成碳烟高温：在预混合火焰温度2000~2300K范围内出现峰值；

在扩散火焰区缺氧

未氧化

PM。当T>2300K时：PMC原子不易凝聚；已形成的碳烟氧化。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∴

组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。

具体措施：避免高温缺氧

促进碳烟的氧化过程

组织燃烧室内气流运动，促进湍流混合

燃烧室结构设计；促进喷雾的微粒化

高压喷射。2.PM控制的原理：

由PM和NOx形成领域

控制火焰领域内混合气的浓度和温度。

一般

PM措施，使NOx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；冷EGR：

Tz；增压中冷等四、柴油机燃烧过程（排放）控制策略

抑制预混合燃烧，

NOx；促进扩散燃烧，

PM五、柴油机的燃烧噪声——燃烧模式决定噪声：弹性体在声频（20Hz~20kHz）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（振源）：燃烧噪声、机械噪声、进气噪声、排气噪声等。

燃烧噪声：与气缸压力升高率成正比，且直接与NOx排放有关。柴油机燃烧噪声大因自燃，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

。

柴油机的惰转噪声：怠速工况机械噪声：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、发火频率压燃式发动机起动过程取决于低温下混合气的形成和着火条件压缩温度、雾化条件；冷起动时温度和n最低：雾化不良，传热损失大，漏气

，

冷起动困难。六、冷起动特性∴

低温冷起动(怠速)排放性差：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蓝烟、白烟。类型环境温度/C起动机拖动时间/s一般起动低温起动-102-3521530GB/T-12535-2007汽车起动性能试验方法：

思考题：1）柴油机的混合气形成和燃烧过程有何特点？2）柴油机转速的提高受什么限制？为什么？3）柴油机燃烧过程划分为哪几段？各阶段的主要影响因素是什么？4）放热规律和累计放热率如何定义？分别表征什么？5）燃烧过程中工质的做功能力（dp/d

）取决于什么？6）柴油机燃烧过程控制三要素是什么？7）柴油机的有害排放物都有哪些？柴油机NO生成条件与汽油机有何区别？8）试述柴油机碳烟产生的机理及条件6-3燃油喷射和雾化：促进混合的关键一、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※不能有效地控制喷油规律

CR时间-压力式：喷油器、喷油泵、ECU相互独立;控制自由度

喷油器喷油泵调速器※能有效控制喷油规律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喷射压力：18~26MPa泵-管-喷嘴型高压喷射(>250MPa)：泵喷嘴、单体泵

喷射压力控制受限

时间-压力式：高压共轨喷射压力、方式可控

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

喷油规律自由控制

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优化匹配。以适应高效率低排放燃烧方式的要求

现代车用柴油机喷射系统的要求：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1）几何形状的评价参数：（1）贯穿距离：喷雾的射程L=燃烧室空间穿透距离贯穿距离油束射程短

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（2）贯穿率：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。贯穿率<1:

表示L小，大部分油束空间雾化。（3）喷雾锥角

：表示喷雾的松紧程度

大：油束松，混合良好；反之，油束紧，混合不良。

2）雾化质量：

液滴的细度和均匀度来表示。细度：全部油滴直径的总和与油滴总数之比；∑di/nT

其中，di：每个油滴的直径，nT：油滴的总数。∑di/nT越小，雾化质量越好。

存在的问题：对含有许多细小油滴的喷雾，会造成过小

的∑di/nT值。

例如，样本由1000个d=10

m的油滴+1个d=100

m的油

滴组成，则其平均油滴直径为[(10

1000)+100]/(1000+1)=10.09

m不合理

引入索特直径的概念：设有一种假象的均质油滴群，其总质量和总表面积与实际油滴群（样品）相同时，令这种均质油滴群的直径为该样品的索特平均粒径，用dm32表示：上述例的索特直径为

dm32=(103

1000+1003

1)/(102

1000+1002

1)=18.18

m(>10.09

m)。特点：虽油滴的总数可能发生了变化，但蒸发速度和所

生成的蒸气量不变烟度

0粒径10喷射压力对烟度及喷雾质量的影响：喷射压力>100MPa时，烟度

0；喷射压力>120MPa时，喷雾直径

10m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。常用粒度分布或油滴质量分布表示，即所有油滴按粒径分s个组，di：第i组的中心粒径，所包含的油滴个数为ni，质量为mi；nT：油滴总数，mT：油滴群总质量。1）位置式喷射系统(了解传统机械式喷射系统)

1.位置式喷射系统：直列泵、VE泵柱塞式油泵速度特性：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、喷射系统机械式喷油泵

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

VE型分配泵：一个柱塞与固定在一起的端面凸轮盘同步旋转直列泵(In-linePump)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两极调速器：nid，nmaxVE型全程调速器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。油量控制杆位置由电子调速器控制TICS泵的泵油原理ECU通过传感器信息

判定工况

控制MAP图

反馈控制控制杆位置

喷油量控制精度。

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供油规律影响喷油规律，但不一致缺点：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。泵端压力喷嘴端压力针阀升程喷油过程划分为等三个阶段：喷射延迟期1：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2：喷油开始~喷嘴端压力开始急剧下降

喷油结束阶段3：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

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。

供油规律喷油规律存在的问题：供油规律与喷油规律不同：1）起始时刻不同2）规律不同

供油规律线性，

喷油规律非线性3）持续时间不同出现不正常喷射现象：二次喷射b；喷油压力波动滴油现象；高压密封断续喷射c；针阀周期跳动隔次喷射d；2循环喷1次机械式与电控式喷射系统的区别：调速器：

机械式—机械调速器；电控式—步进电机或控

制MAP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2）时间-压力式电控喷射系统典型类型：高压共轨系统、泵喷嘴和单体泵三种一、

高压共轨系统：ECU-发动机-喷油器-高压泵-共轨发动机高压泵共轨ECU喷油器发动机运转

高压泵工作；ECU检测轨压：当轨压<设定值：控制高压泵PCV阀关闭

供油；当轨压≧设定值时开PCV阀回油状态。泵及轨压控制：喷油器的控制：检测发动机工况；控制喷油器TWV的接通和断开时刻；控制喷射时刻和喷射量。标定控制AP图高压共轨系统特点：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。存在的问题：高压泵驱动损失；需耐高压和高压密封。功能上：

实现高压喷射；共压波动小不存在压力波引起的难控区、失控区以及调速器能力不足等问题；喷射参数柔性控制

独立于n和负荷可实现理想喷油规律多阶段喷射放热规律可控制；喷射量仅取决于共轨压力和脉宽

控制精度高;

主要部件的作用：①高压泵的作用：按一定速率向共轨及时供给必要的

燃油，保证轨压恒定。

0.51.01.52.02001501005096MPa80MPa48MPa38MPa喷射量mm3/st通电脉冲幅Ti/ms不同高压共轨系统：主要区别在于高压泵和喷油器。②

喷油器的作用：

定时(喷射时刻)、定量(脉宽)控制；

喷射方式控制；

喷射雾化1.CR高压共轨系统(BOSCH-I)Y形高压泵共轨轨压传感器喷油器ECU溢流阀系统组成：高压泵；溢流阀(第一代)；共轨；轨压传感器；喷油器；ECU等实现供油和喷油控制相互独立BOSCH-II高压共轨喷射系统曲轴位置的确定（6缸机为例）：BOSCH-CR高压泵：三缸径向Y形柱塞式

结构：泵体、泵盖、气门组件、柱塞泵组件、柱塞弹簧、驱动轴等组成。特点：

三缸柱塞泵隔120度分布

保证供油频率和供油量

轨压；偏心轮驱动平面三角环三个柱塞泵

泵油原理：EG工作时，曲轴带动驱动轴旋转（偏心轮12）旋转，三角平面环6平面运动；

偏心轮每转一圈，Y形高压泵供三每次供油频率与喷射频率协调控制。

BOSCH第二代将原出口端的溢流阀改成进口处的节流阀以降低机械损失。共轨的作用：将高压泵提供的高压油蓄压

按恒定压力均匀分配到各缸喷油器。

确定共轨容积的原则：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

共轨压力波动控制在5MPa以内；进出油口处设置液流缓冲器4。为保证共轨压力响应速度

快速响应柴油机工况的变化，其容积又不能太大。某ECD-U2共轨系统：高压泵最大供油量为600mm3，共轨容积约为94000mm3。喷油器：二位二通电磁阀式作用：根据ECU的控制指令完成喷油量的定量、定时、喷油雾化及喷油规律的控制过程。喷油量：通过喷油器开启持续时间（脉宽）来控制；喷油定时：通过喷油器的开启时刻控制；喷雾质量：取决于喷射压力、喷孔直径、喷孔数以及

燃烧室内气流状态；喷油规律：电磁阀的控制；喷油器响应特性：取决于电磁阀特性和针阀惯性质量。结构特点：由三个系统构成实物照片电磁阀系统：电磁阀、电磁阀弹簧以及球阀等球阀的作用：开或关闭液压控制室的出油孔，由电磁阀据ECU指令直接控制；液压控制系统：柱塞、柱塞套（球阀体一体）、进出油孔及其弹簧；

主要控制针阀的升起或落座；针阀耦件：针阀及针阀体，两者配合间隙为2

m左右；工作原理：电磁阀OFF：球阀在其弹簧力的作用下落座，关闭液压控制室的出油孔；此时p柱+p弹>p针阀

∴

针阀迅速落座，喷油结束。电磁阀ON时：球阀升起，液压控制室的出油孔被打开；此时

p柱+p弹<p针阀

∴针阀升起，开始喷油。共轨的高压油同时进入针阀的承压锥面和液压控制室。液压控制系统参数对针阀升程规律的影响针阀的升程规律取决于液压控制室内的油压变化速率；控制室油压变化规律进出油孔直径比、控制室容积控制容积的影响：进出油孔直径的影响：2.ECD-U2型高压共轨喷射系统：日本电装三向阀控制脉冲

燃油箱

其他信息

p,t

节流阀

EC

U

负荷

压

力传感器

三通阀（

TWV

）喷射率控制（油压活塞）针阀体喷油器

油

泵

控制阀

E/G

转速及

凸轮转角气缸判别信号蓄

压

室

高压供油泵

喷射

压力

控制

特点：泵直列泵、三山凸轮，凸轮每转泵油三次；

喷油器三向电磁阀(TWV)①吸油过程：柱塞下行

PCV阀开

泵室进油②柱塞上行

PCV阀开回油轨压不变；③当共轨压力<设定值时，ECU接通PCV阀关闭

出油阀开迅速供油补充轨压高压泵及其供油原理：三山凸轮PCV阀出油阀溢出阀高压泵的供油量：

取决于PCV阀关闭后柱塞的有效行程；

通过改变PCV电磁阀的关闭时刻

控制凸轮的有效行程

改变供油量

控制共压。特点：减小功率损耗。但控制系统复杂。喷油器：三通电磁阀式TWV阀：由内外阀和阀体组成内阀2:

自由活塞外阀3:与衔铁做成一体由线圈控制A密封面5控制柱塞顶部与共轨连通阀体4:支承外阀泄油孔B密封面6控制柱塞顶部与泄油孔连通由针阀偶件、液压柱塞、节流阀以及三通电磁阀等组成。通电时刻

喷射时刻=泄油孔开启时刻；

通电持续时间

喷油量；结构特点：TWV喷油器的控制原理：

在ECU控制下TWV阀ON

线圈产生磁场力

外阀上移

关闭密封面5

共轨高压油无法进入柱塞顶控制室。此时，密封面6打开，柱塞顶控制室内高压油，经密封面6泄油

油压迅速降低

喷油器针阀克服弹力升起

喷油开始。密封面6密封面5ON当TWV阀OFF时：

磁场消失，外阀在弹力作用下下移

关闭密封面6，同时打开密封面5；

共轨的高压油同时进入喷油器针阀承压锥面室和柱塞顶控制室。

柱塞在高压油和弹力作用下下移

针阀落座，停止喷油。OFF初期喷油速率控制目的：控制放热规律。

方法：设置一个单向阀和一个小孔节流阀。

单向阀的作用：阻止液压柱塞上方的燃油回流，只允许高压共轨中的燃油流入控制室。

小孔节流阀的作用：控制泄油速率，控制控制室内压力的降低速率

控制针阀升起速度，实现对初期喷射规律的控制。

节流阀

三通阀

喷射率控制（油压活塞）针阀

单向阀3.多阶段喷射及压电式喷油器高压共轨系统对喷油规律可柔性控制，易实现多阶段“Multijet”喷射方式控制放热规律节能减排。先导喷射预喷射主喷射1主喷射2后喷射迟后喷射控制TzmaxNOx

压缩T和p，

起动暖车时间，

惰转噪声&HC排放，改善低速转矩特性T为主喷射准备

缩短主喷射的

i，

Tz，

NOx改善废气在膨胀过程中的氧化环境，

PM

后处器的催化反应

废气中HC

NOx还原装置的效率压电式喷油器：

“Multijet”喷射方式的控制精度喷油器的响应特性。Bosch电磁阀式喷油器：相邻喷射间隔最小900s结构特点：多层压电薄片叠加而成；利用液压放大机构放大压电堆的驱动位移，以满足针阀流量要求。在厚度方向上伸缩变形的积层型压电晶体，在力学上串联、电学上并联；其输出的位移=各压电片

输出位移的之和。压电晶体片并联，电学上纯电容，级联后电容成倍增加，故级联过多，充放电时间增加，响应特性差。因此，压电晶体片积层量要适当。压电式和电磁阀式喷油器响应特性比较二、

泵喷嘴：结构特点：

♦泵喷嘴体、控制阀及电磁阀等组成；

♦柱塞偶件和喷油器偶件集成在一个壳体内。

喷油正时和喷油量：由电磁阀控制进油阀开启时刻和持续时间来控制高压系统容积很小易高压化(>200MPa)

可靠性好；但复杂♦取消了高压油管

弥补高压共轨耐高压及高压密封缺陷。泵喷嘴工作原理：泵油过程：驱动凸轮和柱塞弹簧力作用下完成。当凸轮推动柱塞压油时，若电磁阀OFF，控制阀开启，高压油回油，不喷油；当柱塞运动到某一时刻，ECU接通电磁阀时，回油孔关闭；高压油进入针阀承压锥面建立油压，喷油开始；喷油持续期间

电磁阀脉宽；经控制脉宽后电磁阀断电，控制阀恢复开启状态，针阀迅速落座，喷油停止。进压喷3.单体泵结构特点：一种模块式结构；各缸柱塞泵独立；喷油器和喷油泵间用短高压油管连接

组成：由滚轮式挺柱、柱塞、回位弹簧、泵体、ECU控制及电磁阀等。单体泵工作原理图：向喷油器电磁阀发动机挺柱滚轮OFF时ON时由ECU控制电磁阀当电磁阀开启时：高压油经短高压管

传到喷油器

建立油压喷射；电磁阀OFF时：泵油室内油和高压管内燃油回油，喷油器油压迅速降低

停止喷油。供油时刻=电磁阀ON时供油量

通电脉宽CR：泵喷嘴独立控制

直接控制喷射规律；响应性

喷射压力控制不受n、负荷影响，自由度高。4.三种高压喷射系统（CR、UIS及UP）的比较：UIS：泵喷嘴一体高压化；喷油规律供油规律；喷射压力供油速率凸轮型线和n；喷射压力控制自由度受限。UP：结构上，改善CR的高压密封及可靠性问题，

UIS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；喷油规律控制精度及高速响应特性较差。思考题1）对柴油机喷射系统的基本要求是什么？为什么？2）喷雾特性评价参数都有哪些？各评价参数分别表征喷雾的什么特性？3）柴油机的喷射系统都有哪些类型？各自有何特点？4）泵-管-喷嘴型位置式喷射系统存在的主要问题是什么？供油规律和喷油规律有何区别？5）不正常喷油现象都有哪些？产生的原因是什么？对发动机性能都有何影响？6）高压喷射系统有哪几种？各自有何特点？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.