第五章 柴油机混合气的形成和燃烧.ppt

1、第五章 柴油机混合气形成和燃烧,基本思路,探讨优化的途径,混合气形成与燃烧室结构优化,燃油喷射 过程优化,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,柴油机正常工作燃烧的必要条件,(油 ),(气),(室) 的完美优化组合,第一节 燃油的喷射与雾化,一、喷射系统,1、对喷油系统的要求,a.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 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 缸工作均匀性 d.避免异常喷射现象,2、喷油系统工作原理 （略）,（泵管嘴）,二、喷射与雾化,

2、注意：喷射与雾化是柴油机良好工作的前提,究竟如何评价？,通常用喷油特性和喷雾质量来评价喷油质量。,1、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的过程（全负荷工况下约占曲周转角的15 40）。,喷油特性:是指喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷油压力。,喷雾质量：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？,对于n转/分的发动机，喷油有多快？,1560/（n360）,若高速轿车柴油机，n=4000rpm ,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 越来越高！,压力波：12001300m/s,开始喷油,单位曲轴

3、转角由喷油泵供入油管的燃油量 取决于柱塞直径和凸轮几何尺寸,单位凸轮轴转角由喷油器 喷入燃烧室内的燃油量 主要取决于喷油器的结构特点,810,2、供油规律与喷油规律,为什么要共轨 ？,轿车柴油机的喷油压力脉图请参阅P217,共轨管的容积能减弱高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，但其容积不能太大，以保证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求.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,3、喷雾特性 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。,雾化的作用：,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

4、,有利于混合气的形成,射程（贯穿距离）,250m,油滴越细小,已雾化,雾化质量的评价:油束中油滴的细度和均匀度，常用指标有平均粒径、索特粒径（m）和粒径分布（略）。,影响油粒直径的因素： 减小喷孔直径： 增大喷油压力： 增大空气密度： 减小燃油粘度、表面张力：,喷孔直径减小趋势,压力增大的趋势,增压,粘度小？,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！,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,喷孔直径,各种异常喷射简介,多出现在大负荷、高转速,多出现在怠速工况,正常喷射,初步认识共轨,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

5、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；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 制；喷射压力很高且喷射可靠，能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪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NOX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。目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高 的喷射压力(200 MP

6、a ) 、更小的喷孔直径（0.110.13 mm）更短的响应时间（0.1 ms）。更低的功率消耗(采用压电晶体喷油器)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系统比较复杂: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。,一、燃烧过程 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，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和

7、补燃期.,第二节 燃烧与放热,分析燃烧过程的方法：高速摄影、光谱分析、采样分析等，但最常用最简便是用示功图,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烧与放热过程。,（一）着火延迟期（滞燃期） 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着火延迟期。 在做什么,示功图,燃烧室内的混合气进行着物理和 化学准备过程。,物理准备过程：燃油的粉碎分散、 蒸发汽化和混合；,化学准备过程：混合气的先期化学 反应直至开始自燃（低温多阶段 着火：淡青色、蓝色到橘黄色）。,特点：压力没有偏离压缩线。,温度,压力,参阅教材p86,喷油开始与 结束时刻，燃烧持续时间,600,着火延迟期（滞燃期）对燃

8、烧过程（性能）的影响,在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就多，在着火前形成可燃混合气也多，这些预混合燃料在下一阶段（速燃期）中几乎同时燃烧，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，影响发动机的使用寿命。 如果滞燃期过长，在滞燃期内已喷入全部燃料，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种情况。 为了能控制燃烧过程，降低柴油机的机械负荷并使之运转平稳，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，反过来使柴油机性能恶化。,滞燃期长了会怎样 ？,研究表明，影响着火延迟期长短的主要因素是： a/喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。（符合燃

9、烧学说） b/柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。（燃料特性） c/燃烧室的形状和壁温等：直喷式涡流弱，滞燃期内形成的混合气较多（混合气形成及着火燃烧条件）。 d/喷油提前角：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，滞燃期增加。（应与工况对应的最佳喷油提前角）,(二）速燃期,特点：压力急剧上升，压 力达到最高（有可能达到13MPa以上）,在做什么？,在靠近活塞上止点时，在滞燃期内做好燃前准备的可燃混合气多点大面积同时着火燃烧。,速燃期:从开始着火（即压力偏 离压缩线）到出现最高压力.,4.514MPa,一般用压力升高率pMPa()曲轴表示压力急剧

10、上升的程度。 式中：p速燃期始点和终点的气 体压力差（MPa）; 速燃期始点和终点相对于上 止点的曲轴转角差（CA）。,特点： （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（4.514MPa）。 （3）继续喷油。 从理论循环角度看(p2），pt 。因此， 压力升高率大，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，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大，且NOX ；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寿命； 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0.40.5 MPa()曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。,控制压力升

11、高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量 缩短着火延迟期的时间 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的燃油,三角形,靴形,具有高度灵活性的燃油喷射,在主喷射之前618（CA） 12.5 微小油量。,p215,为什么要预喷？ （先导喷射） pilot,b/预喷射的少量燃油先形成混合气，在高温高压下形成初期燃烧，使随后的主燃烧期的滞燃期缩短，避免了速燃期急剧的压力和温度上升，从而能有效降低噪声与NOX的排放。,a/预喷出的少量燃油可提高缸内局部湍流，使燃油与空气更好混合；,（三） 缓燃期 缓燃期为图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。,要求：缓燃期不宜过长 ，否则

12、会使放热过程加长（相当于理想混合加热循环的初始膨胀比0增大P2），循环效率下降。 所以，应该越快越好(主喷射阶段时间不能太长，且应该断油迅速），同时需加快混合气形成速率。,在做什么？,当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。,2000,特点：,（1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。,（2）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。,具有高度灵活性的燃油喷射,为什么要近后喷？,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 (增强混合，尤其对涡流较弱的直喷式

13、柴油机），促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）,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 (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 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，近后喷的影响持续到补燃期）,P216,燃烧持续期缩短,（四） 补燃期,从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的9599时，可认为补燃期结束。,在做什么？,由于燃烧时间短促，混合气又不

14、均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续 燃烧，,补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，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严重。 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，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,措施：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

15、速氧化。,基于这一原理，共轨柴油机采用的近后喷射的影响持续到补燃期。,具有高度灵活性的燃油喷射,为什么还需要远后喷？,远后喷射：在主喷射之后的做功行程或排气行程进行，其范围在上止点后200内，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DOC （ Diesel oxidation catalyst ）催化器充当还原剂，使DOC 有效工作，降低NOX/CO/HC/和碳烟。,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,1、燃烧放热规律的定义,为什么研究放热规律 ？,当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律所决定！。（数模推导过程略，可参考p88数

16、模）,注意：放热是否从喷油器针阀升起时候开始的？为什么?,燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、油消耗率、最高燃烧压力、燃烧噪声排放等性能指标!,2、理想的燃烧放热规律及其控制(这是我们的目的）,从理论分析和试验研究得出结论：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。 它们对性能的影响主要表现在：循环热效率、压力升高比和最高燃烧压力等方面。,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，希望燃料尽量在上止点附近燃烧。降低 ，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，柴油机热效率下降，燃油消耗率增加。因而，降低燃烧

17、噪声（使柴油机工作平稳）与提高经济性（使柴油机经济运行）之间往往发生矛盾。,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的主要问题！,（1）放热始点,a/调整喷油提前角到最佳位置,转速高 提前 负荷大 提前,手段： (a)自动喷油提前器 (b)电控MAP图,b/尽量缩短着火落后期（与燃烧过程理论同）,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，这种图形一般称为脉图（MAP)。,（3）放热规律的 曲线形状,（2）放热持续期,取决于喷油持续角、

18、混合气形成的快慢及完善程度! a/喷油时间 b/混合气形成的快慢和完善程度,放热曲线的形状决定了前后放热量的比例，对噪声、振动和排放都有很大的影响。,放热持续期的长短，一定程度上是理论循环等压放热初始膨胀比 的反映，显然这是决定循环热效率的一个极为关键的因素。对有害气体排放也有重大影响,第三节 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 1、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混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃

19、烧。故柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。 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，出现边燃烧，边喷油，边混合的情况。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1，一般在1.152.20范围内。,2、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，有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。,1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热蒸发并扩散，与空气形成混合气。为了使

20、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。,2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，油膜受热汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。这一混合方式中起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。,二、缸内气流运动,涡流 挤流 滚流 湍流,缸内气流运动形式有哪些？,注意：不管是柴油机还是汽油机都需要适当的气流运动！,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,=12,=24,（2）挤流,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

21、顶部的燃烧室凹坑内产生的挤压涡流。,（三）滚流,三菱GDI,(4)湍流,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。,微涡流,总结：气流运动对加速混合气形成和燃烧有着重要的意义，但是气流运动总是会带来一定的流动损失和泵气损失等。 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好缸内的气流。（如本田的iVTEC就是两个进气门升程的不同产生涡流、三菱GDI的进气道滚流等等）,直喷式 （统一式燃烧室） 非直喷式 （分隔式燃烧室）,型,球型,涡流室燃烧室,预燃式燃烧室,统一式燃烧室由

22、凹顶活塞顶部与气缸盖底部所包围的单一内腔，几乎全部容积都在活塞顶面上。,四角型,柴油机燃烧室如何分类？,三、柴油机燃烧室,浅盆型,（一）直喷式(统一式燃烧室),混合气形成特点和对喷油系统要求请参阅教材 p94,型燃烧室： 1）主要是依靠多孔喷雾（多为4孔），利用油束和燃烧室的吻合，在空间形成混合气。(空间雾化混合) 2）喷孔直径小（孔式），喷孔易堵。喷油压力较高，一般在20Mpa左右。 3）结构紧凑，散热面积小，热损失小，故热效率高，经济性好，容易起动。 4）滞燃期形成混合气较多，工作粗暴，燃烧噪音大。 5) 制造困难。,（二）非直喷式,预热室式燃烧室,涡流室式燃烧室,特点：油压要求不高；故障

23、少； 工作较平稳；散热面积大；油耗 高；起动性差。,第四节 燃烧过程的优化 一、燃烧过程优化的基本原则,追求目标：希望燃烧更完善、更柔和、损失更小、排气更清洁。,a/油气室的最佳配合 b/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 d/紧凑的燃烧室形状 e/加强燃烧期间和燃烧后期的扰流 f/优化运转参数,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！,噪声,满足柴油机理想的燃烧方案要求什么样的喷油规律？,至此，究竟是供油规律还是喷油规律？,都有关系！（传统机械式与共轨系统）但是两者是有差别的！但直接影响混合气形成和燃烧过程的是喷油规律！,优化的供油规律和喷

24、油规律（供油系统）应该： 先缓后急，断油迅速,三角形,靴形,参阅教材p103，合理的喷油规律 ，传统的脉动供油系统难以实现,具有高度灵活性的燃油喷射,性能 机械式柴油喷射系统 电控共轨柴油喷射系统,喷油量 喷油泵、调速器、提前器 喷油器、二通或三通（TWV）、 ECU,喷油时间 喷油泵、调速器、提前器 喷油器、二通或三通（TWV）、 ECU,燃油升压 喷油泵 供油泵,燃油分配 喷油泵 共轨管,喷油压力 转速、喷油量的变化 供油泵、共轨压力调节器 可产生影响 二通或三通（TWV）,喷油次数 1次 多次(1一5次，由ECU控制),喷油量 不能自由调 自由调(根据负荷、转速以及其他传感器决定),喷油压力 不能自由调 自由调（在容许范围内),喷油时间 根据提前角可略微调节 自由调,喷油率 根据提前角可略微调节 自由调,预喷射 不能实现 可以实现,提前器中转速感应块， 转速传感器，油门开度传 感器，压力 传感器 调速器中转速感应块 温度传感器，曲轴转角传感器，其他传感器,控制器 电控单元ECU,执行器 针阀偶件、提前器、 喷油器电磁阀、压力调节阀、 调速器