《發(fā)動(dòng)機(jī)原理》第六章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒(第次課)

上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)1）位置式噴射系統(tǒng)

1.位置式噴射系統(tǒng)

機(jī)械/電控都屬于泵－管－噴嘴型結(jié)構(gòu)；

噴油泵是核心部分；

噴油器只起噴油作用，供油壓力控制；噴油泵按結(jié)構(gòu)分為直列泵和分配泵。上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)1）位置式噴射系統(tǒng)控制：滑套相對(duì)柱塞的位移改變供油始點(diǎn)供油預(yù)行程在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)供油時(shí)刻的任意控制a)停油位置b)部分負(fù)荷供油位置c)全負(fù)荷供油位置柱塞套進(jìn)、回油孔柱塞螺旋槽測(cè)量控制齒桿上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)1）位置式噴射系統(tǒng)上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)1）位置式噴射系統(tǒng)噴油過(guò)程噴油泵端燃油壓力噴油器端燃油壓力噴油器針閥升程１、噴射延遲階段從柱塞上控制邊緣或頂面剛遮蓋進(jìn)油孔的供油始點(diǎn)Op到針閥開啟的噴油始點(diǎn)O0的一段曲軸轉(zhuǎn)角；２、主噴射階段從噴油始點(diǎn)O0起到噴油泵回油造成噴油泵端的燃油壓力開始下降的時(shí)刻為止的一段曲軸轉(zhuǎn)角３、噴射結(jié)束階段從噴油器端的燃油壓力開始降低的時(shí)刻起到噴油器針閥完全落座停止噴油為止上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)1）位置式噴射系統(tǒng)供油規(guī)律噴油規(guī)律存在的問(wèn)題：供油規(guī)律與噴油規(guī)律不同；出現(xiàn)不正常噴射現(xiàn)象：二次噴射；噴油壓力波動(dòng)滴油現(xiàn)象；高壓密封斷續(xù)噴射；針閥周期跳動(dòng)隔次噴射；2循環(huán)噴1次上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)2）時(shí)間-壓力式電控噴射系統(tǒng)特點(diǎn)：不斷高壓化典型類型：高壓共軌系統(tǒng)、泵噴嘴和單體泵三種1.高壓共軌系統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上：把泵-管-噴嘴三個(gè)單元，按各自功能相互獨(dú)立起來(lái)充分提高控制自由度。功能上：實(shí)現(xiàn)高壓噴射；噴射壓力、噴射時(shí)刻、噴油規(guī)律達(dá)到可直接調(diào)控放熱規(guī)律可控制。

上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)2）時(shí)間-壓力式電控噴射系統(tǒng)1.高壓共軌系統(tǒng)

各單元的作用：①高壓泵：按一定速率向共軌供油，保證軌壓恒定供油原理：多山凸輪每轉(zhuǎn)供三每次供油頻率與噴射頻率一致

②共軌的作用：將高壓泵提供的高壓油蓄壓按恒定壓力均勻分配到各缸噴油器。③噴油器的主要作用：根據(jù)ECU的控制指令完成定量、霧化及噴油規(guī)律的控制。上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)2）時(shí)間-壓力式電控噴射系統(tǒng)1.高壓共軌系統(tǒng)

高壓共軌噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)：共軌壓力波動(dòng)小不存在壓力波引起的難控區(qū)、失控區(qū)以及調(diào)速器能力不足等問(wèn)題；噴射壓力獨(dú)立于n和負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律易實(shí)現(xiàn)多階段脈沖噴射過(guò)程噴射規(guī)率自由控制

噴射量?jī)H取決于共軌壓力和噴油器通電脈沖寬度;高壓高壓泵驅(qū)動(dòng)損失，需耐高壓和高壓密封。0.51.01.52.02001501005096MPa80MPa48MPa38MPa噴射量mm3/st通電脈沖幅Ti/ms上次課內(nèi)容回顧§6-3燃油噴射和霧化三、噴射系統(tǒng)2）時(shí)間-壓力式電控噴射系統(tǒng)2.泵噴嘴：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?泵噴嘴體、控制閥及電磁閥等組成；

?柱塞偶件和噴油器偶件集成在一個(gè)殼體內(nèi)。

噴油正時(shí)和噴油量：由電磁閥控制進(jìn)油閥開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間來(lái)控制高壓系統(tǒng)容積很小易高壓化(>200MPa)可靠性好；但復(fù)雜?取消了高壓油管彌補(bǔ)高壓共軌耐高壓及高壓密封缺陷。3.單體泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一種模塊式結(jié)構(gòu)；各缸柱塞泵獨(dú)立；噴油器和噴油泵間用短高壓油管連接§6-4混合氣的形成與燃燒室一、柴油機(jī)混合氣形成方式不同混合氣形成方式，對(duì)噴霧和燃燒室內(nèi)氣流的特性要求不同形成方式分為：空間霧化混合方式

油膜蒸發(fā)混合方式影響柴油機(jī)混合氣形成的因素：燃料的霧化特性，燃燒室內(nèi)氣流特性§6-4混合氣的形成與燃燒室一、柴油機(jī)混合氣形成方式1）空間霧化：多孔式噴油器強(qiáng)制霧化+與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)燃油與空氣相對(duì)速度是混合氣形成的主要因素影響油氣相對(duì)速度的因素：p噴，T，，氣流特性即噴霧特性與燃燒室內(nèi)氣流特性的匹配。123351234i）回轉(zhuǎn)體燃燒室ii)四角形燃燒室iii）四角圓弧形燃燒室vi）花瓣形燃燒室傳統(tǒng)的直噴燃燒室：主要靠空間霧化形成混合氣缺陷：燃燒室內(nèi)氣流組織不當(dāng)，噴射壓力低；混合氣形成速率隨n適應(yīng)性差淘汰NOx已淘汰2）油膜蒸發(fā)：燃燒室壁面形成油膜后，利用受熱蒸發(fā)和空氣流動(dòng)作用形成混合氣。影響混合氣形成的主要因素是

油膜蒸發(fā)速度

燃燒室相對(duì)油膜的運(yùn)動(dòng)速度

油膜厚度2）油膜蒸發(fā)：傳統(tǒng)分隔式燃燒室

一部分空間霧化，大部分油膜蒸發(fā)形成混合氣渦流室式預(yù)燃室式壓縮過(guò)程渦流室內(nèi)形成強(qiáng)烈壓縮渦流壁面油膜蒸發(fā)混合噴入主燃室二次渦流n適應(yīng)性

壓縮過(guò)程預(yù)燃室內(nèi)形成強(qiáng)烈紊流部分空間混合噴入主燃室燃燒渦流n適應(yīng)性

3）傳統(tǒng)直噴式和分隔式燃燒室特點(diǎn)：直噴式：燃燒等容度高；散熱面積?。唤?jīng)濟(jì)性好冷起動(dòng)性好；

=14~18

對(duì)噴射系統(tǒng)要求高；對(duì)高速敏感；排放、高速性差粗暴，NOx排放高。分隔式：空氣利用率好；

n適應(yīng)性好噴霧要求低、成本低；

散熱面積大；通道節(jié)流損失大；熱效率低；冷起動(dòng)性差。=20~24二、高速直噴燃燒室結(jié)構(gòu)及其混合氣形成特點(diǎn)柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律及NOx和PM生成預(yù)混合燃燒過(guò)程和擴(kuò)散燃燒過(guò)程。預(yù)混合燃燒過(guò)程缸內(nèi)氣流特性和噴霧質(zhì)量；擴(kuò)散燃燒過(guò)程后噴射的噴霧質(zhì)量和氣流特性;H

D1

D2

D1D2A型(D<120mm)B型(D>120mm)

缸內(nèi)氣流特性：燃燒室結(jié)構(gòu)形狀噴霧質(zhì)量：高壓噴射三、燃燒室內(nèi)氣流特性及其評(píng)價(jià)方法目的：有效控制預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒期間的氣流特性。評(píng)價(jià)指標(biāo)滾流強(qiáng)度保持性評(píng)價(jià)方法：基于CFD軟件，對(duì)燃燒室三維空間瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算；燃燒室斷面三維計(jì)算模型計(jì)算斷面SW不同燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室內(nèi)氣流特性的影響：縮口比D2/D1一定時(shí)，燃燒室底部凸起形狀對(duì)滾流強(qiáng)度保持性的影響I型II型III型D1D2擴(kuò)散燃燒期燃燒室底部形狀對(duì)排放特性的影響：

在擴(kuò)散燃燒期間，因氣流分布及保持性不同對(duì)CO、

HC及煙度影響明顯。g§6.5燃燒過(guò)程的影響因素一、噴霧特性與燃燒室形狀匹配1）噴射夾角(位置)：噴射夾角不同，噴霧在燃燒室位置不同過(guò)大：更多燃料飛濺到擠氣面過(guò)?。嚎臻g混合，預(yù)混合燃燒過(guò)小過(guò)大NOx煙度噴射夾角:=152°=156°=160°噴孔直徑負(fù)荷油耗NOx煙度噴射壓力和噴孔數(shù)一定噴孔直徑影響噴射總面積。噴孔直徑小：射程夾角變小霧化油束著壁傾向煙度。直徑過(guò)大：小負(fù)荷/大負(fù)荷區(qū)，噴霧質(zhì)量差存在最佳噴控直徑噴孔數(shù)和進(jìn)氣渦流噴孔數(shù)和渦流強(qiáng)度影響噴注與燃燒室空間的匹配孔數(shù)過(guò)多或渦流強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)噴注相互干涉適當(dāng)減小渦流比,進(jìn)氣阻力,v

噴孔數(shù)過(guò)多，燃燒室內(nèi)橫向渦流過(guò)強(qiáng)噴注之間干涉；縱向渦流：預(yù)混合階段適當(dāng)；擴(kuò)散燃燒階段有足夠強(qiáng)度——保持性噴孔直徑及噴孔數(shù)的確定確定噴孔直徑時(shí)，一般考慮最大噴射面積；一定噴射壓力，影響噴射速率及噴霧質(zhì)量噴孔數(shù)：根據(jù)燃燒室空間大小來(lái)確定Vb：最大循環(huán)噴油量

n：轉(zhuǎn)速：噴控流量系數(shù)j：噴油持續(xù)角j：噴孔處平均噴油速率噴孔數(shù)=i時(shí)：噴油器面容比：噴嘴結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：HC的工況排放值100%小壓力室無(wú)壓力室HC工況排放值/%噴油器壓力室對(duì)HC排放的影響噴后壓力室內(nèi)油進(jìn)入氣缸霧化不良HC；無(wú)壓力室針閥升程很小因節(jié)流效應(yīng)射程不均一定噴孔面積，噴嘴壁厚影響貫穿距離霧化效果

噴射壓力（軌壓）軌壓，噴射速率，噴射持續(xù)時(shí)間，初期放熱速率，NOx，PMNOx軌壓軌壓軌壓軌壓HCbeCO不同轉(zhuǎn)速下，軌壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響：二、影響燃燒過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)因素1.負(fù)荷質(zhì)調(diào)節(jié)：進(jìn)入氣缸的空氣量基本保持不變，只調(diào)節(jié)循環(huán)噴油量。負(fù)荷,=噴油量，a；單位Vh混合氣燃燒放熱量,Tz，i，粗暴；但大負(fù)荷時(shí)，燃燒過(guò)程延長(zhǎng)e

2、轉(zhuǎn)速

n散熱/漏氣損失pcTc；i著火落后期；噴油壓力高壓化可改善霧化

n過(guò)低：霧化熱效率；

n過(guò)高：燃燒過(guò)程遲后，充氣效率——熱效率3.噴油時(shí)刻pt

決定噴注相對(duì)燃燒室空間的噴射位置。

一般：pt過(guò)大，缸內(nèi)p、Ti；壓縮負(fù)功；

pz、Tz工作粗暴；NOx；動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性pt過(guò)?。喝紵患皶r(shí)，散熱損失，排溫；動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性

最佳pt0：動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性不變的前提下，NOx。推遲pt是NOx的主要措施。pt0隨負(fù)荷、轉(zhuǎn)速而變化?？s口燃燒室，噴射壓力=24MPa，機(jī)械噴射系統(tǒng)：相對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)供油提前角由11~14°CA6~8°CA

NOx而傳統(tǒng)直噴柴油機(jī)gt0=11°~30°CA。gt0范圍=8~14°CA4.

燃油特性十六烷值過(guò)低：自燃性差，不易著火。i，工作粗暴，NOx

冷態(tài)正常燃燒條件易著火壓縮比和十六烷值匹配：從1614&十六烷值5585時(shí)著火特性不變有效NOx和HC十六烷值，自燃性好i，dp/d，工作溫柔，

NOx;但過(guò)高冒煙。5.EGREGR作用：降低燃燒溫度；降低氧濃度NOx

但EGR率過(guò)大燃燒滯后、不完全，經(jīng)濟(jì)性；排煙各工況存在最佳EGR率。EGR作用在柴油機(jī)和汽油機(jī)上的區(qū)別：汽油機(jī)：量調(diào)，EGR后，A/F基本不變；反應(yīng)及燃燒溫度NOx柴油機(jī)：質(zhì)調(diào)，EGR后，A/F,Tz，NOx效果明顯。m0：無(wú)EGR時(shí)進(jìn)氣量；m：有GR時(shí)的進(jìn)氣量柴油機(jī)EGR降低NOx效果：EGR流量=有無(wú)EGR時(shí)的進(jìn)氣流量之差EGR抑制燃燒效果與氧氮含量效果各50%空濾器進(jìn)氣1.可變?cè)鰤?雙級(jí)增壓4.電控高壓多段噴射系統(tǒng)還元?jiǎng)┕┙o系統(tǒng)6.氧化催化+DPF+NOx還元2.中冷3.EGR中冷EGR閥5.燃燒室內(nèi)氣流特性§6-6柴油機(jī)的排放控制技術(shù)表6-1不同技術(shù)措施對(duì)排放及性能的影響效果噴射系統(tǒng)后處理噴射壓力最高化噴射壓力控制先導(dǎo)噴射噴射時(shí)期控制EGR還元?jiǎng)㎞Ox氧化劑HC靜電除塵PM/SM/HC◎◎—×——◎◎NOx×○◎◎◎◎——油耗○○○×○———噪聲×○◎○————起動(dòng)機(jī)－○○×————行駛性○◎—×————◎：明顯改善，○：改善，×：惡化，—：無(wú)效果。一、機(jī)內(nèi)措施

1．噴射系統(tǒng)的控制目的：良好噴霧特性、噴注與燃燒室良好匹配；控制噴油規(guī)律控制放熱規(guī)律節(jié)能又低排放措施：噴射壓力高壓化；且噴射時(shí)期/噴油量/噴油率可變控制；響應(yīng)特性。相對(duì)UP和UIS：C-R直接控制噴油器控制響應(yīng)特性，高速柴油機(jī)上普遍采用。噴油器的要求：噴射壓力高壓化：>200MPa霧化，噴射速率多段脈沖噴射：響應(yīng)特性噴射規(guī)律放熱規(guī)律

2．新的燃燒方式①低溫燃燒技術(shù)MK燃燒：特點(diǎn)：低溫燃燒和預(yù)混合燃燒相組合同時(shí)NOx&PM。噴射持續(xù)時(shí)間-著火延遲期/degCAModulatedKinetics基本原理：由EGR氧濃度和TzNOx;同時(shí)采用MK(可調(diào))高壓噴射縮短噴射時(shí)間+冷EGR+提前噴iPCIPM

byEGR高壓噴射冷EGRMK燃燒預(yù)混合燃燒②HCCI技術(shù)：

EGR=30%早噴=17早噴，=17EGR=30%:1714早噴低壓縮比早噴=14EGR=30%EGR放熱率壓縮過(guò)程中噴射，i，形成稀薄預(yù)混合氣壓燃PCCI混合氣均勻化3.不同階段柴油機(jī)的控制技術(shù)對(duì)應(yīng)2005年前排放法規(guī)的主要技術(shù)措施：歐IV前軌壓=160MPa、冷EGR、VNT/VGS、預(yù)噴射燃燒、進(jìn)氣渦流可變系統(tǒng)、燃料含硫量≯50ppm；采用DOC（DieselOxidationCatalyst）、DPF后處理。針對(duì)2005年實(shí)施的歐洲排放法規(guī)：歐IV高壓多段噴射技術(shù)、閉環(huán)電控，高增壓可變技術(shù)、高冷EGR，PCI燃燒方式，燃料含硫量≯

10ppm。2009年實(shí)施的排放法規(guī)的技術(shù)措施：歐V以上200MPa多段噴射、部分HCCI、內(nèi)部EGR、燃料低含硫且機(jī)油含硫量為0，采用NH3-SCR后處理技術(shù)。二、后處理技術(shù)1）氧化催化轉(zhuǎn)化器目的：將CO和HC以及PM中的SOFCO2和H2O

主要氧化催化劑：Pt鈀和Pd鉑，Pt/Pd≈2.3/1組合用Pd受Pb鉛的侵蝕；Pt受熱劣化影響催化反應(yīng)因素：反應(yīng)物濃度：O2濃度和CO/HC/H2濃度間的平衡溫度催化劑的工作溫度為300℃以上?？臻g速度=單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量：<數(shù)萬(wàn)升/h

向排氣供給新鮮空氣2次空氣柴油中含硫量多氧化劑會(huì)生成硫酸鹽PM

氨水箱氨水供給系統(tǒng)氧化催化劑高壓噴射裝置2）NOx的催化還元轉(zhuǎn)化器選擇型還原裝置SCR(Selectivecatalyticreduction)：氨為還原劑催化裝置前供給相對(duì)燃料3~5%的32.5%濃度尿素。用排氣熱進(jìn)行水分解反應(yīng)產(chǎn)生NH3對(duì)NO進(jìn)行選擇型還原工作溫度：250℃~500℃3）柴油機(jī)微粒捕集器（DPT或DPF）蜂窩陶瓷型DPF結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：相鄰孔道迷宮式。排氣從孔道流入穿過(guò)多孔性陶瓷壁面流出PM過(guò)濾在各孔道壁面。DPF的再生：及時(shí)清除堆積在濾芯上的PM恢復(fù)到原來(lái)低阻力狀況過(guò)程。定期燒掉的方式。

排氣孔道截面22mm，壁厚0.4mm;濾芯體積一般在柴油機(jī)排量的1~2倍DPF的再生方法：成為DPF的重要問(wèn)題

濾芯催化器濾芯加熱器閥ON閥OFF再生電加熱再生系統(tǒng)：電加熱DPF供給一定空氣來(lái)燒掉PM。采用遮斷DPF流動(dòng)法需多個(gè)DPF，每個(gè)DPF再生所需能量少結(jié)構(gòu)復(fù)雜。連續(xù)再生系統(tǒng)