第6章柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒1-4

第六章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒6.1柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒室

一、

柴油機(jī)混合氣的形成1、空間霧化2、油膜蒸發(fā)柴油機(jī)可燃混合氣的形成依靠兩方面：燃料噴霧和組織空氣運(yùn)動。按其形成原理可分為兩種方式1)空間霧化混合2)油膜蒸發(fā)混合1、空間霧化將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運(yùn)動達(dá)到充分混合。1對燃料噴霧要求高（采用多孔噴嘴）燃燒易于完全，經(jīng)濟(jì)性好。2對氣流要求不高后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)物包圍，高溫裂解排氣冒煙。3初期空間分布燃料多，燃燒迅速，工作粗暴。2、油膜蒸發(fā)將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速（先緩后急）1對燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對空氣運(yùn)動要求高。2放熱先緩后急，3但低速性能不好，冷起動困難。對進(jìn)氣道、燃料供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴(yán)格。噪聲小，經(jīng)濟(jì)性較好工作柔和，油膜蒸發(fā)特點(diǎn)

空間霧化混和油膜蒸發(fā)混和大部分燃料以較高壓力噴射到燃燒室空間，散布于空氣中采用強(qiáng)烈的空氣旋流將大部分燃料涂布在燃燒室壁面上燃料在空氣中呈細(xì)小油粒狀燃料在壁面上形成油膜細(xì)小油滴以液相與空氣混和，形成不均勻混和氣

油膜蒸發(fā)，燃油蒸汽與空氣混和，形成相對均勻的混和氣大量細(xì)小油滴受熱汽化，在著火延遲期內(nèi)形成的可燃混和氣數(shù)量多，多點(diǎn)大面積同時(shí)著火散布在空間的少量燃油，在著火延遲期內(nèi)形成少量可燃混和氣，著火面積小。初期燃燒的放熱速率很高，以后逐漸減慢。受油膜蒸發(fā)速率的影響，燃燒放熱速率呈前低后高的規(guī)律油膜蒸發(fā)與空間霧化比較

二、

柴油機(jī)燃燒室柴油機(jī)混和氣的形成和燃燒都是在燃燒室進(jìn)行的，時(shí)間非常短，要使發(fā)動機(jī)具有良好的性能，不但要有良好的燃料噴射系統(tǒng)，較高的燃料噴霧質(zhì)量，還必須有與燃料噴射配合恰當(dāng)?shù)娜紵倚螤詈蜌饬鬟\(yùn)動。柴油機(jī)燃燒室按結(jié)構(gòu)形式可分為直接噴射式分隔噴射式直接噴射式分隔噴射式1開式：中、大型，中、低速船舶、發(fā)電用大缸徑柴油機(jī),不組織進(jìn)氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式。2半開式：中、小型，中、高速車用柴油機(jī)（1）

型（2）球型（3）復(fù)合式（U型）（一）直噴式燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：位于活塞頂部，具有統(tǒng)一空間的燃燒室。直噴半開式燃燒室1、型燃燒室混合氣形成方式：空間霧化為燃燒室喉口直徑；D為氣缸直徑。，油束射程燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率。，油束射程，氣流運(yùn)動燃油噴在燃燒室壁面上，霧化差。型燃燒室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)dKD為燃燒室容積；為活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的壓縮容積?？諝饫寐?，散熱面積燃燒好。盡可能大。所以，希望vkvc（1）長型多孔（3～5個(gè)）噴嘴，孔徑d=0.25～0.4[mm]。針閥開啟壓力

19.6[MPa]，噴霧夾角140～160。（2）工作粗暴。（3），

大空氣利用率空氣停留時(shí)間（4）結(jié)構(gòu)簡單，散熱面積，冷起動性好，經(jīng)濟(jì)性好。型燃燒室主要特點(diǎn)半開式球型燃燒室混合氣形成方式：油膜蒸發(fā)球型燃燒室特點(diǎn)

（1）螺旋進(jìn)氣道，進(jìn)氣渦流強(qiáng)。（2）采用單孔噴嘴

=0.5～0.7mm，或雙孔噴嘴

=0.3～0.4mm。噴嘴與氣缸蓋平面成70夾角，沿順氣流方向噴射。（3）由于油膜的隔熱作用，缸壁溫度合適，200～350℃。（4）值較小，=1.1左右，空氣利用率（5）工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。經(jīng)濟(jì)性、動力性較好（6）冷起動性和低速性差，排污嚴(yán)重。（7）缸徑D不可太大，一般在140mm內(nèi)球型燃燒室特點(diǎn)

復(fù)合型(U)燃燒室混合氣形成方式：空間霧化+油膜蒸發(fā)（1）噴油基本垂直于氣流方向霧化好（2）采用螺旋進(jìn)氣道，軸針式噴油嘴。（3）低速時(shí)氣流弱：空間分布燃料多改善了冷起動性和低速性。高速時(shí)，氣流強(qiáng)：壁面分布燃料多平均壓力升高率和最高壓力，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。（4）氣流運(yùn)動起重要作用復(fù)合型燃燒室特點(diǎn)

半開式燃燒室的空氣運(yùn)動

進(jìn)氣渦流擠壓渦流進(jìn)氣渦流使進(jìn)氣氣流相對于氣缸中心產(chǎn)生一個(gè)力，形成渦流。切向進(jìn)氣道螺旋進(jìn)氣道切向進(jìn)氣道特點(diǎn):氣道母線與氣缸相切；進(jìn)氣道與缸蓋底面夾角??；氣道斷面收縮大；氣道中心線與汽缸軸線相錯。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)氣渦流要求低時(shí),氣流阻力小缺點(diǎn):渦流強(qiáng)度對進(jìn)氣口位置敏感螺旋進(jìn)氣道特點(diǎn)：進(jìn)氣道呈螺旋型優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流。缺點(diǎn)：渦流強(qiáng)度會增加進(jìn)氣阻力工藝要求高，制造、調(diào)試難度較高擠壓渦流無進(jìn)氣渦流或渦流弱進(jìn)氣渦流強(qiáng)

壓縮接近上止點(diǎn)時(shí),活塞頂上部的環(huán)形空間中的空氣被擠入活塞頂凹坑的燃燒室內(nèi),形成空氣的渦流。逆擠壓渦流

擠壓和逆擠壓不影響充氣效率，有助于燃料的分布和混合氣的形成，對混合氣起主導(dǎo)作用的是進(jìn)氣渦流和逆擠壓渦流活塞下行燃燒室中的空氣向外流到環(huán)形空間產(chǎn)生膨脹流動，稱為逆擠壓渦流。（二）分隔式燃燒室主要用于高速柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：整個(gè)燃燒室分隔成兩個(gè)空間，主燃燒室設(shè)于活塞頂部，副燃燒室位于氣缸蓋內(nèi)，中間用通道連接。燃油直接噴入副燃燒室內(nèi)。按照氣流運(yùn)動方式分為：渦流室和預(yù)燃室渦流室型副燃燒室呈球形，與主燃燒室通過相切的孔道相通結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通道與渦流室相切，產(chǎn)生壓縮渦流。噴油器安裝在渦流室中，順氣流方向噴射。混合氣形成方式：熱混合混合氣形成與燃燒（1）采用軸針式噴嘴=1mm，針閥開啟壓力9.8～12[MPa]。（2）渦流強(qiáng)空氣利用率（=1.1～1.3）。（3）n渦流強(qiáng)度高速性。（4）壓縮渦流、燃燒渦流使后期放熱大工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。（5）相對散熱面積，節(jié)流損失經(jīng)濟(jì)性，冷起動性。主要特點(diǎn)預(yù)燃室型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主燃燒室與副燃燒室相通的孔道直徑較小。通道個(gè)數(shù)多，截面積小，產(chǎn)生壓縮紊流。噴油器安裝在預(yù)流室中，燃油逆進(jìn)入預(yù)流室的氣流方向噴射。混合氣形成與燃燒主要特點(diǎn)（1）采用軸針式噴嘴，針閥開啟壓力7.8～12.8[MPa]。（2）紊流強(qiáng)混合氣形成改善。（3）節(jié)流作用大高速時(shí)，工作更加柔和、平穩(wěn)，噪聲更小。（4）低速性時(shí)易工作粗暴，噪聲大。（5）相對散熱面積，節(jié)流損失經(jīng)濟(jì)性。

不同燃燒室性能對比直噴式燃燒室分隔式燃燒室開式半開式渦流室預(yù)燃室混合氣形成方式空間霧化空間霧化兩段混合兩段混合空氣運(yùn)動進(jìn)氣渦流無或弱較強(qiáng)進(jìn)氣渦流擠壓渦流壓縮渦流二次渦流壓縮紊流燃燒渦流噴油器孔式（6~12）孔式（4~6）軸針式軸針式燃料霧化要求高要求較高要求較低要求較低啟動容易較容易難最難對燃料適應(yīng)性差較差較好好不同燃燒室性能對比直噴式燃燒室分隔式燃燒室開式半開式渦流室預(yù)燃室Pme高較高較低低be190~210~240235~275245~290NOX高較高低低PM較低高低低HC較低高低低燃燒噪聲最高較高低最低適應(yīng)轉(zhuǎn)速<=1500<=4000<=5000<=3500在缸徑大于200mm,轉(zhuǎn)速小于1000r/min的重型汽車、大型增壓柴油機(jī)上采用開式燃燒室。中、輕型車目前主要是渦流室和半開式的競爭。預(yù)燃室常用于要求噪聲特別低的特殊場合：礦井、潛艇。不同燃燒室性能對比6.2燃油噴射與霧化一、供油系統(tǒng)和噴射過程1、柴油機(jī)供油系統(tǒng)大、中型車泵-管-嘴供油系統(tǒng)輕型車用分配式噴油泵供油系統(tǒng)柱塞式噴油泵燃油供給系柱塞式噴油泵噴油泵噴油泵的主要作用是定時(shí)定量經(jīng)高壓油管向各缸的噴油器周期性地供給高壓燃油。噴油器噴油器頭部結(jié)構(gòu)

(a)(b)(c)(d)孔式（單孔）孔式（多孔）軸針式（標(biāo)準(zhǔn)）軸針式（節(jié)流）直噴式燃燒室分隔式燃燒室噴油器的主要作用是將噴油泵供給的高壓燃油噴入柴油機(jī)燃燒室，使燃油霧化成微細(xì)的油粒，并按一定的要求適當(dāng)?shù)胤植荚谌紵覂?nèi)。。噴油嘴的流通特性

噴孔有效流通截面積與針閥升程的關(guān)系針閥頭部圓錐部分的節(jié)流作用多層多孔噴油器

噴油泵節(jié)流作用

上行：當(dāng)3點(diǎn)與5點(diǎn)重合時(shí)，才開始供油。當(dāng)2點(diǎn)與4點(diǎn)重合時(shí)，既開始回油，停止供油

理論上（不存在節(jié)流）上行：當(dāng)3點(diǎn)不到5點(diǎn)時(shí)，由于通道小，節(jié)流，已經(jīng)開始供油。關(guān)閉進(jìn)油口時(shí)—供油提前。當(dāng)2點(diǎn)過了4點(diǎn)以后，通道小，節(jié)流，才開始回油，停止供油。開啟回油口時(shí)—供油持續(xù)。所以，實(shí)際供油比理論供油時(shí)間長，供油量大。噴油泵節(jié)流作用

實(shí)際上（存在節(jié)流）噴油泵速度特性

噴油泵油量控制機(jī)構(gòu)（齒條或拉桿）位置固定，循環(huán)供油量隨噴油泵轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。n節(jié)流作用循環(huán)供油時(shí)間循環(huán)供油量g車用：希望ngMe（例如：低速大負(fù)荷工況）噴油泵速度特性：ngMe。因此，噴油泵速度特性不適合于車用，必須進(jìn)行校正。車用的適應(yīng)性噴油泵速度特性校正尾部4條錐形槽，尺寸向閥頂逐減；出油閥減壓環(huán)帶凸緣與出油閥座內(nèi)孔有不同間隙；出油閥開節(jié)流小孔。ngMe。可使循環(huán)供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進(jìn)行調(diào)速器校正。即使經(jīng)過出油閥校正，柴油機(jī)的扭矩Me曲線仍比汽油機(jī)的平緩。1出油閥校正可變減壓容積和可變減壓作用噴油泵速度特性校正ngMe。在第七章發(fā)動機(jī)特性中介紹2調(diào)速器校正(1)噴射延遲階段(2)主噴射階段

(3)噴油結(jié)束階段噴射過程從噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程。整個(gè)噴油過程在全負(fù)荷工況下約占15o~40o曲軸轉(zhuǎn)角。整個(gè)噴射過程分為三個(gè)階段噴射延遲階段主噴射階段噴射結(jié)束階段供油始點(diǎn)A噴油始點(diǎn)B轉(zhuǎn)速越高，高壓油管越長，噴射延遲角越大噴油器端壓力急降C噴油器針閥完全落座D噴油時(shí)間由柱塞有效行程噴射結(jié)束應(yīng)干脆利落，還應(yīng)有一定殘余壓力單位時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的噴油量隨時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律。噴油規(guī)律影響放熱規(guī)律，放熱規(guī)律影響動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。噴油規(guī)律單位凸輪軸轉(zhuǎn)角(或單位時(shí)間)由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量稱為噴油規(guī)律。幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律單位凸輪軸轉(zhuǎn)角(或單位時(shí)間)由噴油泵供入高壓油路中的燃油量稱幾何供油規(guī)律。幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律兩者有何不同？兩者的差別主要原因(1)燃油的可壓縮性燃油在低壓時(shí)可視為不可壓縮流體，但是高壓（30~200MPa)時(shí)必須考慮其可壓縮性，高壓系統(tǒng)中壓力變化大(2)壓力波傳播滯后雖然壓力波傳播速度高達(dá)1200~1400m/s,仍有明顯的相位差。1m高壓油管在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)，相位差達(dá)10°曲軸轉(zhuǎn)角。(4)高壓容積變化兩者的差別主要原因(3)壓力波動高壓系統(tǒng)中壓力波傳播速度高達(dá)的反復(fù)反射和疊加會造成噴油規(guī)律和供油規(guī)律在形狀上產(chǎn)生差異。指高壓油管的彈性變形以及出油閥和針閥兩個(gè)彈性系統(tǒng)的影響。高壓系統(tǒng)壓力變化越大，管子內(nèi)徑越大，管路越長，容積變化越大。異常噴射現(xiàn)象a)二次噴射b)斷續(xù)噴射c)隔次噴射d)氣穴與穴蝕二次噴射高壓油管內(nèi)壓力波引起噴射時(shí)間霧化不良，燃燒不完全，補(bǔ)燃嚴(yán)重，排污，炭煙，零件過熱。在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下容易發(fā)生。減少二次噴射的方法減少高壓油管容積，增加高壓油管剛度增加噴孔直徑增加出油閥的減壓容積斷續(xù)噴射

噴油時(shí)間正常，但是某一瞬時(shí)噴油泵的供油量小于從噴油嘴噴出的燃油量，針閥在噴射過程中周期性跳動。針閥運(yùn)動次數(shù)，噴油嘴易磨損。主要發(fā)生在低速低負(fù)荷工況隔次噴射

低速、尤其是怠速時(shí)，油壓不足，壓不開針閥。下一循環(huán)時(shí)油壓聚足，壓開針閥噴射。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。氣穴與穴蝕

瞬間某一部位高壓油路中的壓力接近于零壓時(shí)，會產(chǎn)生油和空氣的氣泡，稱為氣穴。

氣泡在隨后的高壓下爆裂，氣泡的連續(xù)產(chǎn)生和爆裂會引起油管壓力在主噴射后高頻波動，對金屬表面形成沖擊，這種現(xiàn)象多次出現(xiàn)會導(dǎo)致疲勞損壞，稱為穴蝕。氣穴與穴蝕

氣泡的產(chǎn)生和破裂不但有可能產(chǎn)生穴蝕，還會造成供油不穩(wěn)定。消除氣泡的方法：在噴射結(jié)束后高壓油管內(nèi)應(yīng)具有一定的剩余應(yīng)力，如減少出油閥的減壓容積，但是過高的剩余壓力又會引起二次噴射。燃油的霧化

只有當(dāng)燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時(shí)，才有可能燃燒。接觸面積越大，可燃混合氣越多，燃燒越完善。1[ml]油滴：1個(gè)，d=9.7[mm]，S=245mm霧化2.99*107個(gè)，d=40[um]，S=15*106mm面積增大5090倍，燃燒反應(yīng)機(jī)會大大增加。油束特性噴注的形狀Ⅰ噴注橫截面上燃油分布Ⅱ噴注橫截面上油粒速度Β-錐角L-射程從幾何形狀和霧化質(zhì)量描述油束特性幾何形狀油束射程(又稱為貫穿距離)L

噴霧錐角β

油束的最大寬度B

霧化質(zhì)量

細(xì)微度—油滴平均直徑細(xì)：霧化好均勻度—油滴最大直徑―

油滴平均直徑勻：霧化好粒細(xì)均勻度好，粒粗均勻度差。對噴射系統(tǒng)的要求在各工況下避免出現(xiàn)不利的異常噴射現(xiàn)象能產(chǎn)生足夠的噴油壓力盡可能實(shí)現(xiàn)理想的噴油規(guī)律---先緩后急根據(jù)不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，各缸、各循環(huán)達(dá)到均量、均時(shí)燃油噴射過程的優(yōu)化

對噴油規(guī)律的基本要求1）“先緩后急，斷油迅速”2)盡可能減少噴油系統(tǒng)中的燃油壓力波動，以防止不正常噴射現(xiàn)象

6.3柴油機(jī)燃燒過程燃燒過程的特點(diǎn)1高壓噴油在氣缸內(nèi)部形成可燃混合氣。2壓縮自燃。燃燒必須具備的條件1可燃混合氣必須具有一定的溫度2可燃混合氣必須在一定的濃度范圍內(nèi)首先著火的地點(diǎn)不在最小油滴處，也不在油束核心濃度過高的部分，而是在油束核心與外圍之間混合氣濃度和溫度適度的地方。柴油機(jī)燃燒過程階段劃分A噴油開始B著火開始C最高壓力D最高溫度E燃燒結(jié)束1.著火延遲期著火延遲期又稱為滯燃期、著火落后期。從燃油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點(diǎn))至由于開始燃燒而引起壓力升高使壓力線明顯脫離壓縮線開始急劇上升(B點(diǎn))

噴油時(shí)缸內(nèi)溫度雖已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柴油的自燃溫度（可達(dá)400～800℃），但并不馬上著火。燃燒需要物理和化學(xué)準(zhǔn)備。著火延遲期長短會明顯影響該階段噴油量和預(yù)制混合氣量的多少，從而影響柴油機(jī)的燃燒特性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性以及噪聲振動，必須精確控制。在燃料十六烷值一定的情況下，影響著火延遲期長短的主要因素是燃燒室內(nèi)的溫度和壓力。右圖為溫度與壓力對著火延遲期的影響τi=0.0007～0.003[s]；對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為著火延遲角2.速燃期2點(diǎn)開始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。3—最高壓力點(diǎn)

壓力升高率dp／dφ從提高動力性和經(jīng)濟(jì)性的角度，希望dp／dφ大一些

dp／dφ過大會使柴油機(jī)工作粗暴，運(yùn)動零部件受到過大沖擊載荷，過急的壓力升高會導(dǎo)致溫度明顯升高，使氮氧化物生成量明顯增加。為兼顧柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，dp／dφ不宜超過0.4~0.5MPa／(°)，而為了抑制氮氧化物的生成，dp／dφ還應(yīng)更低。速燃期如何控制壓力升高率

縮短著火延遲期時(shí)間減少著火延遲期內(nèi)噴入的燃油的量你能想出哪些方法？燃料（十六烷值）；壓縮比；進(jìn)氣增壓；預(yù)熱；選用不同的噴油器等等3.緩燃期最高溫度達(dá)1700～2000℃，放熱量達(dá)70～80%。一般在上止點(diǎn)后20°～35°曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。噴油在這一階段停止。V，p，接近等壓燃燒。廢氣量，氧氣、燃油量燃燒。最高壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°~15°，柴油機(jī)最高壓力點(diǎn)出現(xiàn)的位置與哪些因素有關(guān)？最高壓力點(diǎn)3---最高溫度點(diǎn)4噴油提前角；著火延遲期和速燃期的長短緩燃期

出現(xiàn)柴油機(jī)燃燒所特有的“雙峰”現(xiàn)象未燃燃料與后噴入燃料高溫單階段著火燃燒，放熱速率再次加速

這一階段應(yīng)采取措施使后期噴入的燃油能及時(shí)得到足夠的空氣，盡可能地加速混合氣的形成，保證迅速而完全的燃燒，從而提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。4.補(bǔ)燃期補(bǔ)燃期在膨脹過程中。補(bǔ)燃期ηt↓，ge↑，動力性，冷卻水溫度，排氣溫度，排放差所以，應(yīng)盡量減少補(bǔ)燃。柴油機(jī)由于隨噴隨燃，混合時(shí)間短，補(bǔ)燃要比汽油機(jī)嚴(yán)重。高速、高負(fù)荷下由于過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒時(shí)間更短，后燃更為厲害。柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律瞬時(shí)放熱速率是指在燃燒過程中的某一時(shí)刻，單位時(shí)間內(nèi)(或l°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi))燃燒的燃油所放出的熱量；累積放熱百分比，是指從燃燒過程開始至某一時(shí)刻為止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。瞬時(shí)放熱速率和累積放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，稱為燃燒放熱規(guī)律

柴油機(jī)的燃燒放熱規(guī)律三要素燃燒放熱始點(diǎn)(相位)燃燒放熱持續(xù)時(shí)間燃燒放熱率曲線的形狀

理想的燃燒放熱規(guī)律及其控制放熱始點(diǎn)的位置要能保證最大燃燒壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后12°～15°。柴油機(jī)通過噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加以調(diào)控。

理想的燃燒放熱規(guī)律及其控制燃燒放熱持續(xù)時(shí)間首先取決于噴油持續(xù)角的大小，理論分析，最佳時(shí)間不超過上止點(diǎn)后40°曲軸轉(zhuǎn)角。

燃燒放熱曲線形狀：開始放熱適中，滿足運(yùn)轉(zhuǎn)柔和，隨后燃燒加快，尾巴盡量短。柴油機(jī)與汽油機(jī)燃燒性能對比

項(xiàng)目汽油機(jī)柴油機(jī)著火點(diǎn)燃，高溫單階段著火，單點(diǎn)著火壓燃，低溫多階段著火，多點(diǎn)同時(shí)著火燃燒火焰在均質(zhì)預(yù)混合氣中有序傳播，燃燒柔和兩階段燃燒，無序的非均質(zhì)預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，燃燒較粗暴后燃均勻混合，后燃期較短混合不均勻，后燃期較長放熱規(guī)律先緩后急，燃燒持續(xù)期較短直噴機(jī)燃燒放熱先急后緩，燃燒持續(xù)期較長6.4柴油機(jī)燃燒過程的影響因素

一、燃油噴射

氣流運(yùn)動

燃燒室形狀間的配合為提高經(jīng)濟(jì)性，希望有較大的過量空氣系數(shù)，但會導(dǎo)致動力性下降；

要保證在上止點(diǎn)附近迅速燃燒，以提高動力性，但會產(chǎn)生工作粗暴；

降低有害物NOx排放（O↑,T↑,NOx↑)，增加了微粒的排放和經(jīng)濟(jì)性下降。柴油機(jī)燃燒過程的要求之間是相互矛盾的

燃油噴射、氣流運(yùn)動、燃燒室形狀間的良好配合以半開式燃燒室為例若凹坑喉口直徑過小、油束射程過大、渦流較弱時(shí)-------穿透過度若凹坑喉口直徑過大、油束射程過小、渦流較強(qiáng)時(shí)-------穿透不足燃油噴射、氣流運(yùn)動、燃燒室形狀間的良好配合，是滿意的柴油機(jī)混合氣形成和燃燒的基本保證。二、運(yùn)轉(zhuǎn)因素對燃燒過程的影響燃料性質(zhì)轉(zhuǎn)速負(fù)荷供油提前角廢氣再循環(huán)壓縮比和增壓度1、燃料性質(zhì)燃料的十六烷值是衡量自燃性的指標(biāo)，十六烷值高，著火延遲期短。右圖看出，為使柴油機(jī)工作柔和，燃料的十六烷值應(yīng)在40~50之間。另外燃料的餾程、黏度對燃燒過程也有影響。直噴式燃燒室比分隔式燃燒室對燃油更為敏感。2、轉(zhuǎn)速1、轉(zhuǎn)速升高，散熱損失和活塞環(huán)的漏氣損失減少，使壓縮終了的溫度和壓力增高，以秒為單位的著火延遲期縮短；2、轉(zhuǎn)速升高，噴油壓力提高，改善燃油的霧化；以秒為單位的著火延遲期縮短；

轉(zhuǎn)速增加，應(yīng)加大供油提前角3、負(fù)荷

柴油機(jī)進(jìn)入汽缸的空氣量基本不隨負(fù)荷變化，而只調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，所以負(fù)荷調(diào)節(jié)為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。1、轉(zhuǎn)速一定，負(fù)荷增加，循環(huán)供油量增加，混合氣燃燒放出的熱量增加，有利于混合氣形成，著火延遲期縮短，發(fā)動機(jī)工作柔和；2、當(dāng)負(fù)荷增加，循環(huán)供油量增加以及燃燒時(shí)間變長，所以需要加大供油提前角。3、要想在各種工況下實(shí)現(xiàn)最佳供油提前角，只有在電控噴射系統(tǒng)。4、供油提前角1、供油提前角過大，柴油在汽缸壓力和溫度較低時(shí)進(jìn)入汽缸，使著火延遲期延長；著火燃燒后，活塞仍在上行，增加了壓縮負(fù)功，工作粗暴，經(jīng)濟(jì)性、動力性變差、NOx排放多；3、供油提前角過小，燃油不能在上止點(diǎn)附近及時(shí)燃燒，補(bǔ)燃量增加，微粒的排放增加；4、供油提前角對每一種工況柴油機(jī)均有一個(gè)最佳的供油提前角。此時(shí)在負(fù)荷不變的情況下，有效燃油消耗率最低。為了降低NOx和燃燒噪聲，一般調(diào)節(jié)供油提前角略小于最佳的供油提前角。最佳的供油提前角與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮比、燃料性質(zhì)、燃燒室、噴油規(guī)律等有關(guān)噴油提前角的影響

5、廢氣再循環(huán)

原理和作用：一部分排氣經(jīng)EGR閥還流回進(jìn)氣系統(tǒng)，稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，導(dǎo)致燃燒速度降低，同時(shí)還使新鮮混合氣的比熱容提高。兩者都造成燃燒溫度的降低，因而可以抑制NOx的生成。

廢氣再循環(huán)實(shí)際上降低了過量空氣系數(shù)，會對完善、及時(shí)的燃燒產(chǎn)生不利的影響，從而會使碳煙的排放增多、柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，特別是在高速、高負(fù)荷的工況更明顯（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，充氣效率下降），因此僅在低速、低負(fù)荷的一定范圍內(nèi)才摻入一定量的廢氣。6、壓縮比和增壓度

壓縮比提高，壓縮終了工質(zhì)的溫度和壓力增大，促使噴入的燃料加速霧化與蒸發(fā)，著火延遲期縮短，柴油機(jī)工作柔和，改善冷啟動性能。

柴油機(jī)增壓后，進(jìn)入汽缸的空氣密度大，進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度升高，著火延遲期縮短，柴油機(jī)工作柔和。柴油機(jī)與汽油機(jī)燃燒性能對比

項(xiàng)目汽油機(jī)柴油機(jī)著火點(diǎn)燃，高溫單階段著火，單點(diǎn)著火壓燃，低溫多階段著火，多點(diǎn)同時(shí)著火燃燒火焰在均質(zhì)預(yù)混合氣中有序傳播，燃燒柔和兩階段燃燒，無序的非均質(zhì)預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，燃燒較粗暴后燃均勻混合，后燃期較短混合不均勻，后燃期較長放熱規(guī)律先緩后急，燃燒持續(xù)期較短直噴機(jī)燃燒放熱先急后緩，燃燒持續(xù)期較長

6、5

柴油機(jī)電控柴油機(jī)電控技術(shù)是在解決能源危機(jī)和排放污染兩大難題的背景下產(chǎn)生。始于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代以來，英國盧卡斯公司、德國博世公司、奔馳汽車公司、美國通用的底特律柴油機(jī)公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十鈴汽車公司及小松制作所等都競相開發(fā)新產(chǎn)品并投放市場，國外的應(yīng)用率已達(dá)到60％～90％。一.柴油電控技術(shù)的發(fā)展

柴油機(jī)發(fā)展的三大里程碑

機(jī)械噴射技術(shù)柴油電控技術(shù)增壓中冷技術(shù)增壓中冷技術(shù)增壓---提高進(jìn)氣壓力，提高充氣效率，降低碳粒排放中冷---提高空氣密度和質(zhì)量，降低進(jìn)氣溫度，降低NOx排放當(dāng)增壓比大于2.5時(shí)必須加中冷采用電子控制燃油噴射及排放的柴油機(jī)即為電噴柴油機(jī)。電噴柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU(計(jì)算機(jī))和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。其任務(wù)是對噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)對噴油量以及噴油定時(shí)隨運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制。

何謂電噴柴油機(jī)

噴油量(供油齒條位置或電磁閥關(guān)閉持續(xù)時(shí)間)噴油正時(shí)(正時(shí)控制閥開閉或電磁閥關(guān)閉始點(diǎn))廢氣再循環(huán)閥預(yù)熱塞等轉(zhuǎn)速傳感器油門踏板位置噴油時(shí)刻進(jìn)氣溫度進(jìn)氣壓力燃油溫度冷卻水溫度等計(jì)算機(jī)ECU檢測的參數(shù)與已儲存的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)圖譜(MAP圖)進(jìn)行比較計(jì)算最佳值或目標(biāo)值執(zhí)行器柴油機(jī)電控技術(shù)電控柴油噴射與汽油噴射的區(qū)別相同點(diǎn)：都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器組成。不同點(diǎn)：汽油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃比(汽油與空氣的比例)，柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制噴油時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出油量的大小，且柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置(油門、供油拉桿位置)來決定的。柴油機(jī)電控技術(shù)兩個(gè)明顯的特點(diǎn)一是柴油噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜柴油機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點(diǎn)。其噴射壓力高達(dá)200MPa，為汽油機(jī)噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時(shí)的精度要求很高，相對于柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多

柴油機(jī)電控技術(shù)兩個(gè)明顯的特點(diǎn)二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化傳統(tǒng)的柴油機(jī)具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化;同時(shí)柴油機(jī)需要對油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。

柴油機(jī)電控技術(shù)優(yōu)點(diǎn)采用自動控制技術(shù)解決供油提前角自動調(diào)節(jié)問題，而且提高了柴油機(jī)的緊湊性。采用自動控制系統(tǒng)，可方便地與微型計(jì)算機(jī)相連，很容易實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能檢測與故障診斷功能。實(shí)現(xiàn)多功能的自動調(diào)節(jié)，從而保證柴油機(jī)動力性、燃料使用經(jīng)濟(jì)性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。電控柴油機(jī)分類第一代位置控制式第二代時(shí)間控制式柱塞泵脈動共軌噴油中壓共軌高壓共軌用電子伺服機(jī)構(gòu)代替機(jī)械調(diào)速器控制供油滑套位置以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)整。其特點(diǎn)是保留了傳統(tǒng)的噴油泵、高壓油管、噴油器系統(tǒng)，而且還保留了原噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的控制斜槽等。只是對齒條或滑套的運(yùn)動位置由原來的機(jī)械調(diào)速器控制改為計(jì)算機(jī)控制

第一代位置控制式較早的電控噴油泵技術(shù)噴油壓力非常高，可以達(dá)到200MPa，且泵和噴嘴裝在一起，所以只需很短的高壓油引導(dǎo)部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很小的預(yù)噴量，并采用了分段式預(yù)噴射，這是很符合柴油機(jī)的要求(大眾公司的TDI發(fā)動機(jī)就是使用這種技術(shù))。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速影響。電控泵噴嘴技術(shù)第一代位置控制式第一代位置控制式輸入信號：加速踏板位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、水溫感器、燃油溫度傳感器、起動開關(guān)反饋信號：套筒位置傳感器電控單元:分析處理計(jì)算發(fā)出噴油量及噴油提前角參數(shù)命令。執(zhí)行元件電動調(diào)速器時(shí)間控制器接受ECU指令精確控制噴油量和噴油提前角。位置控制電子控制分配式噴油泵日本電裝公司ECD-V1噴油泵（閉環(huán)系統(tǒng)）第二代時(shí)間控制式90年代后開發(fā)，利用高速強(qiáng)力溢流電磁閥來直接控制噴油始點(diǎn)和噴油量，一般情況電磁閥關(guān)閉噴油開始，電磁閥打開噴油終止，因此噴油始點(diǎn)取決于電磁閥的關(guān)閉時(shí)刻，噴油量取決于電磁閥關(guān)閉持續(xù)時(shí)間；同時(shí)通過變更電磁閥升程或改變電磁閥所控制的油壓來實(shí)現(xiàn)噴油率或噴油壓力的控制。第二代時(shí)間控制式保留傳統(tǒng)的柱塞往復(fù)運(yùn)動脈動供油，但是柱塞只起加壓、供油作用，取消了齒桿、齒圈、柱塞斜槽乃至出油閥等調(diào)節(jié)油量的結(jié)構(gòu)，直接由電磁閥控制油量與定時(shí)。（1）時(shí)間控制式柱塞脈動供油系統(tǒng)第二代時(shí)間控制式（2）時(shí)間控制式共軌噴油系統(tǒng)電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速影響，使用蓄壓的共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問題。將燃油以高壓（所需噴油壓）或中壓（10MPa）狀態(tài)儲存在共軌的容器中，利用電磁三通閥將共軌的壓力油引到噴油器中實(shí)現(xiàn)噴射。共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。可獨(dú)立地柔性控制噴油正時(shí)，配合高的噴射壓力，可同時(shí)控制NOx和微粒在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。柔性控制噴油速率變化，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，既可降低柴油機(jī)NOx，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。共軌式噴油系統(tǒng)的特點(diǎn)按照噴油高壓形成的不同，共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)有兩種基本形式

1．高壓共軌系統(tǒng)高壓供油泵直接產(chǎn)生高壓燃油后，輸送至共軌中消除壓力的脈動，再分送到各噴油器；當(dāng)電子控制裝置按需要發(fā)出指令信號后，高速電磁閥迅速打開或關(guān)閉，進(jìn)而控制噴油器工作，即按設(shè)定的要求噴出或停噴高壓燃油。共軌式電控燃油噴射的形式

中壓輸油泵將中壓燃油輸送到共軌中消除壓力的脈動，再分送至帶有增壓柱塞的噴油器中；當(dāng)高速電磁閥開關(guān)閥接收到電子控制裝置發(fā)送的指令信號后，就迅速開啟或關(guān)閉，從而控制燃油器工作，隨即通過高壓柱塞的增壓作用，將從共軌中來的中壓燃油加壓至高壓后噴出或停噴。

2．中壓共軌系統(tǒng)油軌壓力閉環(huán)控制回路共軌腔壓力不受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響高壓共軌噴油的核心部件---噴油器針閥關(guān)閉針閥打開，節(jié)流孔控制液壓活塞上腔泄油的速率，獲得較低的初始噴油率柴油噴射系統(tǒng)控制單元J248自診斷故障報(bào)警燈K83預(yù)熱報(bào)警燈K29進(jìn)氣壓力傳感器G71和進(jìn)器溫度傳感器G72EGR閥N18發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器G28冷卻液溫度傳感器G62預(yù)熱塞Q6預(yù)熱塞繼電器J52油量調(diào)節(jié)器N146

供油提前角調(diào)節(jié)閥N108調(diào)節(jié)活塞位置傳感器G149燃油溫度傳感器G81預(yù)熱塞繼電器J52針閥升程傳感器G80加速踏板位置傳感器G79三、電控柴油機(jī)的組成自診斷接口離合器踏板開關(guān)F36制動踏板開關(guān)F47制動燈開關(guān)F(一)傳感器及其它信號輸入裝置1．加速踏板位置傳感器加速踏板位置傳感器用以檢測加速踏板的位置，即發(fā)動機(jī)的負(fù)荷信號，此信號輸入ECU后，與轉(zhuǎn)速信號共同決定柴油機(jī)的噴油量及噴油提前角，是柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的主控制信號。2．轉(zhuǎn)速傳感器、曲軸位置傳感器

用以檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或曲軸位置，與加速踏板位置傳感器共同決定噴油量和噴油提前角，是柴油機(jī)電控系統(tǒng)的主控制信號。(一)傳感器及其它信號輸入裝置3．泵角傳感器

檢測噴油泵軸轉(zhuǎn)角，與曲軸位置傳感器配合共同控制噴油量，并保證在噴油正時(shí)改變時(shí)不影響噴油量。4．溢流環(huán)位置傳感器

檢測溢流控制電磁鐵的電樞位置，以反饋控制溢流環(huán)的位置。5．正時(shí)活塞位置傳感器

檢測電子控制定時(shí)器正時(shí)活塞的位置，將噴油正時(shí)提前量信號輸入ECU。6．控制桿位置傳感器

檢測電子控制柱塞式噴油泵調(diào)速器中控制桿的位置，將燃油噴射量的增減信號反饋給ECU。7．控制套筒位置傳感器

檢測電子控制分配式噴油泵調(diào)速器中控制套筒的位置，將燃油噴射量的增減信號反饋給ECU。8．著火正時(shí)傳感器

檢測燃燒室開始燃燒的時(shí)刻，修正噴油正時(shí)。(一)傳感器及其它信號輸入裝置9．冷卻水溫度傳感器檢測發(fā)動機(jī)冷卻水溫度，修正噴油量及噴油正時(shí)。10．進(jìn)氣壓力傳感器

檢測進(jìn)氣壓力，以修正噴油量及噴油正時(shí)。11．進(jìn)氣溫度傳感器

檢測進(jìn)氣溫度，以修正噴油量及噴油正時(shí)。12．E／G開關(guān)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火開關(guān)，向ECU輸入發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)信號。(一)傳感器及其它信號輸入裝置13．A/C開關(guān)空調(diào)開關(guān)，向ECU輸入空調(diào)工作狀態(tài)信號，是怠速控制信號之一。14．動力轉(zhuǎn)向油壓開關(guān)

檢測動力轉(zhuǎn)向管路油壓的變化，所獲信號是怠速控制信號之一。15．空擋起動開關(guān)向ECU輸入自動變速器是否處于空檔位置的信號，是怠速控制信號之一。(一)傳感器及其它信號輸入裝置豐田車柴控系統(tǒng)的傳感器與控制項(xiàng)目（二）電子控制單元其核心是單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)包括一些輸入輸出接口電路等。它們與系統(tǒng)中的軟件一起，負(fù)責(zé)信息的采集、處理、計(jì)算決策、執(zhí)行程序，并將運(yùn)行結(jié)果作為控制指令輸出到執(zhí)行器。此外，還有一種通訊的功能，即和其他的控制系統(tǒng)，如傳動裝置控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，同時(shí)考慮到汽車其它系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況，適當(dāng)修正噴油系統(tǒng)的執(zhí)行指令，即適當(dāng)修正噴油量、噴油提前角等等，與此同時(shí)還可以向其他的控制系統(tǒng)輸送必要的信息。（三）執(zhí)行器柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的執(zhí)行器也是由執(zhí)行電器和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，其功用是根據(jù)控制單元送來的執(zhí)行指令，調(diào)節(jié)噴油量和噴油正時(shí)等，從而調(diào)節(jié)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。主要有：電動調(diào)速器、溢流控制電磁鐵、電子控制正時(shí)控制閥、電子控制正時(shí)器、電磁溢流閥、高速電磁閥、電子液力控制噴油器等。這些執(zhí)行器實(shí)質(zhì)上是電磁鐵、螺旋管、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和力矩電機(jī)等電器。四、柴油機(jī)電控系統(tǒng)的主要控制功能1．噴油量的控制2．怠速轉(zhuǎn)速等的控制3．起動噴油量的控制4．各缸噴油量不均勻的修正5．噴油定時(shí)的控制6．排氣再循環(huán)(EGR)噴油量的控制是柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的一項(xiàng)主要控制內(nèi)容。ECU計(jì)算機(jī)根據(jù)