内燃机第六章.

第六章柴油机混合气形成与燃烧第六章柴油机混合气形成与燃烧柴油机的混合气形成方式柴油机的燃烧过程柴油机的排放控制柴油机燃烧室柴油的蒸发性和流动性差，混合气缸内形成过量空气系数较大喷油持续时间极短，只有15~35゜CA,n=1500r/min时只有1.7ms~4ms柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是适当的空气运动一、柴油机的混合气形成特点二、混合气形成的基本方式混合气形成的主要形式：空间雾化混合和油膜蒸发混合二、混合气形成的基本方式空间雾化混合油膜蒸发混合1.大部分燃料喷散雾化，并分布到空气中2.燃料在空气中是细小油滴3.细小油滴与热空气混合，小油滴的高温下蒸发，形成不均匀的混合气4.在着火延迟期间形成的可燃混合气数量较多，多处着火5.燃烧开始时的放热速度很高，以后逐渐减慢1.利用强烈的空气涡流将大部分燃料涂布到壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜受壁温影响在较低温度下蒸发，然后燃料蒸气与空气混合，形成均质混合气4.散布在空气中的少量雾化燃油局部着火5.初期放热速率不高，而随着燃烧进行，火焰辐射使蒸发增强加上热力混合作用，中、后期的燃烧速度很快实际上，在柴油机中这两种混合方式同时存在，兼而有之三、柴油机气缸内的空气运动分类：涡流、滚流、挤流1）进气涡流在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动。进气涡流的强度由进气道形状和发动机转速决定。三、柴油机气缸内的空气运动上图：产生进气涡流的方法a导气屏b切向气道c螺旋气道2）压缩挤流在压缩过程后期，活塞顶上方环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的径向或横向的气流运动。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙（活塞顶隙）大小决定三、柴油机气缸内的空气运动膨胀时逆挤流三、柴油机气缸内的空气运动3）滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气缸的轴线旋转的有组织的空气旋流动画演示（点击动画即开始播放）第六章柴油机混合气形成与燃烧柴油机的混合气形成方式柴油机的燃烧过程柴油机的排放控制柴油机燃烧室一、着火的条件和特点着火的基本条件形成的燃料蒸气与空气的混合气空燃比要在着火界限内。混合气过浓，氧分子少，混合气过稀，则燃料分子少，这两种情况的氧化反应速率都不够高，不能形成燃烧。一种燃料的着火界限不是一成不变的，而是随着温度的升高，分子运动速率增加，反应速率加快，着火界限也有所扩大。可燃混合气必须被加热到自燃温度以上才能着火，低于这一温度，燃料就不能着火。不同燃料的自燃温度是不同的，它反映燃料的自燃性能，但燃料的自燃温度还与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。着火地点在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。混合气浓度温度条件适合的地方不止一个，因此可以是多点同时着火。不同循环的火核形成点也不一定相同，但由于多点着火，循环变动小。混合气过浓或过稀火焰传播将中断，与此同时新的火核和火焰前锋不断形成。一、着火的条件和特点特点：二、燃烧过程根据燃料和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可分成预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段1滞燃期(AB段)2急燃期BC段3缓燃期CD段4后燃期DE段从燃料喷入气缸到压力线脱离压缩线，开始急剧升高这一段燃前准备时间。形成可燃混合气滞燃期过长，压力升高率和最高燃烧压力高，柴油机工作粗暴。滞燃期过短，扩散燃烧增加，易恶化柴油机性能和颗粒排放。影响因素：压缩温度，压力，喷油提前角，转速以及燃料性质等。二、燃烧过程着火延迟期（滞燃期）预混合燃烧期，大面积多点着火，燃烧极快，压力陡升压力升高率dp/dφ平均压力升高率不宜超过0.4MPa/CA控制对策：滞燃期中的混合气生成量和着火时间，亦即喷油速率和混合速率二、燃烧过程急燃期)()(BCBCppp扩散燃烧期，燃料边蒸发混合边燃烧，从压力急剧升高的终点C到压力急剧下降的始点D缸内温度和压力高，扩散燃烧速率取决于混合物形成速率，相对缓慢，气缸工作容积不断增加，缸压变化缓。出现柴油机燃烧特有的“双峰”现象控制碳烟排放的重要环节二、燃烧过程缓燃期少量柴油的后续燃烧膨胀行程的中后期，膨胀比低，做功能力小。增加排温和向冷却水的散热损失，使发动机的热负荷增加，经济性下降。二、燃烧过程后燃期缩短后燃：燃油充分雾化，加速混合，以加快缓燃期内的燃烧气缸内良好的着火条件保证可靠着火（可燃混合气适合着火的浓度和温度）尽量缩短着火延迟期，减小着火延迟期内的喷油量和混合气形成量，降低急燃期内的放热速率，降低急燃期的压力升高率和最高压力尽量改善和加速缓燃期中燃料与空气的混合，提高扩散燃烧速率，使燃烧尽量在上止点附近完成，减少后燃理想放热规律：先缓后急二、燃烧过程1）燃料性质柴油十六烷值越高，自燃性越好，滞燃期越短2）喷油规律：喷油提前角和不同时期的喷油量三、影响燃烧过程的因素3）转速燃烧室内的空气运动对滞燃期的影响（右图）最佳喷油提前角随转速的升高增大低，混合气质量差；高，充量效率低4）负荷柴油机功率调节是“质调节”负荷增加滞燃期缩短，工作柔和，但喷油持续时间延长，后燃增加三、影响燃烧过程的因素－－－直接喷射(无涡流)----涡流室燃烧噪声（机械噪声、进气噪声、排气噪声）四、着火延迟与燃烧噪声燃烧噪声的大小与气缸压力升高率dp/dφ成正比，dp/dφ大则表示急燃期预混合燃烧量多降低柴油机的燃烧噪声合适的压力升高率dp/dφ滞燃期内形成的可燃混合气适量优化燃油喷射方式（如二次喷射）选用十六烷值高的燃料，缩短滞燃期五、柴油机的冷启动气缸内压缩始点温度下降，气缸壁传热增大以及由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降。在低温时燃料粘度增大以及起动转速低从而使燃料的蒸发和雾化恶化，影响混合气的形成。冷起动的难易也是柴油机的一个重要性能指标。柴油机冷起动困难主要原因：柴油机顺利起动条件：压缩温度必须足够高,≥ctmintmint－自燃温度。－压缩终点温度。ct必须形成易于着火的混合气五、柴油机的冷启动改善措施：尽可能提高压缩比，或采用进气加热高压喷射强制雾化第六章柴油机混合气形成与燃烧柴油机的混合气形成方式柴油机的燃烧过程柴油机的排放控制柴油机燃烧室CO、HC、NOx、碳烟一、柴油机有害排放物的生成机理一、柴油机的排放特点CO和HC相对均燃的汽油机来说要少得多。碳烟soot/微粒PM排放高。NOX排放与汽油机在同一数量级。NOx与PM排放存在Trade–off关系。瞬时NO的形成：在较浓混合气条件下，燃料分解成CH、CH2和C2等基团，与N2反应：火焰中存在大量O、OH基团，与上述产物反应：2222HCNOHCNHOCNOCONOCNOCONNHOHNHONHONOHNOHNOHNONOO22222CHNHCNNCHNHCNNHCN2CN一、柴油机有害排放物的生成机理一、柴油机有害排放物的生成机理局部过量空气系数α1，主要生成热力NO局部过量空气系数0.7α1,两种NO共存局部过量空气系数α0.7，主要生成瞬时NO抑制瞬时NO措施：改善混合一、柴油机有害排放物的生成机理2.碳烟生成机理：微粒：由在燃烧时生成的含碳粒子（碳烟）及其表面上吸附的多种有机物组成，后者称为有机可溶成分（SolubleOrganicFractions,SOF）（1）碳烟的生成过程起始阶段（形成PAH和生成组分）生长阶段（表面生长和凝结生长）氧化阶段（碳粒，前驱物以及生长组分在适当条件下氧化成惰性产物）一、柴油机有害排放物的生成机理（2）碳烟的生成条件：缺氧（局部α0.6）高温（1700~2200K）-75-50-2502550751001250246810CalculatedMeasuredn=1000r/minSOI=-8oATDCFueldeliverypercycle=45mgsoot/(g/kg-fuel)CrankAngle/oCA-75-50-250255075100125024681012n=1000r/minSOI=-8oATDCFueldeliverypercycle=45mgSoot/g/kg-fuelCrankAngle/oCACalculatedMeasured排气中碳烟浓度：生成和氧化综合作用的结果一、柴油机有害排放物的生成机理（3）碳烟生成的特点：（4）碳烟的控制：提高火焰温度控制火焰区内的混合气浓度二、柴油机排放的机内控制降低预混合燃烧阶段的放热速率加快扩散燃烧速率（1）电控高压喷射技术：改善燃油雾化及其与空气的混合二、柴油机排放的机内控制平缓增加快速增加迅速断油喷油时间喷油速率初期缓慢、中期急速、后期快断预喷射、主喷射、后喷射（2）推迟喷油：缩短着火延迟期，并配合高压喷射、气流运动，缩短燃烧持续期，降低NOx（3）燃烧室设计：二、柴油机排放的机内控制小型高速柴油机燃烧室：：重载柴油机燃烧室（4）排气再循环（EGR）：降低燃烧温度，控制NOx二、柴油机排放的机内控制二、柴油机排放的机内控制（5）增压中冷技术：NOx和碳烟排放降低-40-200204060800.04.0x10-108.0x10-101.2x10-91.6x10-92.0x10-92.4x10-92.8x10-93.2x10-93.6x10-9IntakePressure1.0bar1.5bar2.0barNOx/kgCrankAngle/oCA-40-30-20-100102030400.05.0x10-101.0x10-91.5x10-92.0x10-92.5x10-9IntakePressure1.0bar1.5bar2.0barSoot/kgCrankAngle/oCA二、柴油机排放的机内控制（6）新概念燃烧微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤体的再生柴油机微粒捕集器（1）微粒捕集器（DieselParticulateFilter,DPF）目前公认的有效的柴油机微粒后处理技术,它利用过滤体对排气中的PM进行过滤处理。三、尾气排放的后处理过滤材料：宜采用多孔介质或纤维过滤材料对排气进行过滤，目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷。三、尾气排放的后处理对过滤材料的要求高的微粒过滤效率低的排气阻力高的机械强度和抗振动性能抗高温氧化性耐热性与耐腐蚀性除去微粒捕集器内沉积的微粒的过程称为再生。三、尾气排放的后处理主动再生系统是通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧，达到再生过滤的目的。被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到在生微粒捕集的效果。再生系统主动再生系统被动再生系统主动再生系统喷油助燃再生系统电加热再生系统微波加热再生系统红外加热再生系统反吹再生系统三、尾气排放的后处理被动再生系统大负荷再生排气节流再生催化再生燃油添加剂再生（2）氧化催化后处理（DieselOxidationCatalyst，DOC）可以氧化微粒中大部分的SOF，使SOF下降40％～90％。柴油机氧化催化器(DOC)以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂。三、尾气排放的后处理催化剂的表面活性作用是利用排气热量激发；当排气温度低于150℃时，催化剂基本上不起作用；随着负荷增加，排气温度升高，SOF被氧化，使微粒排放下降,CO和HC净化率也增加;只要不超过催化剂允许的最高温度，净化反应就能顺利进行三、尾气排放的后处理（3）NOx还原催化转化器第六章柴油机混合气形成与燃烧柴油机的混合气形成方式柴油机的燃烧过程柴油机的排放控制柴油机燃烧室直喷式燃烧室1）开式燃烧室－浅坑型混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的分布程度,进气无涡流或弱涡流;采用多孔喷嘴和较高的喷油压力;喷雾与燃烧室形状相配合α=1.6~2.2特点：结构简单，F/V小，热损失小，节流损失小，起动性好，经济性好，热负荷低；但工作粗暴，NOx高，碳烟高。如：浅ω型燃烧室。大缸径柴油机