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§6-2柴油机的燃烧过程§6-3燃油喷射和雾化§6-4混合气的形成和燃烧室§6-5燃烧过程的影响因素§6-6柴油机的排放控制技术§6-1柴油机能量转换特点柴油机以，循环热效率。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：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粗暴;发动机性能放热规律喷油规律混合气形成§6-2燃烧过程一、燃烧阶段的划分由示功图分为四个阶段：1、着火延迟期（i）：喷油开始~压力脱离压缩线；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，dp/d，NOx，粗暴影响因素：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2、速燃期：压力脱离压缩线~最高压力点pz在i内形成的可燃混合气同时燃烧预混合燃烧特点：p、T，pz13MPa以上，影响NOx评价粗暴程度：平均压力升高率影响因素：i内形成的可燃混合气量i内喷入量/5.0~4.0MPapppbcbc3、缓燃期：最高压力点~最高温度点喷射过程结束，边喷边燃烧扩散燃烧阶段；主要影响碳烟排放。特点：空气量减少，燃烧产物，活塞，燃烧缓慢不均匀混合气的燃烧空燃比偏大，才有可能完全燃烧空气利用率低，PL，比重量汽油机。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。4、补燃期：Tmax~基本燃烧完释放总放热量的95%~99%时，补燃期结束。燃烧时间短促，混合气不均匀；膨胀中燃烧后燃；高速大负荷时严重。特点：p,气缸V散热损失，排温；热效率尽可能减小补燃期二、燃烧放热规律：放热速率随时间（曲轴转角）变化规律；组织燃烧过程的关键影响性能、排放。瞬时放热率：燃烧过程中任一时刻，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：瞬时累计放热百分比放热率ddQddWddUddQddQddQWWB放热率工质吸热率传热率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2110dddQHgQQxBubBB工质的做功能力：燃烧期间工质质量m变化很小，故令dTmcmdudUv对工质的加热率：ddWddUddQ工质对活塞做功：pdVdW,mRTpV又,vpccRvpcck燃烧后气缸压力变化率：ddVVpkddQVkddp1dp/d(工质做功能力)，与燃烧规律和膨胀速率有关控制燃烧过程放热规律的三要素：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和振动噪声CO和HC的生成机理与汽油机相同，但a1，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。CO21)NOx的生成机理:根据燃料及其混合气形成方式分为：热力NO(ThemalNO)和快速NO（PromptNO）热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机快速NO生成条件：浓混合气燃烧火焰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，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应的结果。热力NO是在火焰下游区产生；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。危害：1）与HC一起产生光化学烟雾——植物枯死2）破坏地球大气层（O3层）不完全燃烧燃料分子空气分子碳核的形成中间产物凝集+表面生长微粒微粒核粒子状生成锁状、结合+表面生长微粒分子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；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：高温环境下热分解形成低级碳氢化合物没有与空气再接触的部分最终变成微粒。生成条件：高温缺氧；缺氧：空燃比为5.25~5.65的比较浓的狭窄范围；接近火焰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/%粒径分布高温：在预混合火焰温度2000~2400K范围内出现峰值；在扩散火焰区缺氧未氧化PM。T2400K时：PMC原子不易凝聚；已形成的碳烟氧化。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危害：致癌物；大气可见度24002200200018008006004002000-20TDC204060x=29y=0z=0xz采样位置TfpNOxCO2SootCO86402015105000.51.01.51234曲轴转角/°CANO/10-6火焰温度Tf/K气缸压力p/MPaCO.CO2摩尔分数/%Soot摩尔分数/%当量比图7-4柴油机排放物随曲轴转角位置的变化规律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因此，组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。一般，加速碳烟氧化的措施，使NOx。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/K图7-5柴油机NOx和微粒生成领域具体措施：促进碳烟的氧化过程组织燃烧室内的气流运动，促进紊流混合；促进喷雾的微粒化高压喷射。PM控制的基本原理：由PM和NOx形成领域，控制火焰领域内混合气的浓度和温度。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EGR：TzVNT（VGS）；四、柴油机排放控制策略抑制与混合燃烧过程NOx，促进扩散燃烧PM五、柴油机的燃烧噪声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：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。燃烧噪声大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。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形成和着火燃烧条件。压缩温度和雾化条件冷起动时温度和n最低燃料雾化不良冷起动困难。即T0低Tc低，传热损失大，喷雾雾化差；n低，漏气，造成Tc、pc降低，不利于自燃。六、冷起动特性低温冷起动(怠速)时，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。§6-3燃油喷射和雾化一、对燃料喷射系统的要求喷雾在时间空间上形成喷射压力的产生喷射量、喷射时期的控制喷油器喷油泵控制系统通过各自独立的特性，求得最佳配合构成合理的喷射系统喷雾在时间空间上形成影响及变化产生喷射压力，确定喷射量喷油器喷油泵喷射量、喷射时期的控制调速器、供油提前装置分配管图7-9对喷射系统的要求（a）（b）图7-7对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放热规律喷油器、喷油泵、ECU相互独立构成:控制自由度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高压电控：高压共轨（C-R）喷射压力200MPa泵喷嘴单体泵喷射压力：18~26MPa现代车用柴油机喷射系统的要求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在极短时间内，喷油规律的自由控制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最佳匹配。适应高效率低排放燃烧方式的要求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几何形状：贯穿距离L；贯穿率和喷雾锥角或B贯穿率：油束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距离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。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油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。烟度0粒径10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。细度用油束中液滴的平均直径表示，该值越小雾化质量越好1）位置式喷射系统1.位置式喷射系统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、喷射系统图4-10VE型分配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直列泵供油量控制：通过驾驶员/调速器调节油量控制环套位置来完成机械式喷油泵VE型分配泵：一个柱塞，与固定在一起的端面凸轮盘一同旋转图7-32位置控制方式电控分配泵1-线性电磁阀2-转速传感器3-定时器位置传感器4-定时控制阀5-滑套位置传感器12345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。控制：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TICS泵的泵油原理油量控制杆位置由电子调速器控制油门开度通过传感器传送到ECU判定工况控制MAP图反馈控制控制杆位置喷油量控制精度。图7-53TICS泵的供油原理供油规律影响喷油规律，但不同缺点：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：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：喷油开始~喷嘴端压力开始急剧下降喷油结束阶段：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降低喷油器端油压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；出现不正常喷射现象：•二次喷射；喷油压力波动•滴油现象；高压密封•断续喷射；针阀周期跳动•隔次喷射；2循环喷1次机械式与电控式的区别：调速器：机械式——机械；电控式——数据调速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——可调图4-55ECD—U2系统示意图2）时间-压力式电