第五章压燃式内燃机低排放设计

南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计低排放燃烧室设计低排放燃油喷射系统气流组织和多气门技术排气再循环增压与排放南昌大学机电学院第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机设计的低排放考虑柴油机的CO和HC排放量较汽油机少得多，但NOx与汽油机在同一数量级，而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此，设计低排放柴油机，重点是控制NOx与微粒，其次是HC。降低微粒和碳烟排放（柴油机排气冒黑烟问题至今还没有完全解决）与改善柴油机燃烧过程是一致的，不过NOx排放往往与之矛盾（仍是现在面临的技术难题）。现今面临的技术挑战南昌大学机电学院低排放的空燃比考虑第五章压燃式内燃机低排放设计柴油机造成污染物排放的根本原因在于油气混合不好（尽管柴油机平均a一般都在1.3以上）。混合不好导致局部缺氧，使碳烟大量生成。同时存在很多a=1.0-1.2的高NOx生成区。所以低排放柴油机的设计要围绕改善油气混合这一中心任务，防止局部a＝1.0-1.2（这有利于NOx生成）和低于0.6（这有利于碳烟生成）。低排放设计要点的讨论方面从进气系统、燃油系统和燃烧室等方面讨论南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃油混合后进行燃烧的地方，所以燃烧室几何形状和尺寸对柴油机的性能和排放具有重要影响。柴油机(按燃烧室设计形式分)非直喷式柴油机直喷式柴油机南昌大学机电学院非直喷式燃烧系统非直喷式燃烧室往往有主、副燃烧室二部分，燃油首先喷入副燃烧室内进行混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。非直喷式燃烧室(按燃烧室构造分)涡流室式燃烧室预燃室式燃烧室§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式涡流式室燃烧室:作为副燃烧室的涡流室设置在气缸盖上，主燃烧室由活塞顶与气缸盖之间的空间构成。主、副燃烧室之间有一通道柴油机在压缩过程中，气缸内的空气受活塞挤压，经连接通道导流并进入涡流室，形成强烈的有组织的压缩涡流（一次涡流）。涡流室式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段的浓混合气抑制了NOx的生成和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次涡流又加速了燃烧，促使碳烟的快速氧化，因而NOx和微粒排放都比较低，即使大负荷时烟度一般也是BSU3。非直喷式燃烧系统南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式预燃室式燃烧室：燃烧室由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个（图（a））或数个（图（b））孔道相连。（a）预燃室倾斜偏置,单孔道（b）预燃室中央正置,多孔道（c）预燃室侧面正置,单孔道预燃室式燃烧室的工作原理与涡流室式燃烧室相似，都是采用浓、稀两段混合燃烧。由于预燃式燃烧室的通孔方向不与预燃室相切，所以在压缩行程期间预燃室内形成的是无组织的紊流运动，这是与涡流室的主要区别。非直喷式燃烧系统南昌大学机电学院直喷式燃烧系统直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。常见的有代表性的结构如图所示，分别为浅盆形（a）、深坑形（b、c）和球形（d）。§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式浅盆形燃烧室混合气形成特点整个燃烧室是由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一容积，燃油直接喷入气缸，混合气形成是空间混合。1）混合气形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求高。为此采用多孔喷嘴，孔数较多，为6~12个；喷孔直径很小，在0.2~0.4mm之间；针阀开启压力较高，为20~40MPa，最高喷油压力甚至高达100MPa以上。浅盆形燃烧室：在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑。南昌大学机电学院2）要求油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间。四冲程柴油机一般是在活塞顶上做成浅的形状或浅盆形与油束配合，并避免油束直接接触气缸壁，因为气缸壁温度较低，燃油喷到气缸壁上不但不能迅速蒸发燃烧，而且燃油可能沿缸壁流入曲轴箱，稀释润滑油并使它变质。3)燃浇室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合如图5-56所示。浅盆形燃烧室混合气形成特点4）燃烧室基本上是一个空间，形状简单，结构紧凑，相对散热面积小。传热损失小；又由于燃烧室中不组织气流运动，无节流损失，因此浅盆形燃烧室的最大优点是经济性好，容易起动。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式5）由于是均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此燃烧室内燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴；而且燃烧直接在活塞顶上进行，使运动零件直接承受较大的机械负荷，燃烧温度高，NOx和排气烟度高。浅盆形燃烧室混合气形成特点（缺点）6)对转速和燃料较敏感，因为喷雾质量随转速而变，转速降低，燃油雾化质量变差，而燃料品质改变也会影响混合气形成和燃烧，如燃油粘度大，则燃料雾化不好，使滞燃期增加dp/dφ增大。南昌大学机电学院浅盆形燃烧室主要应用在大型柴油机7)过量空气系数较大，一般1.6~2.2。这是因为混合气形成主要靠喷雾质量，为了保证燃烧，需要用较大的过量空气系数；此外，大型发动机一般都采用增压，缸径大加之增压使每循环供油量较大，而相对散热面积Fk/Vk又较小，因此燃烧室热负荷较高。为了减轻热负荷，也需要过量空气系数用得较大一些。由上可见，大型柴油机应用浅盆形燃烧室，燃烧本身的问题不大，并且随着缸径的增大和增压比的提高，烟度、dp/dφ、pz/pme和NOx均相对减小，优点能充分发挥出来，而缺点并不突出，因而对这类柴油机主要解决热负荷、机械负荷、燃油系统及高增压问题。一、燃烧方式浅盆形燃烧室混合气形成特点（缺点）南昌大学机电学院直喷式燃烧系统浅盆形燃烧室虽然有经济性好、易于起动的优点，但在小型高速柴油机上应用就会碰到许多问题。1）转速高(有的高达4000r／min)，混合气形成和燃烧的时间极短，每循环供油量又很小，单靠雾化混合，则必须将喷孔直径做得很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。2）由于转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。显然浅盆形燃烧室达不到这一要求，于是出现了有涡流的深坑形燃烧室。深坑形燃烧室：如图所示，将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，这样燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积及活塞顶上的余隙容积，采用4~6孔的多孔喷油器，喷孔的直径较大(0.35mm左右)。南昌大学机电学院混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室对燃油系统的要求较低。由于利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数为1.3－1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式深坑形燃烧室：南昌大学机电学院ω形燃烧室ω形燃烧室在活塞顶部设有比较深的凹坑，其底部呈ω形，目的是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气。燃烧室内的空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。挤流口形燃烧室挤流口形燃烧室采用了缩口形的燃烧室凹坑。其燃烧过程较柔和，挤流口抑制了较浓的混合气过早地流出燃烧室凹坑，使初期燃烧减慢，压力升高率较低，因此NOX排放较ω形燃烧室低。深坑燃烧室ω形燃烧室挤流口形燃烧室直喷式燃烧系统涡流挤流南昌大学机电学院直喷式燃烧系统§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式球形燃烧室：球形油膜燃烧室是在活塞上，形状为球形，如图5-68所示。球形燃烧室是属于深坑形燃烧室的一种，但其混合气主要是油膜蒸发混合形成。南昌大学机电学院将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁温控制在200~350℃，使喷到壁面上的燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解反应。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气，从油束中分散出来的一小部分燃料是极细的油雾，在炽热的空气中首先完成着火准备，形成火核，然后靠此火核点燃从壁面已蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。混合气的形成球形燃烧室：南昌大学机电学院球形燃烧室采用油膜蒸发混合最显著的效果是：发动机工作柔和，燃烧噪声小，NOx和碳烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。此外，球形油膜燃烧室便于使用轻质燃料，从柴油机到汽油机都能平稳运转。优点1)冷起动比较困难，这是因为空间雾化燃料少，起动时燃烧室壁温低，壁面蒸发混合少，对起动不利。2)对负荷突变反应慢，主要是空气涡流跟不上。3)低负荷时冒蓝烟，HC大量增加。4)高、低速性能差别大。5)对增压适应性差，因每循环供油量增大将使油膜变厚，影响混合气形成的速率。6)在大缸径上应用困难。因为当缸径增大时，每循环供油量增多，而燃烧室的相对表面积减小，使油膜变厚，影响混合气形成速率。目前球形燃烧室应用的缸径在75~130mm范围内，主要应用在小型高速柴油机上。缺点南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式从应用的角度考察：过去：重型车用柴油机和其他大型柴油机大多采用直接喷射燃烧方式的原因：这种燃烧方式的流动损失和散热损失较小，燃油消耗率相对较低。轿车和轻型车用柴油机大量采用非直接喷射燃烧方式的原因：直喷式柴油机对高转速适应性较差，对燃油喷射系统要求较高，对燃油要求较严。现在：1）现代直喷式柴油机已经完全满足轻、轿车的配套需要：由于多气门技术和高效增压系统的应用，喷油系统的小型化、高压化和高速化，使直喷柴油机的高速适应性大为改善。2）进一步降低燃油消耗的压力（21世纪全世界已树立起每100km耗油3L的轿车油耗目标)：对使用直喷式柴油机提出了迫切的要求。非直喷式柴油机的发展：20世纪90年代最后推出少数几款最新非直喷式轻、轿车柴油机样品，再也没有非直喷式新样机问世。南昌大学机电学院燃烧室的比较直接喷射式非直接喷射式浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃室燃烧室形状简单一般一般复杂复杂混合气形成方式空间雾化空间雾化为主油膜蒸发空间雾化为主空间雾化空气运动无涡流或弱进气涡流进气涡流较强进气涡流最强压缩涡流燃烧涡流燃料雾化高较高一般较低低针阀开启压力/MPa20~4018~2518~1910~158~13热损失与流动损失小较小较小大最大§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式现代车用增压柴油机不同燃烧方式的污染物排放量负荷特性的比较：非直喷机碳烟排放轻型高速直喷机重型车用直喷机。原因：副燃烧室内混合气很浓，易在燃烧前期生成碳烟，主燃烧室中温度较低，已生成的碳烟后期氧化较差。直喷机的HC排放量大于非直喷机。直喷机与非直喷机微粒排放量相差不大（微粒包括碳烟和SOF）直喷机NOx排放量大于非直喷机原因：非直喷机的初期燃烧发生在混合气极浓的副燃烧室里，由于缺氧，NOx生成少，而主燃烧室中的燃烧在较低温度下进行(已开始膨胀)，NOx也不易生成。南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计一、燃烧方式南昌大学机电学院§5.1低排放燃烧室设计二、非直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点非直喷式柴油机排气污染物主要在副燃烧室内生成，所以改善其排放的重点也在副燃烧室。副燃烧室相对容积，碳烟生成（混合气相对变稀），但NOx（氧增多）。涡流室的相对容积在50％左右得出最佳的碳烟与NOx折衷。预燃室容积，流动损失，预燃室中燃气的能量，影响燃气与主燃烧室中空气的混合，一般预燃室的相对容积在25％~30％之间。涡流室中的气体流动应尽可能加强，所以应避免流动死区，起动电热塞对气流的干扰应尽量小。喷油器安装孔部位的流动死区从占涡流室容积的10％5％，可使冒烟界限的平均有效压力10％；用顺气流安装电热塞代替垂直气流安装，可使冒烟界限平均有效压力5％。减小电热塞加热头的直径(从