汽車發(fā)動機(jī)原理（第5版） 課件 第三章 柴油機(jī)混合氣形成和燃燒

汽車發(fā)動機(jī)原理

（第5版）Contents第一章內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)及實際循環(huán)計算方法第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒第五章代用燃料發(fā)動機(jī)及新能源汽車第七章內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓第二章四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第六章內(nèi)燃機(jī)噪聲、排放污染及防治第四章汽油機(jī)混合氣形成和燃燒第八章內(nèi)燃機(jī)特性第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程第三節(jié)柴油機(jī)機(jī)械控制燃油噴射系統(tǒng)第四節(jié)柴油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)1.形成混合氣的兩種基本形式第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成空間霧化混合空間霧化混合是在噴油壓力較高(一般為20000

~30000kPa)的條件下,將燃料噴向燃燒室空間,利用噴注與空氣的相對運(yùn)動及空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的熱能,實現(xiàn)破碎霧化、吸熱蒸發(fā)并與空氣混合形成可燃混合氣。優(yōu)點：不必專門組織進(jìn)氣渦流缺點：工作粗暴，零件承受的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力較大；NOx的排放率較高。主要用于：大、中型柴油機(jī)1.形成混合氣的兩種基本形式第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成油膜蒸發(fā)混合油膜蒸發(fā)混合是將大部分燃油噴到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜在壁溫和熱空氣的作用下蒸發(fā)、汽化并與空氣混合形成可燃混合氣。優(yōu)點：對供油系統(tǒng)及其設(shè)備和噴油壓力要求較低缺點：穩(wěn)定性較差；冷起動較困難；HC排放率較高；可增壓性也較差；這種燃燒系統(tǒng)要求較高的使用和維修水平2.燃料的噴霧第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成油束的形成及特性油燃料以很高的壓力12000

~25000kPa和很高的速度(100~300ｍ/ｓ)從噴油器的噴孔噴出，形成一個如圖3-1所示的圓錐狀油束(稱為噴注)。圖3-1油束形狀第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成油束的形成及特性圖中的橫坐標(biāo)是油粒的直徑,縱坐標(biāo)是某一直徑油粒占全部油粒的百分?jǐn)?shù),曲線越窄,越靠近縱坐標(biāo)軸,表示油粒越細(xì)越均勻,即霧化質(zhì)量越好。圖3-1霧化特性曲線2.燃料的噴霧第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成影響油束特性的因素

噴油器的結(jié)構(gòu)不同，引起油束形成的內(nèi)部擾動也不同，從而就產(chǎn)生不同形式的油束，噴油器的主要結(jié)構(gòu)形式如圖。2.燃料的噴霧第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成影響油束特性的因素圖３-４噴孔直徑對霧化特性的影響燃油噴射壓力越大,則燃油流出的初速度就越大,在噴孔中燃油擾動程度及流出噴孔后所受到的介質(zhì)阻力也就越大,使霧化的細(xì)度和均勻度提高,即霧化質(zhì)量好。圖3-5噴油壓力對霧化特性的影響2.燃料的噴霧第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成影響油束特性的因素介質(zhì)密度增大使反壓力增加，引起作用在油束上的空氣阻力增加，因此，燃料霧化有所改善，噴霧錐角增加，射程縮短。圖3-6不同噴油壓力和反壓力下，油束射程隨時間的變化關(guān)系2.燃料的噴霧第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成影響油束特性的因素

凸輪形狀較陡或轉(zhuǎn)速較高時，均會使噴油泵的柱塞供油速度加快，由于節(jié)流作用會使油管中的燃油壓力增加，從而使噴油速度增大，因此，霧化變好，油束射程和噴霧錐角均有所增加。2.燃料的噴霧

第一節(jié)柴油機(jī)混合氣形成2.空氣運(yùn)動對混合氣形成的影響空氣運(yùn)動可以促使油束分散，增大混合的范圍。熱混合作用對混合氣的形成有重要影響圖3-7多孔噴油嘴的混合氣形成圖3-8隨空氣運(yùn)動的燃燒質(zhì)點軌跡與密度比值的關(guān)系

第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程1.燃燒過程進(jìn)行情況第Ⅰ階段———滯燃期第Ⅱ階段———速燃期第Ⅲ階段———緩燃期第Ⅳ階段———補(bǔ)燃期

第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素壓縮溫度對著火延遲的影響.壓縮壓力對著火延遲的影響噴油提前角對著火延遲的影響轉(zhuǎn)速對著火延遲的影響油品對著火延遲的影響第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素從這兩張圖看出,在相同的燃料下,Ｍ型燃燒過程的著火延遲期比直噴式燃燒室的約長１０％,柴油的著火延遲期最短,汽油的著火延遲期最長,航空煤油居中。圖3-16直噴式燃燒室與M型燃燒過程滯燃期的比較(輕柴油)１,直噴式燃燒室２,Ｍ型燃燒過程圖3-17不同燃料和不同燃燒室對滯燃期影響的比較(該圖是在n=1000r/min時測繪的,有陰影線者為球形燃燒室,無陰影線者為一般直噴式燃燒室)１,輕柴油２,航空煤油３,汽油

對放熱規(guī)律的影響：圖3-19給出了滯燃期對放熱規(guī)律的影響(該曲線是在n=1500r/min,Ｎｅ=8.85kW,θｓ=-18°CA時測繪的)１,τｉ=0.89ms２,τｉ=1.44ms圖３-19第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素著火延遲期對燃燒過程的影響圖3-18對平均有效壓力和功率的影響：柴油機(jī)的功率與其平均有效壓力成正比,所以著火延遲對功率的影響與對平均有效壓力的影響相同。對燃油消耗率的影響：如果單位時間內(nèi)柴油機(jī)的耗油量一定，則功率增大就使燃油消耗率下降。圖3-21滯燃期對燃油消耗率的影響第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素著火延遲期對柴油機(jī)性能的影響圖3-20滯燃期對平均有效壓力的影響對平均有效壓力和功率的影響：著火延遲期對排氣溫度的影響趨勢與對燃油消耗率的影響趨勢大致相同,而對煙度的影響趨勢則相反第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素圖3-22滯燃期對煙度、排氣溫度和指示燃油消耗率的影響(該圖是在D=110mm，S=126.5mm,nd=1500r/min,ε=16時測繪的)對煙度和排氣溫度的影響第二節(jié)柴油機(jī)的燃燒過程2.著火延遲的影響因素從這兩張圖看出,在相同的燃料下,Ｍ型燃燒過程的著火延遲期比直噴式燃燒室的約長１０％,柴油的著火延遲期最短,汽油的著火延遲期最長,航空煤油居中。圖3-16直噴式燃燒室與M型燃燒過程滯燃期的比較(輕柴油)１,直噴式燃燒室２,Ｍ型燃燒過程圖3-17不同燃料和不同燃燒室對滯燃期影響的比較(該圖是在n=1000r/min時測繪的,有陰影線者為球形燃燒室,無陰影線者為一般直噴式燃燒室)１,輕柴油２,航空煤油３,汽油第三節(jié)柴油機(jī)機(jī)械控制燃油噴射系統(tǒng)1.燃油噴射現(xiàn)以柱塞式噴油泵的供油系統(tǒng)為例，來說明噴油過程的工作特性。圖3-23噴油過程１，噴油泵柱塞２，進(jìn)、回油孔３，出油閥４，出油閥彈簧５、７，壓力傳感器６，高壓油管８，針閥彈簧９，噴油器針閥幾何供油規(guī)律是指從幾何關(guān)系求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn)１°(或每秒)噴油泵供入高壓系統(tǒng)的燃油量gp(ｍｍ3/°CA或ｍｍ3/s)隨凸輪轉(zhuǎn)角φ(或時間t)的變化關(guān)系：噴油規(guī)律是指在噴油過程中每秒或每度泵軸轉(zhuǎn)角從噴油器噴出的燃油量ｇｂ隨時間或泵軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系,即：圖3-24供油規(guī)律和噴油規(guī)律的比較(噴油器ZSOSJnp＝750r/min)第三節(jié)柴油機(jī)機(jī)械控制燃油噴射系統(tǒng)1.燃油噴射幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律圖3-25

Ⅱ號泵的速度特性第三節(jié)柴油機(jī)機(jī)械控制燃油噴射系統(tǒng)2.噴油泵速度特性噴油泵速度特性當(dāng)噴油泵油量控制機(jī)構(gòu)(齒條或拉桿)位置不變時,每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化特性稱為噴油泵的速度特性。圖3-26二次噴油的針閥升程圖第三節(jié)柴油機(jī)機(jī)械控制燃油噴射系統(tǒng)3.不正常噴射現(xiàn)象二次噴油：二次噴油使整個噴射期拉長，過后燃燒現(xiàn)象加重，使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降及部分零件過熱。低速不穩(wěn)定噴油：不齊噴油、間斷噴油和波動噴油(雙波噴油)等發(fā)生在發(fā)動機(jī)低速、低負(fù)荷或怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，統(tǒng)稱為低速不穩(wěn)定噴油圖3-27各種低速不穩(wěn)定噴油波形的比較ａ)正常噴油ｂ)不齊噴油ｃ)間斷噴油ｄ)波動噴油第四節(jié)柴油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)電控柴油噴射系統(tǒng)優(yōu)點：控制精確、靈敏不存在產(chǎn)生失調(diào)的可能性在電控噴射系統(tǒng)中，通過改換輸入裝置的程序和數(shù)據(jù)，可以改變控制特性，一種噴射系統(tǒng)可用于多種柴油機(jī)。第四節(jié)柴油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)(１)高的燃油噴射壓力；(２)噴射速率可變控制；(３)預(yù)噴射，第二次噴射的應(yīng)用；(４)噴油量、增壓壓力、噴油起始時刻的變化與工作條件相適應(yīng)；(５)起動時有隨溫度變化的過量燃油供給量；(６)不隨柴油機(jī)負(fù)荷變化的怠速控制；(７)可控的廢氣再循環(huán)；(８)巡航控制；(９)噴射過程和噴油量具有微小補(bǔ)償，并在整個壽命期內(nèi)保持高精度。1.基本要求第四節(jié)柴油機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)相對其他電控燃油噴射系統(tǒng)，執(zhí)行響應(yīng)較慢、控制頻率較低、控制精度不穩(wěn)定。不能改變傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)固有的噴射特性，雖能對噴油速率起到一定的調(diào)節(jié)作用，但使直列泵機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。幾乎無須對柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動，即可實現(xiàn)位置控制噴射，故生產(chǎn)繼承性好，便于對現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行升級改造。位置控制系統(tǒng)特點：2.電控柴油噴射系統(tǒng)的基本類型時間控制系統(tǒng)是第二代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，它改變了傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將原有的機(jī)械式噴油器改用高速強(qiáng)力電磁閥噴油器，以脈動信號來控制電磁閥的吸合與斷開，以此來控制噴油器的開啟與關(guān)閉。特點：屬于直接數(shù)字電控噴射系統(tǒng)，脈動式高壓燃油與開關(guān)式電磁控制閥直接接口。結(jié)構(gòu)得到簡化和強(qiáng)化，噴射特性得到改善，適合于高壓噴射燃油量的計量是一種時間計量方式，用兩個連續(xù)的開關(guān)脈沖來設(shè)定有效供油行程。電磁閥的響應(yīng)時間對噴油過程的影響較大時間控制系統(tǒng)：2.電控柴油噴射系統(tǒng)的基本類型是第三代電控燃油噴射系統(tǒng)，也是時間-壓力控制型電控柴油噴射系統(tǒng)。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，配合高的噴射壓力(120

~200MPa)，可將NOｘ和微粒排放同時控制在較小的數(shù)值范圍內(nèi)。柔性控制噴油速率，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，既可降低柴油機(jī)NOｘ排放，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。由電磁閥控制噴油，其控制精