第五章压燃式内燃机低排放设计

（a）预燃室倾斜偏置,单孔道 （b）预燃室中央正置,多孔道第五（章c压）燃式预内燃燃机室低侧排放面设正计置,单孔道
§5.1 低排放燃烧室设计
一、燃烧方式
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
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。
第五章压燃式内燃机低排放设计
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100 MPa以上。
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浅盆形燃烧室混合气形成特点
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。 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。
❖ 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。
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§5.1 低排放燃烧室设计
现今面临的技术挑战
❖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）。
第五章压燃式内燃机低排放设计
第五章 压燃式内燃机低排放设计
低排放的空燃比考虑
❖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）。
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§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（缺点）
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。
§5.1 低排放燃烧室设计
一、燃烧方式
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。
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§5.1 低排放燃烧室设计
一、燃烧方式
非直喷式燃烧系统
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
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。
一、燃烧方式
第五章压燃式内燃机低排放设计
§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
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§5.1 低排放燃烧室设计
一、燃烧方式
非直喷式燃烧系统
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。
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。
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 BSU<3。
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§5.1 低排放燃烧室设计
一、燃烧方式 球形燃烧室：
直喷式燃烧系统
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。
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球形燃烧室：
混合气的形成
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
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。
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一、燃烧方式
浅盆形燃烧室混合气形成特点（缺点）
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。
第五章压燃式内燃机低 排放设计
2020/12/11
第五章压燃式内燃机低排放设计
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。
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
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§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。
第五章压燃式内燃机低排放设计
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。
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优点
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。
缺点
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。
浅盆形燃烧室主要应用在大型柴油机
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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。
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