柴油发动机的燃烧解读
项目四柴油机混合气形成与燃烧 学习目标： 掌握柴油机两种混合气的形成方式及特点，掌握直接喷射式和分隔式两大类柴油机燃烧室的结构及性能特点；了解柴油机供油系统的组成和喷射过程，掌握柴油机的燃烧过程及影响因素，掌握电控柴油喷身系统的组成、分类、电子控制功能，并在学习过程中随时注意对柴油机和汽油机进行比较。 任务一柴油机混合气形成 与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压缩自燃式点火。 任务二柴油机的燃烧过程
柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。 （一）着火延迟期 从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。 着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。 物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合。 化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。 特点：压力没有偏离压缩线。
影响着火延迟期长短的主要因素是： 喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。 柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。 燃烧室的形状和壁温等。 喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。 （二）速燃期 速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力. 特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）
一般用压力升高率λp〔kPa／(o)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。 式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）; △θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAo）。 特点： （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（6~9MPa）。 （3）继续喷油。 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿 命； 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。 压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5 MPa／(o)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。 控制压力升高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量
叙述影响柴油机性能的因素 1 前言 燃料在柴油机气缸中的燃烧过程，就是燃料与空气中的氧发生剧烈氧化反应，并产生大量热的过程。燃烧过程对柴油机性能的影响是至关重要的，它在本质上决定了柴油机性能的优劣，柴油机的燃烧过程是整个工作过程中最重要的环节。为了使柴油机能够充分燃烧，必须要有足够的空气。理论上，lkg柴油完全燃烧需要14.3kg空气，故对柴油机而言，理论可燃混合气的空燃比为143。对于不同的燃料，其理论空燃比是不同的。 目前，提高柴油机性能、改善柴油机排放主要从提高燃油品质、改善燃烧过程和采取排气后处理这三个方面着手，由于柴油机的有害排放物主要是在缸内燃烧过程中产生的，所以改善缸内燃烧是提高燃油经济性和减少有害排放物的根本途径，而柴油机的燃烧过程的好坏取决于缸内的气流运动、燃油喷射和燃烧室结构三者之间的匹配。同时，柴油机缸内燃烧过程也是极其复杂的，它包含有燃料的喷射雾化、受热蒸发、与空气混合及氧化燃烧等诸多复杂过程，具有典型的高温、高压、高湍动性和不定常化学反应的特点。 2 影响柴油机性能的主要因素 2.1 从燃料性质分析 2.1.1 柴油的十六烷值 在稳态工况下，随燃料十六烷值的降低，着火始点延迟；滞燃期、预混合燃烧量、缸内压力峰值、放热率峰值及压力升高率有所增加，燃烧速率加快，致使燃烧持续期、扩散燃烧期有所缩短，当燃料十六烷值大于55时，滞燃期差别较小。 在恒转速增转矩瞬态工况下，随循环数的增加,缸内压力、温度、放热率峰值、燃烧持续期、扩散燃烧期和扩散燃烧量逐渐增加，预混合燃烧期和预混合燃烧量降低。 在增负荷工况下，随燃料十六烷值的增加，滞燃期、预混合燃烧期及预混合燃烧量降低，燃烧持续期、扩散燃烧期及扩散燃烧量均有所增加,致使缸内压力峰值和放热率峰值有所降低，适当提高燃料十六烷值，有助于降低NOx排放和燃烧噪声。 2.1.1 生物柴油 江苏大学利用可视化装置，分析比较了直喷式柴油机燃用生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧过程。研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早，着火时刻提前，着火滞燃期缩短，在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油，而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比柴油低。通过分析燃料性质、转速和喷油压力这3种因素对生物柴油燃料喷雾燃烧过程的影响，从而得出影响规律为:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前，滞燃期变短，BS混合燃料的最高燃烧压力最高且出现稍早；生物柴油在最高转速工况时的燃烧速度大，且最高燃烧压力也略高;随着喷油压力的提高，滞燃期缩短，燃烧持续期相应缩短，最高燃烧压力升高。 2.2 从柴油机固有性质分析 2.2.1 工作温度 当柴油机温度较高时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较快.进而着火延迟期缩短，柴油机工作比较柔和，经济性较好;当柴油机温度较低时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较慢，进而着火延迟期增加，柴油机工作比较粗暴，经济性较差，甚至不能着火。因此，柴油机工作中应该保持正常的温度。 2.2.2 压缩比
柴油机尾气后处理技术
基础开发室性能组
李兴民 2009.4
内容
尾气后处理技术简介 柴油机尾气的组成 后处理基础知识 典型后处理布置方案
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
尾气后处理技术简介
为什么要采用尾气后处理技术？ 为了满足越来越苛刻的环保法 规要求，仅仅依靠发动机本体 的技术措施已经不能满足法规 的要求，专门针对发动机尾气 采用物理、化学方法进行净化 处理的方法叫做发动机尾气后 处理技术
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
排放法规
2 (8%)
cu rve
8 (9%) 10 (8%)
Torque
Fu ll l oa d
6 (5%)
4 (10%) 75% load
12 (5%)
5 (5%)
3 (10%) 50% lo ad
13 (5%)
7 (5%)
9 (10%)
25% load
11 (5%)
1 (15%) idle
250
A
B
C
Engine speed
100 Torque [%]
200
50
150
0
Engine speed [%]
100
-50
50
-100
0 0
Urban
600
Rural Time [sec]
-150 1200 Motorway 1800
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
低温燃烧(LTC) 一、低温燃烧（LTC）的优势： 1.减少污染物（主要为NOx、碳烟）排放。如下图，LTC的燃烧温度较低，且 过量空气系数较高，可以达到既减少NOx又减少碳烟的目的。 2.燃烧较平稳，最高燃烧温度降低，对NOx排放起到抑制作用。 二、实现低温燃烧的方法： 实现低温燃烧主要靠控制EGR和喷油提前角实现。两者结合使用，能够使燃烧更加平稳，避免缸内温度升高率过大；且能够提供较长时间进行油气混合，减少碳烟生成。在一定的控制范围内，并不会引起THC和CO的大幅增加。对减少排放有很好的效果。另外由于燃烧平稳，发动机的最高爆发压力和压力循环波动也降低，发动机的振动和噪声得到减小。 2.实验及实验结论 实验在一台福特彪马四缸共轨柴油机上进行。实验装置如下图。The balance three cylinders are operated in the conventional combustion mode to motor the research cylinder with a non-motoring eddy current dynamometer used for speed control and power dissipation. The research cylinder has independent intake and exhaust systems equipped with surge tanks. The details of the instrumentation of the single cylinder and its separation from the rest of the engine have been reported previously.（实验装置设置不太懂。） 实验结果： 1.在EGR率一定的情况下（进气氧含量17%），CA50的变化对发动机的影响。下图表示发动机主要排放物的变化： 蓝色点表示喷油持续时间不变；而橙色方块表示为弥补发动机功率下降而延长喷油时间。可以看出在上止点前燃烧开始，NOx和碳烟增加，THC和CO无太大变化。随着点火提前，碳烟降低，NOx上升，这是因为：1.点火越提前，则燃烧前缸内温度越低，油气混合时间加长，是碳烟下降；2.点火提前，则燃烧时放热速率加快，导致NOx急剧增加。THC和CO没有很大变化，表明这种燃烧方式可以使燃烧完全。 在上止点后燃烧开始，NOx和碳烟均下降；在适当的范围内，THC和CO 没有很大变化，但燃烧过于延迟，会导致二者急剧增加。这一方式有几个优点：1.燃烧在膨胀冲程中进行，放热平缓，燃烧延长，使得NOx排放下降；2.在膨胀
第六章柴油机的着火过程 第一节燃烧化学反应动力学的基础理论 一．分子运动和碰撞柴油机的着火过程是复杂的物理化学过程，化学过程是激烈的热——链化学反应，要进行化学反应，必须经过它们分子之间的相互碰撞，并且符合碰撞要求才可实现。燃烧化学反应中分子运动和碰撞的基本理论归纳如下： A.参加化学反应的物质，分子必须相互碰撞。 B.分子的碰撞是杂乱无章的。 C.合适的方向上碰撞才有可能起化学作用。 D.运动能量超过最低能量。 E.最低能量称为活化能。 F.温度越高，化学反应速度越大。 G.压力与密度越大，碰撞频率越高，反应速度加快。 二．活化络合物理论 活化络合物理论（过渡态理论）的基本内容是：进行化学反应时候，分子不仅需要相互撞击，还需要适当能量，在适当的方位上撞击，以便获得形成一个不稳定，过度的，瞬态活化络合物。活化能E就是把初态反应物提高到络合物所需能量。反应关系表达为：反应物——活化络合物——终产物 三.键能及其在化学反应中的作用。 物质内部相邻原子间或离子间产生的相互结合或相互作用的称为化学键。可分为离子键，共价键，和金属键等几种类型。正负离子通过静电引力形成的化学键为离子键。物质内部相邻原子或者原子团通过共用电子对形成的称为共价键。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成金属键。 物质起化学变化时，需要从外界吸收能量，达到破坏原子间或者离子间所必须吸收的能量，这种能量称为键能。 第二节着火前燃料的物理——化学过程（焰前反应）一。着火的分类和含义 按照火源性质，分为压缩自然和外源点火。按化学反应性质分为热式着火，链式着火，和热—链式着火。链式着火通过支链反应而自身积累活性中心并积聚能量。按着火阶段分，有高温单阶段着火和中低温多阶段着火。多阶段着火指历经冷焰，蓝焰到热焰的几个阶段着火。 二．着火前的物理过程 必须先将反应物质（空气和烃类）能互相充分气相混合，并相互撞击，同时，需要一定的初始能量。这就需要有进气过程，喷射过程，喷注的破碎和雾化过程，以至形成可燃混合气，并达到足够温度和压力的过程。这些都是着火前的物理准备过程。 三.着火前的化学准备工作 （1）着火的温度条件 外源供热，获得热—链反应所必需的能源，是反应物具有足够的活化能以克服烃分子化学键断裂的阻抗。 （2）着火的压力条件 压力影响本质上是空气密度，分子运动自由程度大小和碰撞频率对着火的影响。 （3）着火的浓度条件 混合气浓度对着火的影响也是决定性的。可燃混合气的着火只能在一定的浓度范围内进行，超出极限范围，不管温度和压力多高，也难于着火。
柴油机燃烧室 柴油机在进气过程中进入燃烧室的是纯空气，在压缩过程接近终了时柴油才被喷入，经一定准备后即自行着火燃烧。由于柴油机的混合气形成的时间比汽油机短促的多，而且柴油的蒸发性和流动性都较汽油差，使得柴油在燃烧前难以彻底雾化蒸发并与空气混合，因而柴油机所形成的可燃混合气的品质较汽油机差。因此，柴油机采用较大的过量空气系数，使吸入燃烧室的柴油能够燃烧的比较完全。 雾化混合 利用燃油与空气的相对运动形成混合气。雾化质量越高，混合气形成越快，混合越均匀。空间雾化形成的混合气，包括完全气相和极其细小油滴。 空间雾化混合 雾化→蒸发→扩散混合油膜蒸发混合 利用燃烧室壁面高温使其表面的燃油油膜蒸发形成混合气。燃烧室壁温越高，混合气形成越快。油膜蒸发形成的混合气是完全气相的。 油膜蒸发混合 蒸发→扩散混合 因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。 直喷式燃烧室柴油机的性能特点： 球形燃烧室的缺点： （1）冷起动比较困难。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。（2）加速性能较差，空气涡流跟不上，容易冒黑烟； （3）低负荷时冒蓝烟，HC排放增加； （4）高、低速性能差别大； （5）增压适应性差，循环供油量大油膜变厚，影响混合气形成速率。（6）在大缸径上应用困难。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。 涡流室燃烧室主要特点(1) 混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈压缩涡流；对喷雾质量要求不高，采用轴针式喷油嘴，喷油压力低，降低对燃油系统的要求，减少喷孔堵塞。 (2) 混合气形成质量对转速变化不敏感；由于压缩涡流随转速升高而加强，在高转速时仍能保证较好的混合质量，另外进气门直径大，高转速仍可获得较高的充气效率。
柴油机燃烧过程的仿真分析 北京理工大学机械与车辆工程学院 计算机应用与仿真中心 Au. Tiger （运用Fire进行燃烧过程分析时，对于与燃烧有关的参数的设置，这里的分析将有一定的指导意义。这里所描述的，既可以说是参数对燃烧过程的影响，也可以说是运用Fire进行燃烧过程分析的指南。） 基本操作 Fire自带的网格划分工具可以划分质量很高的六面体网格，但是数量巨大；如果和Hypermesh结合可以达到较好的效果，详细过程参见仿真论坛中关于FIRE的讨论版。 由于本人对Fire本身建模、划网格的功能不十分熟练，因此大多在ProE或IDEAS中建模、在IDEAS中划网格，然后导出.unv格式的网格供Fire使用。网格的局部细化等在Fire 中使用Mesh Tools中的Refine工具完成。ICEM-CFD划分网格的功能也很强大，比I-DEAS 显得稍微快一些，而且适合划分复杂结构的六面体网格，结束后可以导出Nastran格式的网格供Fire使用。 个人认为，较好的网格标准是：尽量是六面体单元（一个六面体单元最少可以分成五个四面体单元，一般是分成六个四面体单元，也就是说采用六面体单元能够显著降低计算规模，从而减少计算机时）；单个六面体单元的长宽高之间的比例越接近1愈好，不要超过10；单个六面体单元的棱与棱之间的夹角越接近90度越好，夹角不要低于15度，也就是说正方体是最好的六面体单元；单个四面体单元中最好的正四面体，实际要求就是面容比越小越好；对于整个模型，要求相邻的单元之间大小（长宽高）不能相差太大，一样大小最好，必要时要均匀过度。 Check中的distance工具可用于获取节点坐标、测量节点之间的距离。Fire中的默 Geo 认单位为国际单位。 模型导入Fire中后，需要作适当的处理，原因是：流体计算是很费计算机时的运算，因此网格数量越小越能够很快得到结果，尤其是初期的趋势分析中（后期的精确计算需要较密集的网格保证精度）；模型中可能存在疏密不一致的情况——相邻两层网格的大小相差很大；模型中网格大小可能不适合所模拟的情况，例如含喷油的计算中网格大小大约是喷孔大小的4到6倍为佳，因此需要调整网格大小；……导入的网格最好是在划分网格的工具中就检查好没有坏单元的，如果有最好处理掉再导入。导入后，首先就是利用Fame工具中的Mesh Tools下的refine工具细化或粗化网格，我以为Redimension是最好用的，它可以很方便地改变网格的层数。其中有个Compression Factor，是指后选的那层网格是先选的那层网格高度的多少倍，可以是任何正数。 任何网格变动后，都要记得用Mesh Tools下的Connect中的Conform connect连接一下，方法是在主窗口点选修改过的模型，然后点击Calculate default自动计算最小间距，不选Selection based方式，然后点击Conform即可。这一步是必须的，否则计算中会因网格问题出错。如果模型已有Selection，只要与之相关的网格没有任何变动，就还会保持原状。 如果使用distance工具测量节点距离、或者使用Redimension工具选择单元时，偶尔发现无论点击哪里都选择的是同一个节点或同一个单元，原因可能是因为没有选中模型。 网格修改完后，就可以在模型的边界面上建立Face类型的Selection了——用于施加边界条件。如果要作动网格，还需要建立Cell类型的Selection。动网格的实质就是，有一块
?直喷式柴油机的燃烧室有很多种形状，目前常用的有球型、U型、四角型、花瓣型、W型和哑铃型。 ?W型燃烧室是通过切向进气道或螺旋进气道造成进气涡流，在压缩行程中使大部分有涡流的空气进入燃烧室内增强涡流，促进混合气的形成和燃烧。这种燃烧室又可分为浅W型、深W型和缩口W型三类。 ?浅W型,优点是结构简单、易于制造、热损失小、经济性好，缺点是工作噪声大，对车速的适应性差，加速时烟度很大，NOx排放较差，所以一般用于农用柴油机和船用柴油机。 ?深W型,更加注重利用空气涡流运动，这样可以增强燃烧室内涡流强度，促进油气的混合，在一定程度上改善了性能和排放。另外，它的结构简单、易于制造、动力性好。但是仍然存在着噪声大、烟度高的缺点。 ?缩口型,缩口的作用是相对无缩口型增强了绕气缸中心线旋转的进气涡流和压缩涡流，在燃烧室内形成了沿z轴竖直平面内的挤压涡流(上止点前)和逆挤压涡流(上止点后)，加快了油气的混合，亦加快了燃烧速度它的缺点是结构工艺性差，缩口处的热负荷大，容易产生烧蚀和热裂。 ?对于W型燃烧室，主要的结构参数有：燃烧室口径比、径深比、是否缩口及凹坑位置，中央凸台高度等。 1、口径比D/DB：燃烧室吼口直径与汽缸直径之比。该值要取得合适，太大太小都不好， 要与油束射程配合。 2、径深比（D/H）：燃烧室吼口直径与燃烧室深度值之比。 3、缩口率d/D：燃烧室最大腔径直径d与吼口直径D之比 4、面容比A/V：燃烧室表面积A与燃烧室容积V之比， 5、相对容积比V/VC:燃烧室容积与压缩容积之比。 浅盆型W型燃烧室缸内并不组织涡流，混合气形成主要依靠燃油的喷散雾化，对喷雾要求高，为此采用多嘴喷孔，一般为6—12个，喷孔直径很小（最小达0.12mm），针阀开启压力高（20-40MPa），喷孔小容易堵塞。要求油束与燃烧室形状相配合，燃油要尽可能分布到整个燃烧空间，避免油束直接接触缸壁。（D/DB为0.72-0.88，D/H为5-7，V/VC 为0.60-0.68） 深坑型燃烧室，燃烧室内存在涡流运动，与浅盆型燃烧室相比，其在活塞顶上的凹
1.柴油机特点：（1）优点：经济性好，功率范围广，尺寸小重量轻，机动性好，可靠性高， 寿命长，维修方便。（2）缺点：存在机身振动、轴系扭转振动和噪声，某些部件的工作条件恶劣，承受高温高压并具有冲击性负荷。 2.发展趋势：（1）提高经济性（2）电子控制技术（3）降低排放（4）提高可靠性。 3.柴油机：使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料，采用内部混合法形成可燃混合气 体，靠缸内空气压缩形成高温自行发火。 4.柴油机的类型：（1）四冲程和二冲程（2）增压和非增压（3）低速、中速和高速（4） 筒形活塞和十字头式（5）直列式和V型（6）右旋和左旋（7）可逆转和不可逆转。5.理论与实际循环的差异：（1）工质的影响：理论循环工质为理想气体，实际循环工质是 空气和燃烧产物，使实际循环热效率和做功能力下降。（2）气缸壁的传热损失。（3）燃烧损失：后燃和不完全燃烧。（4）漏泄损失：活塞环处的漏泄。（5）其他损失。 6.气阀重叠角意义：（1）依靠废气的流动惯性，利用新鲜空气将燃烧室内的废气扫出气缸， 实现燃烧室扫气，提高换气质量。（2）利用进气冷却燃烧室有关部件。 7.直流扫气特点：（1）换气质量好。（2）结构复杂，维修较困难。 8.上下止点：活塞在气缸中运动的最上下端的位置，也是活塞离曲轴中心线最远近的位置。 9.气缸工作容积Vs：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。 10.平均指示压力：假定一个数值不变的压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所作的功与 一个工作循环的指示功Wi相等，这个假象的压力就称为平均指示压力。也就是一个工作循环中单位气缸工作容积的指示功。 11.柴油机的基本组成：（1）主要固定件：机架、机座、气缸和气缸盖。（2）主要运动件： 活塞、连杆组件、曲轴。（3）配气机构及换气系统。（4）燃油系统。（5）润滑系统。（6）冷却系统。（7）起动和控制系统。 12.机械负荷：（1）定义：柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。 （2）特点：周期交变，具有冲击性。（3）安装预紧力引起的负荷与气体力引起的机械应力均与最高爆发压力成正比。 13.热负荷：（1）热应力：由温差作用形成的应力。（2）热疲劳：燃烧室部件在交变的热应 力下出现的破坏现象。 14.活塞的作用：（1）保证密封的情况下完成压缩和膨胀过程。（2）将气体力经连杆传递给 曲轴。（3）在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。（4）在二冲程柴油机中活塞还启闭气口，控制换气。 15.压缩环：（1）作用：防止气缸中气体漏泄，保证活塞与气缸之间相对运动条件下的密封， 并将活塞上的部分热量传给气缸。（2）搭口形式：直搭口、斜搭口和重叠搭口。 16.活塞的冷却方式：自由喷射冷却、循环冷却、振荡冷却、喷射—振荡式冷却。 17.冷却液的输送方式：（1）筒形活塞：在曲轴连杆中钻孔。（2）十字头式活塞：需要专门 的机构，分为套管式和铰链式。 18.气缸盖的作用：（1）与气缸套、活塞共同组成燃烧室。（2）上面安装各种阀件。（3）在 设置进排气阀的气缸盖上还要布置进排气道和气阀摇臂机构。 19.气缸盖的类型及特点：（1）单体式：气缸盖和气缸套接合面处密封性好，制造、运输、 拆装检修均较方便，但汽缸的中心距加大，增加了柴油机的长度和重量。（2）整体式：中心距小，结构紧凑，柴油机的刚度提高重量减轻，但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便。（3）分组式：特点介于上述两者之间。 20.连杆：（1）作用：将作用在活塞上的气体力和惯性力传给曲轴，把活塞或十字头与曲轴 连接起来，将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。（2）工作条件：运动复杂，受力复杂，连杆小、大端轴承还与活塞销或十字头销、曲柄销产生摩擦和磨损。（3）破坏形式：
柴油机后处理净化技术 1.氧化催化转化器 氧化催化转化器是利用催化剂，象滤清器那样通过排气，将有害成分HC、CO、NOx进行化学反应转化为无害的CO2、H2O和N2的反应器。 减小污染物浓度的原理： 把一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒中的可溶性有机物SOF成分氧化成二氧化碳和水。 氧化催化转化器的结构： 主要由壳体、衬垫（减震层）、载体和催化剂涂层四个部分组成。 ①壳体通常为不锈钢材料，防止高温氧化脱落。 ②衬垫通常为陶瓷材料；隔热性、抗冲击性、密封性和高低温冲 击性优于金属网。 ③载体材料主要有蜂窝陶瓷载体和金属载体两种。 ④催化剂涂层。涂层（γ-Al2O3）+主催化剂（铂Pt、钯Pd） 2.NOx机外净化技术 （1）吸附催化还原法(LNT) 催化剂活性成分：贵金属和碱土金属 在富氧气氛下，用吸附剂MO先将NOx储存起来： 然后在贫氧的还原气氛下进行分解和还原，其反应如下：
（2）选择性催化还原(SCR) NOx的催化还原技术有：选择性非催化还原（SNCR）、非选择性催化还原（NSCR）和选择性催化还原（SCR）三种方式，其中以选择性催化还原（SCR）技术在柴油机上的研究最为广泛。 工作原理： 以NH3或者HC作为还原剂，在催化剂的作用下将NOx转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H2O）。 （3）等离子辅助催化还原(NTP) 机理：空气经过低温等离子体作用后，产生一系列氧化性极强的自由基（OH*、HO2*）、原子氧（O）、臭氧（O3）等强氧化物质，这些物质将发动机尾气中的NO氧化，并转化为NO2
3. 颗粒物机外净化技术 微粒捕集器（DPF ）对颗粒物进行捕集是最可行的一种后处理技术。此外，也有使用等离子体净化技术和静电分离技术等法对颗粒物进行脱除。 （1）DPF 结构 陶瓷蜂窝载体 陶瓷纤维编织物 22O O ??→2O N NO N +??→+2N O NO O +??→+*N OH NO H +??→+2NO O NO +??→*222NO OH NO H O ++??→** 22NO HO NO OH +??→+323NO O NO +??→
目录 摘要................................................................................................. 错误！未定义书签。Abstract.......................................................................................... 错误！未定义书签。 1 前言............................................................................................. 错误！未定义书签。 1.1 研究背景.................................................................................. 错误！未定义书签。 1.2国内外研究现状及发展趋势................................................... 错误！未定义书签。......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 国内研究现状....................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 本文研究的主要内容.............................................................. 错误！未定义书签。 2 柴油机燃烧系统......................................................................... 错误！未定义书签。 2.1 燃烧系统的功用...................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 燃烧系统的组成...................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.1 燃油喷射系统....................................................................... 错误！未定义书签。......................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.3 燃烧系统的要求...................................................................... 错误！未定义书签。 3 燃烧室设计................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1 燃烧室的作用.......................................................................... 错误！未定义书签。 3.2 燃烧室的分类.......................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 ω型燃烧室参数化设计.......................................................... 错误！未定义书签。 3.4 燃烧室参数化造型.................................................................. 错误！未定义书签。 3.5 燃烧室实体建模...................................................................... 错误！未定义书签。 3.6 燃烧室网格划分...................................................................... 错误！未定义书签。 3.6 数学模型及方程式.................................................................. 错误！未定义书签。 3.6.1 喷雾模型............................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.2 燃烧模型............................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.3 NO x排放模型错误！未定义书签。 3.6.4 Soot的生成机理及数学模型 ............................................... 错误！未定义书签。 4 数值模拟计算结果分析............................................................. 错误！未定义书签。
柴油机燃烧室的特点? 柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。 柴油在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后燃油以雾状喷入高温空气中，与空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。 法国出生的德裔工程师狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业。二十世纪初，开始用于船舶，1905年制成第一台船用二冲程柴油机。 1922年，德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。二十世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。到了50年代，一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。 柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、机车柴油机等。 柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。 在燃用原油和渣油时，除须滤除杂质和水分外，还要对供油系统进行预热保温，降低粘度，以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性，可加入添加剂提高十六烷值，或与柴油混合使用。一些气体燃料，如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机的燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机。 柴油发动机的燃烧过程一般分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。 着火延迟期是指从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数，对燃烧放热过程的特性有直接影响。 在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧的，所以放热速度很高，压力升高也特别快。 缓燃期阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。因此，加强燃烧室内的空气扰动和加速空气与燃料的混合，对保证燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。 柴油机的混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完，而拖到膨胀行程的后期放出的热量不能得到充分利用，因此应尽量避免燃料在后燃期燃烧。 燃烧室的优劣对柴油机的性能有决定性的作用，因此是柴油机设计的关键。燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类。前两类属于直接喷
当下常用柴油机后处理技术： 1SCR（Selective Catalytic Reduction 选择性催化还原技术） 1.1NH3- SCR 1.1.1反应原理 使用尿素水溶液作为氨气来源，这种溶液尿素质量分数为32.5%，符合DIN V70070国际标准，市 场上也称之为“AdBlue”溶液。当尿素水溶液被喷射到排气管中后，与高温的废气混合，尿素水溶 液经过气化、热解和水解等一系列复杂的化学反应生成氨气和二氧化碳，简单可以分为两步。 第一步: 热解反应 CO(NH2)2→加热→NH3+ HNCO 第二步: 水解反应 HNCO+H2O→催化剂→NH3+CO2 尿素分解释放出的氨气与废气中的NO x发生化学反应，具体反应方程式如下 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O 4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O 8NH3+6NO2→7N2+12H2O 1.1.2控制方法 尿素SCR系统主要由后处理控制单元( DCU)、尿素泵( SM)、喷嘴( DM)、尿素罐、SCR 催化器及 相应液力管路和电气线束构成，如下图所示。 DCU为主控制单元，处理传感器信号、计算尿素喷射量并对各种执行器进行控制。SCR 系统开始 工作时，DCU首先确认系统是否处于正常状态，然后发出指令使尿素泵开始加压，压力使尿素水溶 液开始流动。控制单元通过CAN总线与发动机的ECU进行通讯，获得发动机的运行参数，再加上 催化器上游温度信号，计算出尿素喷射量，驱动喷嘴将适量的尿素水溶液喷射到排气管内，按反应 机理还原尾气中的NO x，多余的尿素被送回到尿素罐内。 1.1.3存在的问题 1.1.3.1低温工况下NO x转化率低 尿素在废气温度为160℃左右时，开始发生热解反应产生异氰酸(HNCO)和一部分氨气。由于尿 素热解需要吸收大量的热量，当排气温度较低时热解速度较慢。有关研究表明，温度为330℃时 仅有20%左右的尿素可以发生热解，而400℃时有50%的尿素发生热解，剩下的尿素只能到达 催化剂表面后完成热解。当外界环境温度较低或发动机时，发动机废气温度很可能达不到要求， 不能产生足够的氨气，反应效率低下，后处理系统不能发挥应有的作用。对此的对策是开发低 温催化剂，改善尿素溶液喷射装置使喷射出的液滴更小，安装水解催化剂促进尿素低温水解等 等。 1.1.3.2尿素结晶 由于排气管的材料一般为不锈钢，废气与排气管内壁之间存在一定的温度差，如果尿素溶液在 较低的温度下喷射到排气管中，势必有部分雾化后的尿素小颗粒会附着在管壁上形成液膜，进 而会产生晶体。其原因是在温度范围为132 ～180℃的低温条件下，尿素除了正常分解外，还 会发生另外的一系列副反应产生副产物，如三聚氰酸C3N3(OH)3、缩二脲NH(CONH2)2 和三聚氰胺C3N3(NH2)3等。
柴油机后处理技术
Legislation
Emission Reductions Evolution
16 14
* PM scale x10 *
NOx -86%
18 years
PM -95%
13 years
12 10 8 6 4 2 0
98 00 90 94
Euro 0 Euro 1
-43%
g/kW.hr
-12% -29% -56%
Euro 2
-30% -80%
Euro 4
-33%
Euro 3
-43%
Euro 5
02
96
04
92
06
08 20
19
19
19
20
20
19
20
19
20
20
10
Aftertreatment Technology Options
Diesel Engine Emission Technology Approach
Emissions Level Euro-Ⅱ Euro-Ⅲ Euro-Ⅳ Euro-Ⅴ Euro-Ⅵ
Fuel Sulfur(ppm) 2000 Electric Control Fuel Injection Pressure (MPa) Turbocharging and Intercooling 80 Turbocharge
300 √ 120 Turbocharge
<10 √ 160 Variable Geometry Turbochgar ge(VGT)
<10 √ 200 Variable Geometry Turbochgar ge(VGT)
<10 √ 240 Variable Geometry or Multistag Turbochar ge LTC
Exhaust Gas Recirculation at Full Load Aftertreatment
None
<5%
<15%
<20%
None
None
DPF
SCR+DPF
SCR+DPF
鉴定文件之十 CA6DF3-24E3型柴油机 性能开发及认证试验报告 编制：金宏青 校对：张雄伟 审核： 批准： 一汽解放公司无锡柴油机厂 研发部产品室 2006.11 .
目录 1 开发依据 (2) 2 开发目的 (2) 3 试验对象 (2) 4 试验项目 (3) 5 试验方法和条件 (3) 6 开发过程简述 (4) 7 试验结果及分析 (5) 8 试验结果曲线 (8) 9型式认证结果 (10)
1 开发依据 一汽锡柴计财部《CA6DF3-24E3柴油机产品开发计划任务书》。 2 开发目的 2.1 对全新设计开发的CA6DF3-24E3柴油机进行性能、排放开发，使其动力性、 经济性满足设计开发目标，排放达欧Ⅲ法规要求。 2.2 发动机进行型式认证检验。 3 试验对象 3.1 CA6DF3-24E3柴油机性能、排放开发样机一台。 3.2 CA6DF3-24E3柴油机认证样机两台，编号分别为： 50750167，50750170。以下分别简称为A,B。 发动机主要参数见表1
4.1总功率试验 4.2万有特性试验 4.3 ESC排放试验 4.4 ELR排放试验 5 试验方法和条件 5.1 试验方法 5.1.1 性能试验按GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》中的有关规定进行。 5.1.2 排放试验按GB17691-2005《车用压燃式发动机排气污染物限值及测试方法》中的有关规定进行。 5.1.3可见污染物排放试验按GB3847-2005《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法》中的有关规定进行。 5.2 试验条件 5.2.1 试验一般条件的控制按GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》的规定，全部试验不带空气滤清器。 5.2.2 中冷温度的控制见表2 5.2.3 试验用油见表3。
柴油机尾气处理 抛开油品问题，其实柴油机的尾气处理要比汽油机复杂的多，排放清洁是要付出代价的。 柴油机的排放目前主要是氮氧化物NOx和微粒PM，主要的难点在于NOx 的处理上；而汽油机的排放主要是NOx、碳氢化合物HC和一氧化碳CO等，如果是直喷汽油机也会有微粒PM的排放。 柴油机一般是富氧燃烧，HC和CO比汽油机少多了；但是柴油机的烟是一个问题，这是因为其燃烧方式的原因，柴油机为扩散燃烧，而汽油机为预混燃烧。因此柴油机工作时如果混合气组织不好，就会导致滚滚黑烟，所以造成了柴油机在我们心中的印象总是很差，总觉得柴油机就是不环保的机器，即使汽油机排出大量的无色不可见的有毒气体HC和CO。但有一点你要知道，柴油机的尾气经过完善处理之后，其污染指标全面秒杀汽油机。正如标题所言，这个完善处理到底有多棘手？ 我们知道汽油机的尾气处理一般只需一个大铁壳，也就是三元催化转化器就可以解决了，不保险？那加个氮氧化物存储式催化转化器（NSC）就稳了。燃鹅，柴油机却用不了…为熟么呢？还是因为柴油机为富氧压燃，空燃比相当大，三元催化器在处理NOx时如果氧分压过高，转化效率将会大大下降。所以呢，还得想别的方法… 一、EGR（Exhaust Gas Recirculation 废气再循环） 内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术，主要目的为降低排出气体中的NOx与分担部分负荷时可提高燃料消耗率。燃鹅…EGR是很讲求控制策略和实现的，为柴油机加装EGR后动力下降油耗升高再正常不过… 二、DOC（Disel Oxidation Catalyst 柴油氧化催化器） DOC是将柴油燃烧后的排放物，例如CO、HC和SOF等，进行氧化，然后产生CO2和H2O。但DOC并不能将污染物完全氧化，其转换效率分别为：CO：70-90%；HC：60-80%；SOF：40-50%。所以，仅仅DOC是不够的… 三、NSC（NOx Storage Catalyst 氮氧化物存储式催化转化器）