汽车排放及控制技术第五章

２. 预燃室式燃烧室 预燃室式燃烧室的结构如图５-２ 所示。
二、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，凹坑与汽缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。 常见的有 代表性的结构见图５-３ 所示。
为了降低柴油机的排放，燃油喷射系统的改进是关键。 低排放燃烧系 统应该满足以下要求: (１)各种工况下都应有较高的喷油压力，以得到足够高的燃油流出的初 速度，使燃油粒度细化以提高雾化质量并加快燃烧速度，从而改善排放 性能。 (２)优化喷油规律，实现每循环多次喷射。 (３)每循环的喷油量能适应各种工况的实际需要。 (４)各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机动力性、经济性和排
三、喷油时刻 喷油定时是间接地通过滞燃期来影响发动机性能的。 喷油提前角过大，则燃
料在柴油机的压缩行程中燃烧的数量就多，不仅增加压缩负功，使燃油消耗
率上升，功率下降，而且因滞燃期较长，压力升高率和最高燃烧温度、压力 升高，使得柴油机工作粗暴、ＮＯｘ 排放量增加ꎻ如果喷油提前角过小，则 燃料不能在上止点附近迅速燃烧，导致后燃增加，虽然最高燃烧温度和压力 降低，但燃油消耗率和排气温度增高，发动机容易过热。 所以，柴油机对应 每一工况都有一个最佳喷油提前角。 喷油定时对柴油机的ＨＣ 排放的影响比较复杂。 大负荷时影响颗粒排放浓度的主要是固相碳，喷油延迟，烟度会增加，即颗 粒中固相碳的比例增加。 而在小负荷、怠速情况下推迟喷油，由于燃烧温度 低，燃烧不完善，从而导致碳氢排放量即颗粒中可溶性物质比例的增加。
二、柴油机的主要排放污染物 相对于汽油机而言，柴油机由于过量空气系数比较大，一氧化碳(ＣＯ)和碳氢 化合物(ＨＣ)排放量要低得多，但普通的燃油供给系统使柴油机具有致癌作用 的微粒排放量比汽油机大几十倍甚至更多。 因此，控制柴油机排放物的重点， 就在于降低柴油机的ＮＯｘ 和微粒(包括碳烟)排放。 表５￣１ 对车用柴油机 和汽油机的排放进行了比较。
对柴油机燃油喷射系统的要求是:在实现喷油量的精确控制前提下，实现可 独立于喷油量和发动机转速的高压喷射，同时实现对喷油正时的柔性控制
和对喷油速率的优化控制。
在传统的柴油喷射系统基础上，首先发展起来的电控喷射系统是位置控 制系统，称之为第一代电控喷射系统。 基于电磁阀的时间控制系统，则 称为第二代电控喷射系统。 第三代电控系统———电控高压共轨系统被
一、柴油机的燃烧过程 柴油机的燃烧过程可划分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。 第Ⅰ阶段———滞燃期，指柴油开始喷入汽缸到着火开始的这一段时期。 第Ⅱ阶段———速燃期，指从着火开始到出现最高压力的这一段时期。 第Ⅲ阶段———缓燃期，指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时期。 第Ⅳ阶段———后燃期，指从缓燃期终点到燃油基本烧完(一般放热量达到循 环总放热量的９５％ ~９７％时)的这一段时期。
三、柴油机的主要机内净化技术 就燃烧过程来比较，柴油机远比汽油机复杂得多，因而可用于控制有害物生 成的燃烧特性参数也远比汽油机复杂得多，这使得寻求一种兼顾排放、热效 率等各种性能的理想放热规律成了柴油机排放控制的核心问题。表５-２ 给
出了降低柴油机ＮＯｘ 和微粒排放的相关技术措施。
一、非直喷式燃烧系统 非直喷式燃烧室有主、副燃烧室两部分，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。 燃烧室按构造划分，主要有涡流 室式燃烧室和预燃室式燃烧室两种。 １. 涡流室式燃烧室 图５-１ 为涡流室式燃烧室的结构图。
二、时间控制系统 时间控制系统是第二代柴油机电控燃油喷射系统，它改变了传统喷射系统 的结构，将原有的机械式喷油器改用高速强力电磁阀喷油器，以脉动信号 来控制电磁阀的吸合与断开，以此来控制喷油器的开启与关闭。 时间控制式电控燃油喷射系统的特点: (１)属直接数字电控喷射系统，脉动式高压燃油与开关式电磁控制阀直接 接口。 (２)采用高速强力电磁阀的溢流控制实现喷油量和喷油定时的控制，使传 统喷油系统的结构得到简化和强化，喷射特性得到改善，适合于高压喷射。 (３)燃油量的计量是一种时间计量方式，用两个连续的开关脉冲来设定有 效供油行程。由于开关时间依赖于特定的瞬时转速，而在加速或减速期间 速度变化非常快，因此要保持喷射的有效行程较为困难。 (４)电磁阀的响应时间对喷油过程的影响较大，特别在高速时需通过对电 磁阀的合理设计尽量缩短响应时间，以提高控制精度。
世界发动机行业公认为２０ 世纪三大突破之一，将成为２１ 世纪柴油机
燃油喷射系统的统采 用的是位置控制。如图５-７ 所示 是一种用线性螺线管作为执行器的 直列泵油量调节齿杆行程或位置控 制装置的结构图。
在循环供油量位置控制的直列泵中，可以如 图５￣８ 所示在柱塞偶件上增加一个控制 滑套，由控制滑套的上下移动改变供油始点， 而柱塞有效行程不变，即循环供油量不变。 如图５￣９ 所示，当滑套上移时，柱塞预 行程增大，即喷油泵柱塞在凸轮型线工作段 上速度较高的区段工作，供油速率增大ꎻ反 之，供油速率减小。
放性能综合最优。
一、喷油压力 喷油过程中，喷油压力是对柴油 机性能影响极大的一个因素，特 别是直喷式柴油机。高的喷射压 力可明显改善燃油和空气的混合， 从而降低烟度和颗粒的排放，同 时又可大大缩短着火延迟期，使 柴油机工作柔和。 如图５-５ 所示，当喷油压力从８ ０ＭＰａ 提高到１６０ＭＰａ 时， 大负荷时的烟度从１. ７ 降到０. ５ 以下，中等负荷时接近０。一 般情况下，高压喷射会使ＮＯｘ 增加，但如果合理利用高压喷射 时燃烧持续期短的特点，同时并 用推迟喷油时刻或废气再循环等 方法，可使微粒和ＮＯｘ 同时降 低。
二、喷油规律 喷油规律是影响柴油机排放的主要因素。 根据对柴油机的燃烧过程研究和分析，可 得出以下结论: (1)滞燃期内的初期喷油量控制了初期放热率，从而影响最高燃烧压力和最大压力升 高率。 这些都直接与柴油机噪声、工作粗暴性和ＮＯｘ 排放等相关。
(2)为了提高循环热效率，应尽 量减小喷油持续角，并使放热 中心接近上止点。 (3)在喷油后期，喷油率应快速 下降以避免燃烧拖延，造成烟 度及耗油量的加大。 喷油后期 也不应该出现二次喷射及滴油 等不正常情况。 为了实现这种理想的燃烧过程， 必须有合理的喷油规律，“初 期缓慢，中期急速，后期快 断”，如图５￣６ 所示。