發(fā)動(dòng)機(jī)原理——第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒

1、第三章柴油機(jī)混合氣形成和燃燒§ 3-1柴油機(jī)混合氣形成一兩種基本形式（一）空間霧化將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運(yùn)動(dòng)達(dá)到充分混合。特點(diǎn)：1對(duì)燃料噴霧要求高 （采用多孔噴嘴）燃燒易于完全，經(jīng)濟(jì)性好。2對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)要求不高后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)物包圍，高溫裂解排氣冒煙。3但初期空間分布燃料多，燃燒迅速P ，pmax 工作粗暴。（二）油膜蒸發(fā) （M過(guò)程）空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上， 只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，

2、邊燃燒。初 期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速（先緩后急）。特點(diǎn):1對(duì)燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)要求高2放熱先緩后急 ，pmax工作柔和，噪聲小，經(jīng)濟(jì)性 較好。3但低速性能不好，冷起動(dòng)困難。對(duì)進(jìn)氣道、燃料供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴(yán)格二燃料的噴霧（一）噴霧的作用只有當(dāng)燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時(shí)，才有可能燃燒。接觸面積越大，可燃混合氣越多，燃燒越完善。1 ml 油滴：1 個(gè)，d = 9.7 mm， S = 245 mm2霧化：2.99 107個(gè)，d = 40 m，S = 15 106mm2面積增大5090倍，燃燒反應(yīng)機(jī)會(huì)大大增加。（二

3、）噴霧的形成1油束燃油噴射高壓、高速。一級(jí)霧化一汽缸中空氣的動(dòng)力作用將油束撕 裂成片、帶、泡或大顆粒的油滴。二級(jí)霧化-空氣動(dòng)力作用將片、帶、泡或大 顆粒的油滴再粉碎成細(xì)小的油滴。油束中央速度高，但濃度也高，油滴集中， 顆粒大。邊上油滴松散，顆粒小。但也有說(shuō)法正 好相反，中央油滴速度高，顆粒小，邊上顆粒大。2著火條件濃度、溫度為著火的必要條件中間油粒大，濃度偏高。外側(cè)混合氣形成快，物理準(zhǔn)備快，但初期溫度不 高，化學(xué)準(zhǔn)備沒(méi)有跟上。等溫度適合于著火了，油粒 又過(guò)分發(fā)散，也不會(huì)著火。要控制好濃度與溫度的進(jìn) 程，使之正好配合，方可著火。（三）噴霧特性1 油束射程 L并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的

4、機(jī)理與燃燒室形狀具體分析。L燃料噴到壁面上多 空間混合氣太稀。L燃料集中 混合氣分布不均勻，空氣利用 。2 噴霧錐角反映油束的緊密程度?？资絿娮?油束松散，粒細(xì)。軸針式噴嘴 油束緊密，粒粗。3 霧化質(zhì)量（霧化特性）細(xì)微度油滴平均直徑 細(xì)：霧化好 均勻度油滴最大直徑 - 油滴平均直徑 勻：霧化好 粒細(xì) 均勻度好，粒粗 均勻度差。（四）噴油規(guī)律 單位時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的噴油量隨時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化 規(guī)律。噴油規(guī)律影響放熱規(guī)律，放熱規(guī)律影響動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。1 噴油延遲角噴油提前角 開(kāi)始噴油 上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。'上止點(diǎn) 停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。噴油延遲角 ' 開(kāi)始噴油 停止噴油的

5、曲軸轉(zhuǎn)角。2 噴油延遲角對(duì)性能的影響' 噴油持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) , 工作柔和，但油耗增大 , 排放變 差。噴油持續(xù)時(shí)間短，油耗下降，排放好，但工作粗3噴油延遲角的比較a. '油耗，排放好，但工作粗暴。b. 先急后緩工作粗暴。' 油耗，排放差。c. 先緩后急工作柔和。' 油耗，排放好，盡量采用，但很難做到。（五）噴油嘴1孔式噴嘴主要用于直噴式燃燒室中。孑L數(shù)：1 5 個(gè)， =0.250.8 mm。霧化好，但易阻塞?？讛?shù)越少，霧化越好，但也易阻塞2軸針式噴嘴主要用于分隔式燃燒室中。=1 3 mm,通道間隙二 0.0250.05 mm。霧化差，但有自潔作用，不易阻塞。三 氣流

6、運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成的影響（一）氣流運(yùn)動(dòng)的作用無(wú)氣流運(yùn)動(dòng)、油束緊密。有氣流運(yùn)動(dòng)，油束松散。（二）氣流運(yùn)動(dòng)組織氣流運(yùn)動(dòng)，加速混合氣形成。1進(jìn)氣渦流使進(jìn)氣氣流相對(duì)于汽缸中心產(chǎn)生一個(gè)力，形成渦流。（1）切向氣道特點(diǎn)：氣道母線與汽缸相切。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣流阻力小V缺點(diǎn)：渦流強(qiáng)度對(duì)進(jìn)氣口位置敏感。（2）螺旋氣道特點(diǎn)：進(jìn)氣道呈螺旋型。優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流。缺點(diǎn)：工藝要求高，制造、調(diào)試難度較高2擠氣渦流活塞上行：將活塞頂隙的氣體擠出流向燃燒室中，形成擠氣渦流。 活塞下行：燃燒室中的氣體流向活塞頂隙處，形成反渦流。 *一1擠氣渦流擠氣間隙擠氣渦流強(qiáng)度擠氣面積擠氣渦流強(qiáng)度此時(shí)進(jìn)氣渦流已經(jīng)擠氣渦流雖然不如進(jìn)氣

7、渦流強(qiáng)，但它的形成正好處于壓縮沖程終了, 衰減得很弱，所以擠氣渦流就顯得相當(dāng)重要了。3燃燒渦流燃燒在燃燒室中產(chǎn)生壓力差，形成燃燒渦流。尤其是分隔式的渦流室型燃燒室，汽缸蓋內(nèi)的 副燃燒室中的燃料燃燒后，高壓混合氣流和火焰高 速噴向活塞頂部的主燃燒室中，由于主燃燒室的導(dǎo) 向作用，形成燃燒渦流，或稱二次渦流。（三）熱混合作用1剛性渦流渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度為零，越向邊緣速度越大。2勢(shì)渦流渦流中心質(zhì)點(diǎn)速度最大，壓力最小。越向邊緣速度越小，壓力越大，壁面處速度為零。 一般認(rèn)為渦流為勢(shì)渦流。3熱混合作用 （主要在渦流室型燃燒室的渦流室中產(chǎn)生）渦流中的質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)力作用，離心力使質(zhì)點(diǎn)向外運(yùn)動(dòng)，壓差力使質(zhì)點(diǎn)向中心運(yùn)動(dòng)

8、。若一質(zhì)點(diǎn)密度， 一空氣密度。當(dāng)二時(shí)，一質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng) > 時(shí)，一離心力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向外運(yùn)動(dòng)。當(dāng) < 時(shí)，一壓差力為主，質(zhì)點(diǎn)呈螺旋形向中心運(yùn)動(dòng)。液體油、燃油蒸汽：> 400，向外運(yùn)動(dòng)。燃燒產(chǎn)物：< 0.3，向中心運(yùn)動(dòng)。燃燒產(chǎn)物將新鮮空氣擠向外圍與燃油混合，并使混合氣與燃燒產(chǎn)物分開(kāi)， 火焰呈螺旋形向中心運(yùn)動(dòng)，這就是熱混合作用。§ 3-2柴油機(jī)的燃燒過(guò)程一燃燒過(guò)程的特點(diǎn)和柴油機(jī)燃燒的主要研究方向（一）燃燒過(guò)程的特點(diǎn)1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣2壓縮自燃。（二）柴油機(jī)燃燒的主要研究方向1噴油霧化2噴油規(guī)律3氣流運(yùn)動(dòng)4燃燒室結(jié)構(gòu)配合要好。燃燒過(guò)程p -

9、 示功圖曲線下的面積表示有用功的大小。（一）著火延遲期i或稱滯燃期1-2（著火延遲角j）1 噴油嘴針閥打開(kāi)向缸高壓噴油。此時(shí)，缸內(nèi)溫度雖已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)柴油的自燃溫度（可達(dá)400800 C），但并不馬上著火。燃燒需要：物理準(zhǔn)備一霧化、吸熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合化學(xué)準(zhǔn)備 一分解、氧化 （焰前反應(yīng)）2 缸內(nèi)壓力脫離壓縮線開(kāi)始急驟增高。一般：i = 0.00070.003 s;對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為著火延遲角盡管著火延遲期 j很短，但卻對(duì)燃燒過(guò)程、尤其是柴油機(jī)的燃燒過(guò)程影響很大，因此 十分重要。（二）速燃期2-32點(diǎn)開(kāi)始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。3最咼壓力點(diǎn)。P3 Pmax 0做功不

10、利，柴油機(jī)性能為表示2-3階段壓力升高的急驟程度，引入概念壓力升咼率：pP3P2kpa/degCA 32P，Pmax沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命，Pmax（三）緩燃期3-417002000 C。放熱量達(dá) 704 最高溫度點(diǎn)。匚 Tmax噴油在這一階段停止。燃燒V , p，接近等壓燃燒。廢氣量，氧氣、燃油量（四）補(bǔ)燃期4 55 放熱量達(dá)9597%。補(bǔ)燃期在膨脹過(guò)程中。補(bǔ)燃期t , ge，動(dòng)力性，冷卻水溫度，排氣溫度排放差。所以，應(yīng)盡量減少補(bǔ)燃。柴油機(jī)由于隨噴隨燃，混合時(shí)間短，補(bǔ)燃要比汽油機(jī)嚴(yán)重。三影響著火延遲期j的因素（一）壓縮溫度Tc和壓力pc 直接影響因 素Pc， Tci（二）壓縮比pc

11、， Tci（三） 噴油提前角一影響最大的因素雖然噴油時(shí)的壓力較高，但著火時(shí)刻推遲，使燃燒pc ， TciPc， Tci所以，有一個(gè)使 i為最小的。高速時(shí)：i min 1015 degCA 低速時(shí)：imin 5 10 degCA 般：二 5 10 degCA （四）轉(zhuǎn)速nn漏氣、散熱損失Pc,Tc ;噴油壓力 霧化；氣流運(yùn)動(dòng) 蒸發(fā) 混合氣形成好轉(zhuǎn)j。但n著火延遲角i（五）十六烷值十六烷值 柴油的自然性缸內(nèi)p，T大時(shí)，影響不大；缸內(nèi)p，T小時(shí) j。（六）增壓增壓Pc，Tcj著火前可燃混合氣量四 著火延遲期i對(duì)柴油機(jī)性能的影響 jj期間噴入缸內(nèi)的燃料量Pmax，Pmax沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命

12、。:混合氣形成欠佳柴油機(jī)性能五放熱規(guī)律燃燒放熱率 Q/ 隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系由噴油規(guī)律和實(shí)測(cè)示功圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算而得（一）放熱規(guī)律階段一在速燃期內(nèi)，約占3 degCA。 Q/階段一放熱量約80%，約占40 degCA。 Q/階段一在膨脹過(guò)程內(nèi)，放熱量約20%。（二）燃燒過(guò)程三要素1放熱開(kāi)始時(shí)刻2放熱規(guī)律3放熱持續(xù)時(shí)間（三）希望一先緩后急工作柔和，經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性好,§ 3-3柴油機(jī)供油系統(tǒng)的工作特性及其對(duì)燃燒過(guò)程的影響 一燃油噴射（一） 供油系統(tǒng)的組成油箱 輸油泵 濾油器低壓油管噴油泵 高壓油管 噴油器（噴油嘴）（二） 噴油過(guò)程普遍采用柱塞式噴油泵。柱塞上行，使噴油泵內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力

13、升高 到一定值時(shí)，克服噴油泵上方出油閥彈簧預(yù)緊力和 高壓油管內(nèi)的殘余油壓，頂開(kāi)出油閥，通過(guò)高壓油 管向噴油器供油。上行2點(diǎn)過(guò)了 4點(diǎn)之后，打開(kāi)回油口，使泵內(nèi) 油壓下降。當(dāng)泵內(nèi)油壓小于出油閥彈簧預(yù)緊力和高 壓油管內(nèi)的殘余油壓力時(shí)，出油閥落座，噴油停止。下行2點(diǎn)過(guò)了 4點(diǎn)之后，回油停止，重新進(jìn)油。（三）噴油延遲時(shí)間從噴油泵內(nèi)燃油頂開(kāi)出油閥進(jìn)入高壓油管至油壓壓開(kāi)噴油嘴針閥的時(shí)間原因一高壓油管中燃油壓縮+節(jié)流作用dgdtp（四）幾何供油規(guī)律/從幾何關(guān)系求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn) 度（或/供油每秒）噴油泵供入高壓油管的燃油量/.ml/degPA或ml/s 隨曲軸轉(zhuǎn)角（或時(shí)間t）<p的變化關(guān)系dgp丄 fp

14、Wp ml/s d td gp f pwp ml/degPA 其中fp 柱塞面積mm2 ；wp 柱塞速度ml/degPA 幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律不同噴油泵速度特性及其校正（一）節(jié)流作用1理論上（不存在節(jié)流）上行一當(dāng)3點(diǎn)與5點(diǎn)重合時(shí)，才開(kāi)始供油。當(dāng)2點(diǎn)與4點(diǎn)重合時(shí)，既開(kāi)始回油，停止供油。2實(shí)際上（存在節(jié)流）上行一當(dāng)3點(diǎn)不到5點(diǎn)時(shí)，由于通道小，節(jié)流，已經(jīng)開(kāi)始供油。 關(guān)閉進(jìn)油口時(shí)一供油提前。當(dāng)2點(diǎn)過(guò)了 4點(diǎn)以后，通道小，節(jié)流，才開(kāi)始回油，停止供油。 開(kāi)啟回油口時(shí)一供油持續(xù)。所以，實(shí)際供油比理論供油時(shí)間長(zhǎng)，供油量大。（二）噴油泵速度特性每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān) 系。n節(jié)流作用循環(huán)供油時(shí)間循環(huán)供油量

15、 g（三）車用的適應(yīng)性Me車用一希望n g（例如：低速大負(fù)荷工況）g Me噴油泵速度特性一n因此，噴油泵速度特性不適合于車用，必須進(jìn)行校正。（四）校正1出油閥校正可變減壓容積和可變減壓作用。n節(jié)流作用Me可使循環(huán)供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進(jìn)行調(diào)速器校正。2調(diào)速器校正n g Me在第六章發(fā)動(dòng)機(jī)特性中介紹。三不正常噴射現(xiàn)象（一）二次噴射高壓油管內(nèi)壓力波引起。噴射時(shí)間霧化不良，燃燒不完全，補(bǔ)燃嚴(yán)重，排污 ，炭煙，零件過(guò)熱。（二）斷續(xù)噴射進(jìn)入噴油嘴燃油量不穩(wěn)定，壓力波動(dòng)引起。噴油時(shí)間正常，但針閥運(yùn)動(dòng)次數(shù)，噴油嘴易磨損。（三）隔次噴射低速、尤其是怠速時(shí)，油壓不足，壓不開(kāi)針閥。下一循環(huán)時(shí)

16、油壓聚足，壓開(kāi)針閥噴射。§ 3-4柴油機(jī)的燃燒室-燃燒室的分類(一)直噴式1開(kāi)式中、大型，中、低速船舶、發(fā)電用柴油機(jī)不組織進(jìn)氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式。2半開(kāi)式中、小型，中、咼速車用柴油機(jī)(1)型(2)球型(3)復(fù)合式（U型）(二)分隔式1渦流室型一小型高速車用柴油機(jī)2預(yù)燃室型 一小、中、大型，中、高速車用柴油機(jī)二直噴半開(kāi)式燃燒室（一） 型1應(yīng)用：黃河JN151, 6135Q柴油機(jī)；日野ED100, 6128柴油機(jī)等。2混合氣形成方式：空間霧化。3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(1) 蟲(chóng)D0.4 0.6O其中dk 燃燒室喉口直徑；D 汽缸直徑dk油束射程燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率dkD,

17、油束射程,氣流運(yùn)動(dòng)燃油噴在燃燒室壁面上,霧化差(2) Vk 0.75 0.85Vc其中Vk 燃燒室容積；Vc 活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的壓縮容積VkVc空氣利用率，散熱面積燃燒好所以，希望Vk盡可能大。Vc4主要特點(diǎn)(1) 長(zhǎng)型多孔 (35個(gè)) 噴嘴，孔徑d = 0.250.4 mm 針閥開(kāi)啟壓力19.6 Mpa ，噴霧夾角140160。(2) i工作粗暴。(3) > 1.3, 大 空氣利用率空氣停留時(shí)間NOx(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱面積，冷起動(dòng)性好，經(jīng)濟(jì)性好。(二)的改進(jìn)型1四角型日本五十鈴公司研制。主要特點(diǎn)：(1) 四孔噴油嘴，燃油在四角之前噴射。(2) 油束沿氣流方向下游燃料分布多,上游燃料

18、分布少，使整個(gè)燃燒室內(nèi)霧化均勻2擠流口型英國(guó)潑金斯公司研制。主要特點(diǎn)：擠氣面積擠流強(qiáng)度(三) 球型.1 . . . _7'S1應(yīng)用：黃河JN150, 6120Q-1型柴油機(jī)等。!L-2混合氣形成方式：油膜蒸發(fā)(M過(guò)程)3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)dk，Vl對(duì)球型燃燒室的影響可參閱型燃燒室。D Vc4主要特點(diǎn)(1) 螺旋進(jìn)氣道，進(jìn)氣渦流強(qiáng)。(2) 采用單孔噴嘴二0.50.7 mm,或雙孔噴嘴二0.30.4mm。噴嘴與汽缸蓋平面成70夾角，沿順氣流方向噴射。(3) 由于油膜的隔熱作用，缸壁溫度合適，200350C。(4) 值較小，二1.1左右，空氣利用率。(5) P , pmax，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小

19、。經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性 較好。(6) 冷起動(dòng)性和低速性差，排污嚴(yán)重。(7) 限制缸徑D不可太大，一般在140 mm之內(nèi)。Dg油膜厚度蒸發(fā)不完全，燃燒惡化（四）復(fù)合式 （U型）天津大學(xué)史紹熙研制。1應(yīng)用：新105系列，延安6130柴油機(jī)等。2混合氣形成方式：空間霧化+油膜蒸發(fā)3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：參閱 型燃燒室。4主要特點(diǎn)（1） 噴油基本垂直于氣流方向（順7 ）霧化好。（2）采用螺旋進(jìn)氣道，軸針式噴油嘴。（3） 低速時(shí)，氣流弱一空間分布燃料多改善了冷起動(dòng)性和低 速性。高速時(shí)，氣流強(qiáng)一壁面分布燃料多，Pmax，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。氣流運(yùn)動(dòng)起重要作用。（4）高速性能較差，對(duì)增壓適應(yīng)性差。（5）喉口熱負(fù)荷高。

20、對(duì)進(jìn)氣道、擠氣間隙 S0敏感。三分隔式燃燒室主要用于高速柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：整個(gè)燃燒室分隔成兩個(gè)空間， 主燃燒室設(shè)于活塞頂部，副燃燒室 位于汽缸蓋內(nèi)，中間用通道連接。(一) 渦流室型1應(yīng)用：BJ130, 495Q型柴油機(jī)等。2混合氣形成方式：熱混合3主要結(jié)構(gòu)參數(shù)渦流室容積Vk 燃燒室容積Vc50 80 %通道截面積 活塞頂面積1 3.5 %通道與渦流室相切，產(chǎn)生壓縮渦流。噴油器安裝在渦流室中，順氣流方向噴射。4工作原理壓縮過(guò)程一活塞壓迫空氣經(jīng)過(guò)通道流入渦流室，在渦流室中形成強(qiáng)烈的、有組織的壓縮渦流，渦流流速隨轉(zhuǎn)速的提高而增高。燃燒過(guò)程一渦流室中噴油后，由于離心力作用，燃油被帶到燃燒室外圍，部分燃油附著在壁面上，在通道口附近首先著火。在強(qiáng)烈的渦流作用下，燃燒產(chǎn)物 (密度小于空氣)被卷向渦流室中央，將新 鮮空氣擠向渦流室外圍，形成良好的熱混合。渦流室中混合氣著 火后，渦流室中的壓力、溫度迅速升高，燃油、空氣、混合氣和 火焰一起經(jīng)過(guò)通道高速噴向主燃燒室，