第五章 柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒

1、第四章 柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒汽油機(jī)與柴油機(jī)相比主要有如下特點(diǎn): 汽油機(jī) 柴油機(jī)1. 點(diǎn)燃式。 壓燃式。2.影響小。 影響大。ii3.進(jìn)入氣缸的是混合氣，混合時(shí)間長(zhǎng)。 進(jìn)入氣缸的是新鮮空氣，混合時(shí)間短。4. 高，熱負(fù)荷大。 高，機(jī)械負(fù)荷大。maxTpmax5. 壓縮比低， = 610。 壓縮比高， = 1222。6. 有爆燃問(wèn)題。 有工作粗暴問(wèn)題。7. 組織氣流運(yùn)動(dòng)的目的是為了 組織氣流運(yùn)動(dòng)的目的是為了 加速火焰?zhèn)鞑?，防止爆燃?促進(jìn)燃油與空氣更好地混合。4-1 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)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

2、高壓噴油在氣缸內(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。二、燃燒過(guò)程 p 示功圖曲線下的面積表示有用功的大小。（一） 著火延遲期 或稱(chēng)滯燃期 12i （著火延遲角）i1 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 ） ，但并不馬上著火。 燃燒需要: 物理準(zhǔn)備 霧化、吸熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散、混合化學(xué)準(zhǔn)備 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: = 0.00070.003 s；對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱(chēng)為著火延遲角。ii 盡管著火延遲期很短，但卻對(duì)燃

3、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i重要。（二） 速燃期 23 2 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 最高壓力點(diǎn)。max3pp 為表示 23 階段壓力升高的急驟程度，引入概念 壓力升高率: kpa/degCA 2323ppp ， 沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命pmaxp ， 做功不利，柴油機(jī)性能。pmaxp（三） 緩燃期 344 最高溫度點(diǎn)。 17002000 。放熱量達(dá) 7080%。max4TT 噴油在這一階段停止。 V，p，接近等壓燃燒。廢氣量，氧氣、燃油量 燃燒。（四）補(bǔ)燃期 455 放熱量達(dá) 9597%。 補(bǔ)燃期在膨脹過(guò)程中。 補(bǔ)燃期 ，動(dòng)

4、力性，冷卻水溫度，排氣溫度，排放差。teg 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 影響著火延遲期的因素i（一） 壓縮溫度和壓力 直接影響因素cTcp ， cpcTi ln ii（二） 壓縮比 ， cpcTi（三） 噴油提前角 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 ， pcTci ， pcTci 所以，有一個(gè)使為最小的。i 高速時(shí): 1015 degCA imin 低速時(shí): 510 degCA imin 一 般: = 510 degCA （四） 轉(zhuǎn)速 n n 漏氣、散熱損失 ，；cpcT 噴油壓力 霧化；氣流運(yùn)動(dòng) 蒸發(fā) 混合氣形成好

5、轉(zhuǎn) 。i 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) 。i（六） 增壓 增壓 ， cpcTi四 著火延遲期對(duì)柴油機(jī)性能的影響i 期間噴入缸內(nèi)的燃料量 著火前可燃混合氣量 ii ，。pmaxp ， 沖擊載荷，工作粗暴，柴油機(jī)壽命。ipmaxp 混合氣形成欠佳 柴油機(jī)性能。i4-2 柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒室柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒室一、 柴油機(jī)混合氣形成 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)

6、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 ， 工作粗暴。pmaxp（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，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 ， 工作柔和，噪聲小，pmaxp經(jīng)濟(jì)性較好。3. 但低

7、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、二、 柴油機(jī)的燃燒室柴油機(jī)的燃燒室燃燒室的分類(lèi)（一）（一） 直噴式直噴式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、高速車(chē)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 小型高速車(chē)用柴油機(jī)。2. 預(yù)燃室型 小、中、大型，中、高速車(chē)用柴油機(jī)。直噴半開(kāi)式燃燒室（一）（一） 型型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

8、形成方式: 空間霧化。3. 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（1） 0.40.6Ddk 其中 燃燒室喉口直徑；D 氣缸直徑。kd ，油束射程 燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率。Ddk ，油束射程，氣流運(yùn)動(dòng) 燃油噴在燃燒室壁面上，霧化差。Ddk（2） 0.750.85ckVV 其中 燃燒室容積； 活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的壓縮容積。kVcV 空氣利用率，散熱面積 燃燒好。ckVV 所以，希望盡可能大。ckVV4 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） 工作粗暴。i（3） 1.3， 大 空氣利用率 空氣停留時(shí)間

9、xNO（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）（二） 的改進(jìn)型的改進(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）（三） 球型球型1. 應(yīng)用: 黃河 JN150，6120Q-1 型柴油機(jī)等。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) ， 對(duì)球型燃燒室的影響可參閱 型燃燒室。DdkckVV4. 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 = 0

10、.50.7 mm，或雙孔噴嘴 = 0.30.4 mm。 噴嘴與氣缸蓋平面成 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，200350。（4） 值較小， = 1.1 左右，空氣利用率。（5） ，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性較好。pmaxp（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)。 D g 油膜厚度 蒸發(fā)不完全，燃燒惡化。（四）復(fù)合式（四）復(fù)合式 （ U U 型型 ） 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

11、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 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) 壁面分布燃料多 ，工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。pmaxp 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。對(duì)進(jìn)氣道、擠氣間隙敏感。S0（二）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，副燃燒室位于氣缸蓋內(nèi)，中間用通道連接。（一）（一） 渦流室型渦流室型1. 應(yīng)用: BJ130，495Q 型柴油機(jī)等。2. 混合

12、氣形成方式: 熱混合3. 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 5080 %ckVV燃燒室容積渦流室容積 13.5 %活塞頂面積通道截面積 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 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 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

13、、混合氣和火焰一起經(jīng)過(guò)通道高速?lài)娤蛑魅紵?，壁面附近的濃混合氣首先從渦流室中噴出。在活塞頂部開(kāi)有淺的導(dǎo)流槽，形成強(qiáng)烈的燃燒渦流，即二次渦流，加速混合氣的形成與燃燒。5 主要特點(diǎn)（1） 采用軸針式噴嘴 = 1 mm，針閥開(kāi)啟壓力 9.812 Mpa 。（2） 渦流強(qiáng) 空氣利用率 （ = 1.11.3 ）。（3） n 渦流強(qiáng)度 高速性（4） 壓縮渦流、燃燒渦流使后期放熱大 工作柔和、平穩(wěn)，噪聲小。（5） 相對(duì)散熱面積，節(jié)流損失 經(jīng)濟(jì)性，冷起動(dòng)性。（二）（二） 預(yù)燃室型預(yù)燃室型1 應(yīng)用: 195-2 型柴油機(jī)等。2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 2040 %ckVV燃燒室容積渦流室容積 0.250.7 %活塞頂面積

14、通道截面積 通道個(gè)數(shù)多，截面積小，產(chǎn)生壓縮紊流。噴油器安裝在預(yù)流室中，燃油逆進(jìn)入預(yù)流室的氣流方向噴射。3 工作原理 壓縮過(guò)程 活塞壓迫空氣經(jīng)過(guò)通道流入預(yù)燃室，在預(yù)燃室中形成強(qiáng)烈的壓縮紊流，轉(zhuǎn)速越高，紊流越強(qiáng)。 燃燒過(guò)程 壓縮紊流將一部分小顆粒的燃油吹向預(yù)燃室上部，并在那里首先著火?；旌蠚庵鸷?，預(yù)燃室中的壓力、溫度迅速升高。下部已預(yù)熱的燃油、空氣、混合氣和火焰一起經(jīng)過(guò)通道高速?lài)娤蛑魅紵摇?在主燃燒室中形成強(qiáng)烈的燃燒紊流，加速燃油的霧化和混合氣的形成與燃燒。 低速時(shí)經(jīng)通道進(jìn)入預(yù)燃室的氣流不足以將燃油吹起，一部分燃油穿透氣流噴向主燃燒室，使主燃燒室中初期燃燒的油量增多，壓力升高率增大，工作粗暴，

15、噪聲增大。 4 主要特點(diǎn)（1） 采用軸針式噴嘴，針閥開(kāi)啟壓力 7.812.8 Mpa 。（2） 紊流強(qiáng) 混合氣形成改善 。（3） 節(jié)流作用大 高速時(shí)，工作更加柔和、平穩(wěn)，噪聲更小。（4） 低速性時(shí)易工作粗暴，噪聲大。（5） 相對(duì)散熱面積，節(jié)流損失 經(jīng)濟(jì)性。4-3 影響燃燒過(guò)程的因素影響燃燒過(guò)程的因素一、柴油的性能一、柴油的性能1.1.柴油的自燃性柴油的自燃性柴油的自燃性用十六烷值評(píng)定。 著火性 ，易于起動(dòng)，工作柔和。十六烷值 餾分較重，蒸發(fā)性 ，粘度 ，碳煙 ，經(jīng)濟(jì)性下降。 國(guó)產(chǎn)柴油十六烷值：40502.2.柴油的蒸發(fā)性柴油的蒸發(fā)性柴油的蒸發(fā)性用餾程表示。 餾程低，說(shuō)明這種燃油輕餾分多，蒸發(fā)性

16、好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過(guò)程。50%的餾出溫度、90%和 95%餾出溫度表示。二、使用方面的因素二、使用方面的因素1.1.負(fù)荷負(fù)荷柴油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)方法是“質(zhì)調(diào)節(jié)” ，即空氣量基本上不隨負(fù)荷變化，而只調(diào)節(jié)循環(huán)供油量。負(fù)荷增大，循環(huán)供油量也增大，過(guò)量空氣系數(shù)減小，單位容積內(nèi)混合氣燃燒放出的熱量增加，使缸內(nèi)溫度上升，縮短著火延遲期，從而降低了柴油機(jī)的工作粗暴。負(fù)荷對(duì)著火延遲期的影響，如圖 4-24 所示。圖 4-24 負(fù)荷對(duì)著火延遲期的影響在中、小負(fù)荷工況下，燃燒熱效率的變化一般不大，但隨負(fù)荷增大，循環(huán)供油量加大，使噴油持續(xù)角增加，燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，并且過(guò)量空氣系數(shù)減小，不完全燃燒現(xiàn)象增加，使燃

17、燒熱效率下降。負(fù)荷過(guò)大，過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)小，因空氣不足，燃燒惡化，排氣冒黑煙，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步下降。當(dāng)柴油機(jī)冷起動(dòng)及怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸內(nèi)溫度低，潤(rùn)滑油粘度大，柴油機(jī)摩擦損失較大，盡管無(wú)負(fù)荷，但循環(huán)供油量卻不能太?。欢乙蚋變?nèi)溫度低，著火延遲時(shí)間增長(zhǎng)，致使壓力升高率大，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，通常稱(chēng)為“惰轉(zhuǎn)噪音” 。 “惰轉(zhuǎn)噪音”是在怠速或低速小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象，隨著負(fù)荷加大，柴油機(jī)熱狀態(tài)正常后， “惰轉(zhuǎn)噪音”會(huì)自行消失。2.2.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于散熱損失和活塞環(huán)的漏氣損失減小，使壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力增高；轉(zhuǎn)速升高也會(huì)使噴油壓力提高，改善燃油的霧化，這些都使得以秒為單位的著火落后期縮短，而以

18、曲軸轉(zhuǎn)角為單位的著火延遲期則有可能縮短，也可能延長(zhǎng)，如圖轉(zhuǎn)速對(duì)著火延遲期影響，如圖 4-25 所示。圖 4-25 轉(zhuǎn)速對(duì)著火延遲期影響虛線-直噴式燃燒室 實(shí)線-渦流室燃燒室一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都會(huì)使燃燒熱效率降低。轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，燃燒所占的曲軸轉(zhuǎn)角加大，充氣效率下降，熱效率下降；轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，空氣渦流減弱，噴油壓力下降，使混合氣質(zhì)量變差，熱效率也會(huì)下降。3.3.供油提前角供油提前角供油提前角過(guò)大，噴油時(shí)氣缸內(nèi)溫度、壓力較低，著火落后期較長(zhǎng)，壓力升高率和最大燃燒壓力增大，導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴，的排放量也會(huì)由于燃燒溫度的升高而增加。過(guò)早燃燒XNO還會(huì)增加壓縮負(fù)功，降低柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。供油提前角過(guò)小，燃油不能在上止點(diǎn)附近及時(shí)燃燒，微粒的排放也會(huì)增加，排氣溫度升高，散熱損失增加，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性也不利。對(duì)于每一種工況，均有一個(gè)最佳的供油提前角，此時(shí)在負(fù)荷及轉(zhuǎn)速不變的前提下，功率最高有效燃油消耗率最低。但為了兼顧降低的排放量和燃燒 圖 4-26 噴油提前角的XNO影響噪聲的需要，一般調(diào)節(jié)供油提前角略小于最佳的供油提前角。如圖 4-26 所示為一直噴式柴油機(jī)在不變的中等轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷下，噴油提前角的變化所產(chǎn)生