汽車發(fā)動機(jī)原理7章1(王建昕)

1、高速高速（混合著火燃燒210ms）高溫高溫（2000 左右）高壓高壓（柴油機(jī)高達(dá)100bar 以上）復(fù)雜過程復(fù)雜過程：流動、噴霧、傳熱、多相流、燃燒化學(xué)：流動、噴霧、傳熱、多相流、燃燒化學(xué)發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）燃燒所追求的目標(biāo)：發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）燃燒所追求的目標(biāo)： 高高e e(i i) ) 、高高P Pmeme（P Pmimi）、）、低污染、低噪聲振動低污染、低噪聲振動內(nèi)燃機(jī)燃燒的特點：內(nèi)燃機(jī)燃燒的特點：第7章 柴油機(jī)的混合氣形成及燃燒燃燒過程的高速攝影實例：燃燒過程的高速攝影實例：48121620242832400(TDC)火焰特點：火焰特點：多點大面積著火多點大面積著火粗暴粗暴“有焰有焰”燃燒燃燒

2、產(chǎn)生碳煙產(chǎn)生碳煙7.1 柴油機(jī)燃燒過程及其特性分析7.1.1 柴油機(jī)燃燒過程 分為四期：分為四期： 著火落后期著火落后期（ AB ） 速燃期速燃期（ BC ） 緩燃期緩燃期（ CD ） 后燃期后燃期（ DE ）p 現(xiàn)象現(xiàn)象: : 噴霧及混合噴霧及混合+低溫多階段著火，低溫多階段著火，是復(fù)雜的物理化學(xué)過程是復(fù)雜的物理化學(xué)過程 ； 1 1、 著火落后期（著火落后期（ A AB B ）p 著火點的判斷方式：著火點的判斷方式： 示功圖示功圖脫離壓縮線的時點脫離壓縮線的時點高速攝影高速攝影出現(xiàn)火焰出現(xiàn)火焰ROHR ROHR 放熱率由負(fù)變正的拐點放熱率由負(fù)變正的拐點 p 柴油機(jī)的著火落后期對后續(xù)燃燒柴油機(jī)

3、的著火落后期對后續(xù)燃燒過程有重要影響。過程有重要影響。 p 影響著火落后期的主要因素：影響著火落后期的主要因素： 溫度、壓力、噴油量、霧化特性溫度、壓力、噴油量、霧化特性 著火落后期著火落后期與與6 6章的章的滯燃期滯燃期有何不同？有何不同？2 2、速燃期（、速燃期（ BC ）p 現(xiàn)象現(xiàn)象大面積多點著火，燃燒極大面積多點著火，燃燒極快，壓力陡升快，壓力陡升；放熱速率取決于滯燃期內(nèi)放熱速率取決于滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混合氣多少，因此形成的預(yù)混合氣多少，因此速燃期也稱為速燃期也稱為預(yù)混合燃燒期預(yù)混合燃燒期注意與汽油機(jī)的注意與汽油機(jī)的“預(yù)混合預(yù)混合燃燒燃燒”有區(qū)別有區(qū)別2 2、速燃期（、速燃期（ BC ）

4、p 影響影響 dp/ddp/d的主要因素：的主要因素： 滯燃期中的混合氣生成量，與滯燃期中的混合氣生成量，與噴油速率、混合速率、滯燃期長噴油速率、混合速率、滯燃期長短有關(guān)短有關(guān)p燃燒特性參數(shù)：燃燒特性參數(shù)： dp/d對動力性、對動力性、i i 、m m、NOxNOx、振動噪聲有顯著影響，振動噪聲有顯著影響，一般柴油機(jī)：一般柴油機(jī)： dp/d 0.20.6 (MPa/CA)柴油柴油汽油汽油3 3、緩燃期（、緩燃期（ CD ）p 現(xiàn)象現(xiàn)象剩余燃料邊蒸發(fā)混合剩余燃料邊蒸發(fā)混合,邊燃燒，邊燃燒，燃燒速率受控于燃料擴(kuò)散混合速燃燒速率受控于燃料擴(kuò)散混合速率，也稱為率，也稱為擴(kuò)散燃燒期擴(kuò)散燃燒期出現(xiàn)柴油機(jī)燃

5、燒特有的出現(xiàn)柴油機(jī)燃燒特有的“雙峰雙峰”p p pmaxmax的大小及位置：的大小及位置：上止點后上止點后1015CA，取決于噴油，取決于噴油時間、著火落后期、預(yù)混燃燒時間、著火落后期、預(yù)混燃燒p 緩燃期燃燒緩燃期燃燒 “ “過緩過緩”會造成會造成: :等容度等容度，散熱，散熱，ii ；碳煙；碳煙和微粒排放和微粒排放4 4、后燃期（、后燃期（ DE ）p 現(xiàn)象現(xiàn)象 剩余剩余101020%20%的燃料繼續(xù)燃燒的燃料繼續(xù)燃燒，遠(yuǎn)離，遠(yuǎn)離TDCTDC，氣流擾動變?nèi)酰紵瑲饬鲾_動變?nèi)?，燃燒速度下降。速度下降。p 后燃期過長，會造成：后燃期過長，會造成： 等容度等容度，散熱，散熱，碳煙和微碳煙和微粒排

6、放粒排放，排溫，排溫 、 t t ；p 減少后燃的基本思路減少后燃的基本思路 加速混合，以加快燃燒；燃油充加速混合，以加快燃燒；燃油充分霧化。分霧化。p 放熱規(guī)律三要素放熱規(guī)律三要素： 放熱始點放熱始點存在最佳值，一般使存在最佳值，一般使Pmax出現(xiàn)在出現(xiàn)在1015CA ATDC 持續(xù)期持續(xù)期盡可能縮短，一般柴油機(jī)盡可能縮短，一般柴油機(jī)4060CA 形狀形狀因性能要求而異因性能要求而異7.1.2 合理的燃燒放熱規(guī)律7.1.2 合理的燃燒放熱規(guī)律p放熱率形狀：放熱率形狀： （相同放熱始點、持續(xù)期時）（相同放熱始點、持續(xù)期時） a：熱效率最好（見：熱效率最好（見185頁）頁），等容度最高，等容度最

7、高 d：熱效率最低，但排放低：熱效率最低，但排放低 bc：介于上述兩者之間，有：介于上述兩者之間，有多種優(yōu)化結(jié)果，取決于實際需要多種優(yōu)化結(jié)果，取決于實際需要 發(fā)動機(jī)性能發(fā)動機(jī)性能 受控于受控于燃燒特性燃燒特性 受控于受控于混合氣形成混合氣形成本節(jié)從本節(jié)從油油、氣氣兩個方面介紹兩個方面介紹柴油機(jī)混合氣形成過程柴油機(jī)混合氣形成過程擴(kuò)散燃燒速度著火落后期dp/d混合氣形成速度氣流運動氣流運動燃燒室形狀燃燒室形狀噴油規(guī)律噴油規(guī)律7.27.2 燃油噴射及混合氣形成燃油噴射及混合氣形成過程極短過程極短(0.5ms)7.2.1 噴油系統(tǒng)與噴油特性1、對燃料噴射過程的要求、對燃料噴射過程的要求合理的噴油特性（

8、噴油規(guī)律）合理的噴油特性（噴油規(guī)律）良好的霧化特性良好的霧化特性定時定時定量定量不出現(xiàn)異常不出現(xiàn)異常p 噴油特性主要指供油規(guī)律與噴油規(guī)律p 噴油特性和噴霧特性是噴油系統(tǒng)最主要的兩類指標(biāo) （1）噴射延遲階段）噴射延遲階段l 供油提前角供油提前角fs供油始點至供油始點至TDC的的角度角度（油泵出油）l 噴油提前角噴油提前角fj噴油始點至噴油始點至TDC的角的角度度（針閥始動）l 噴油延遲角噴油延遲角fsfj，轉(zhuǎn)速越高、油，轉(zhuǎn)速越高、油管越長，延遲角越大管越長，延遲角越大（2）主噴射階段）主噴射階段l 噴油始點噴油器端壓力開始下降點噴油始點噴油器端壓力開始下降點l 噴入絕大部分燃油，具有良好的霧化噴

9、入絕大部分燃油，具有良好的霧化l qn f(p, 針閥升程，噴油持續(xù)期針閥升程，噴油持續(xù)期)（3）噴油結(jié)束階段）噴油結(jié)束階段l 噴油器端壓力急劇下降點針閥落座噴油器端壓力急劇下降點針閥落座l 燃油霧化質(zhì)量差，盡可能減少噴油量燃油霧化質(zhì)量差，盡可能減少噴油量2、燃油噴射過程（機(jī)械式）3、供油規(guī)律與噴油規(guī)律p供油規(guī)律單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量由噴油泵供入高壓油路中的燃油量稱為稱為供油速率供油速率。供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系稱為系稱為供油規(guī)律供油規(guī)律p噴油規(guī)律：噴油速率噴油速率和噴油規(guī)律噴油規(guī)律定義與上類似噴

10、油泵噴油泵 噴油器噴油器p 供油速率計算供油速率計算PAppPApddhdddq24對于確定的噴油泵，柱塞直徑對于確定的噴油泵，柱塞直徑dp和和柱塞運動規(guī)律（由凸輪型線決定）柱塞運動規(guī)律（由凸輪型線決定）等幾何參數(shù)是一定的，由于可以比等幾何參數(shù)是一定的，由于可以比較準(zhǔn)確地計算出較準(zhǔn)確地計算出 （72）因此也稱因此也稱 為為幾何供油規(guī)律幾何供油規(guī)律注意：看懂圖注意：看懂圖6-14；理解；理解“凸輪工作段凸輪工作段”的概念；在右圖上如要改變工作段應(yīng)怎樣的概念；在右圖上如要改變工作段應(yīng)怎樣調(diào)整；工作段與柱塞有效行程有什么關(guān)系調(diào)整；工作段與柱塞有效行程有什么關(guān)系。p 噴油規(guī)律的計算噴油規(guī)律的計算設(shè)燃油

11、不可壓縮，并作定常流動。設(shè)燃油不可壓縮，并作定常流動。則由伯努利（則由伯努利（Bernoulli）方程可以推導(dǎo)出：方程可以推導(dǎo)出：31026fPAPAnpnAddq其中：其中： A噴油器有效流通面積，是針閥升程的函數(shù)噴油器有效流通面積，是針閥升程的函數(shù)nPA噴油泵轉(zhuǎn)速噴油泵轉(zhuǎn)速 p噴孔前油壓（嘴端壓力）與氣缸內(nèi)壓力之差噴孔前油壓（嘴端壓力）與氣缸內(nèi)壓力之差f燃油密度燃油密度 nPA對于確定工況是常數(shù)；對于確定工況是常數(shù)； f可作常數(shù)處理；若測得可作常數(shù)處理；若測得A與針閥升程的函數(shù)與針閥升程的函數(shù)關(guān)系，則可根據(jù)圖關(guān)系，則可根據(jù)圖613所示的噴油器壓力所示的噴油器壓力pn和針閥升程和針閥升程hn

12、，算出噴油規(guī)算出噴油規(guī)律。這種方法稱為律。這種方法稱為壓力升程法壓力升程法。 另外還有另外還有波許長管法波許長管法、蜂巢法蜂巢法。？為什么會出現(xiàn)兩者的差異？為什么會出現(xiàn)兩者的差異燃油的可壓縮性燃油的可壓縮性壓力波傳播滯后相位變化壓力波傳播滯后相位變化壓力波反射疊加形狀變化壓力波反射疊加形狀變化高壓油管彈性變形高壓油管彈性變形p 實際發(fā)動機(jī)中的供油規(guī)律與噴油規(guī)律對比實際發(fā)動機(jī)中的供油規(guī)律與噴油規(guī)律對比最終影響發(fā)動機(jī)性能最終影響發(fā)動機(jī)性能的是噴油規(guī)律的是噴油規(guī)律7.2.2 缸內(nèi)氣流運動p分類：分類： 渦流、滾流、擠流渦流、滾流、擠流控制油氣宏觀混合控制油氣宏觀混合 湍流湍流促進(jìn)油氣微觀混合促進(jìn)油氣

13、微觀混合1、 渦流渦流（Swirl） 繞氣缸中心線的有規(guī)則的氣流運動。柴油機(jī)中最常用繞氣缸中心線的有規(guī)則的氣流運動。柴油機(jī)中最常用 （1）渦流種類：渦流種類：進(jìn)氣渦流進(jìn)氣渦流、壓縮渦流壓縮渦流 （2）評價指標(biāo)：）評價指標(biāo)：渦流比渦流比渦流轉(zhuǎn)速渦流轉(zhuǎn)速 / 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（3 3）進(jìn)氣渦流產(chǎn)生方式：）進(jìn)氣渦流產(chǎn)生方式： 導(dǎo)氣屏導(dǎo)氣屏：結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度可調(diào)，：結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度可調(diào)，=0=04 4，但阻力大，一般用于試驗發(fā)動機(jī)；但阻力大，一般用于試驗發(fā)動機(jī)； 切向氣道切向氣道：進(jìn)氣道與氣缸切向布置以形成渦流，結(jié)構(gòu)簡單，但：進(jìn)氣道與氣缸切向布置以形成渦流，結(jié)構(gòu)簡單，但=1=12 2； 螺旋氣道螺旋氣

14、道：以復(fù)雜的螺旋氣道在進(jìn)入氣缸前形成渦流，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但阻力：以復(fù)雜的螺旋氣道在進(jìn)入氣缸前形成渦流，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但阻力 小，小， =2=24 4； 組合氣道組合氣道：例如：例如“1“1切切1 1螺螺”，隨工況不同可關(guān)閉其中一個氣道。，隨工況不同可關(guān)閉其中一個氣道。一對矛盾：一對矛盾： ， c根據(jù)動量守恒的關(guān)系，有：根據(jù)動量守恒的關(guān)系，有：c、 : 壓縮終了時和進(jìn)氣終了時的渦流比壓縮終了時和進(jìn)氣終了時的渦流比D 、 dk : 氣缸直徑、燃燒室凹坑入口直徑氣缸直徑、燃燒室凹坑入口直徑（4）進(jìn)氣渦流在缸內(nèi)的發(fā)展）進(jìn)氣渦流在缸內(nèi)的發(fā)展22kcdD渦流在缸內(nèi)發(fā)展的兩個實例渦流在缸內(nèi)發(fā)展的兩個實例 壓縮上止點

15、時均達(dá)峰值壓縮上止點時均達(dá)峰值 縮口使縮口使c明顯提高，并保持到上止明顯提高，并保持到上止點后（點后（與理想與理想ROHRROHR有何關(guān)系有何關(guān)系）對柴油機(jī)燃燒真正有意義的是對柴油機(jī)燃燒真正有意義的是c ， 而不是而不是（5）壓縮渦流）壓縮渦流 主要指渦流室燃燒室中，氣體主要指渦流室燃燒室中，氣體在壓縮過程中由主燃室進(jìn)入渦流在壓縮過程中由主燃室進(jìn)入渦流室時產(chǎn)生的渦流（室時產(chǎn)生的渦流（一次渦流一次渦流），），以及相反運動時的渦流（以及相反運動時的渦流（二次渦二次渦流流）。）。 不會引起不會引起c，但增加流動，但增加流動損失和散熱損失損失和散熱損失2、擠流、擠流壓縮時空氣被擠入燃燒室凹坑內(nèi)形成壓縮

16、時空氣被擠入燃燒室凹坑內(nèi)形成擠流擠流膨脹時燃燒氣體沖出凹坑形成膨脹時燃燒氣體沖出凹坑形成逆擠流逆擠流擠流強(qiáng)度擠流強(qiáng)度 dk/D、S0特點：不影響特點：不影響c和和，但強(qiáng)度較弱，但強(qiáng)度較弱，作用小于渦流，起輔助作用作用小于渦流，起輔助作用思考：汽油機(jī)中的擠流運動思考：汽油機(jī)中的擠流運動3 3、湍流（紊流）、湍流（紊流）n形成方式：形成方式：活塞運動自然形成的湍流，較弱且不可控；活塞運動自然形成的湍流，較弱且不可控；預(yù)燃室中的空氣運動（如圖，壓縮和膨脹均有）；預(yù)燃室中的空氣運動（如圖，壓縮和膨脹均有）；非回轉(zhuǎn)體燃燒室（參見講義圖非回轉(zhuǎn)體燃燒室（參見講義圖9-109-10）；）；燃燒沖擊形成湍流（預(yù)燃室的主燃室）燃燒沖擊形成湍流（預(yù)燃室的主燃室） 4 4 滾流滾流 繞垂直于氣缸軸線的有規(guī)則的