第五章柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒

1、第五章第五章 柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 燃油的噴射與霧化燃油的噴射與霧化第二節(jié)第二節(jié) 燃燒與放熱燃燒與放熱第三節(jié)第三節(jié) 混合氣形成與燃燒室混合氣形成與燃燒室第四節(jié)第四節(jié) 燃燒過程的優(yōu)化燃燒過程的優(yōu)化第一節(jié)第一節(jié) 燃油的噴射與霧燃油的噴射與霧化化一、噴油系統(tǒng)一、噴油系統(tǒng) 1、作用：、作用： 定時(shí)定量并按一定規(guī)律向柴油機(jī)各缸供給高壓燃油。2、要求：、要求： 1)產(chǎn)生足夠高的噴油壓力； 2)實(shí)現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律； 3)對(duì)于確定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，精確控制噴油量； 4)避免出現(xiàn)異常噴射現(xiàn)象。3、工作原理、工作原理動(dòng)畫4、柱塞式噴油泵泵油原理、柱塞式噴油泵泵油原理柱塞

2、式柱塞式噴油泵泵油原理噴油泵泵油原理.doc5、噴油器工作原理：、噴油器工作原理：噴油器噴油器.doc二、噴射與霧化二、噴射與霧化1.噴射過程噴射過程:n定義：定義：噴油泵開始供油直至噴油器停止噴 油的過程，整個(gè)噴射過程在全負(fù)荷 下約占1540曲軸轉(zhuǎn)角。 噴噴射射過過程程噴射延遲階段噴射延遲階段I：從噴油泵柱塞頂封閉進(jìn)回油孔的理論供油始點(diǎn)到噴油器針閥開始升起(噴油始點(diǎn))為止。主噴射階段主噴射階段 ：從噴油始點(diǎn)到噴油器端壓力開始急劇下降為止。噴油結(jié)束階段噴油結(jié)束階段 ：從噴油器端壓力開始急劇下降針閥完全落座 (噴油終點(diǎn))為止。圖5-72.供油規(guī)律與供油規(guī)律與噴油規(guī)律：噴油規(guī)律：n供油速率供油速率

3、：?jiǎn)挝煌馆嗇S轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量；n噴油速率噴油速率：?jiǎn)挝煌馆嗇S轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量；n供油規(guī)律供油規(guī)律：供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時(shí)間）的變化關(guān)系。n噴油規(guī)律噴油規(guī)律：噴油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時(shí)間）的變化關(guān)系。圖5-8差別： 始點(diǎn)差別822曲軸轉(zhuǎn)角； 噴油持續(xù)時(shí)間較供油持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)； 最大噴油速率較供油速率低，其形狀有明顯畸變，循環(huán)噴油量也低于循環(huán)供油量。n兩者的差別主要原因：兩者的差別主要原因： 燃油的可壓縮性 壓力波傳播滯后 壓力波動(dòng) 高壓容積變化3.噴霧特性與霧化質(zhì)量：噴霧特性與霧化質(zhì)量：n燃油噴入燃燒時(shí)后被粉碎分散為細(xì)小微粒的過程，稱

4、為燃油的噴霧或霧化燃油的噴霧或霧化。n將燃油噴射霧化，可以大大增加增加其表面積，加速加速混合氣形成。n當(dāng)燃油高速?gòu)膰娍讎姵?噴出速度為l00一300ms) 便形成如園錐形狀的噴注噴注，也稱油束。油束。 油束的幾何形狀主要包括油束射程油束射程(又稱貫穿距離)和噴霧錐角噴霧錐角或油束的最大寬度。圖5-9a 油束射程油束射程L 并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的機(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。b 噴霧錐角噴霧錐角 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。c 霧化質(zhì)量（霧化特性）霧化質(zhì)量（霧

5、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。一般情況下：噴霧錐角過大，貫穿距離會(huì)減??；噴霧錐角過小，霧化程度會(huì)變差。3.不正常噴射不正常噴射( (一一) )二次噴射二次噴射 二次噴射是主噴射結(jié)束針閥落座針閥落座后，在過大的反射波作用下，針閥再次升起進(jìn)行噴油的一種不正?，F(xiàn)象。二次噴射的出現(xiàn)特使整個(gè)噴射延續(xù)期拉長(zhǎng)，過后燃燒嚴(yán)重，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降熱負(fù)荷增加，應(yīng)當(dāng)要力求消除二次噴射。 消除二次噴射消除二次噴射 (1)減少高壓油路中的容積 (2)適當(dāng)加大噴油器的噴孔直徑 (3)適當(dāng)加大出油閥的減壓容積(二二)滴油滴油 在正常噴射結(jié)

6、束后，如斷油不干脆，仍有少量柴油滴出，稱為滴油滴油。(三三)斷續(xù)噴射斷續(xù)噴射(四四)不規(guī)則噴射和隔次噴射不規(guī)則噴射和隔次噴射(五五) 穴蝕穴蝕第二節(jié)第二節(jié) 燃燒與放熱燃燒與放熱n燃燒過程的特點(diǎn) 1 高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。 2 壓縮自燃。n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。 一、燃燒過程一、燃燒過程 柴油機(jī)燃燒過程非常復(fù)雜，為了便于分析和揭示燃燒過程的規(guī)律，通常將這一連續(xù)的燃燒過程分為四個(gè)階段，即著火延遲期（著火延遲期（又稱為滯燃期、落后期）、滯燃期、落后期）、速燃期、緩燃期速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃補(bǔ)燃期，期，如圖所示。 （一）

7、著火延遲期著火延遲期 從柴油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點(diǎn))起到著火開始點(diǎn)(B點(diǎn))為止的這一段時(shí)期稱為著火延遲期著火延遲期。 著火延遲期內(nèi)，燃燒室內(nèi)的混合氣進(jìn)行著復(fù)雜的物理化學(xué)物理化學(xué)準(zhǔn)備準(zhǔn)備過程。 物理準(zhǔn)備過程：燃油的霧化擴(kuò)散、蒸發(fā)、汽化和混合等； 化學(xué)準(zhǔn)備過程：混合氣的先期化學(xué)反應(yīng)直至開始自燃。 特點(diǎn)：壓力沒有偏離壓縮線。 著火延遲期 影響著火延遲期長(zhǎng)短影響著火延遲期長(zhǎng)短的主要因素：的主要因素：燃燒室內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)：噴油時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短。柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。燃燒室的形狀和壁溫等。圖5-14 86（二）速燃期（二）速燃期速燃期速燃期: :從開始著火（

8、即壓力偏離壓縮線開始急劇上升(B點(diǎn))）到出現(xiàn)最高壓力(C點(diǎn)).特點(diǎn)：特點(diǎn)：形成多個(gè)火焰中心，持續(xù)噴油，即隨噴隨燃隨噴隨燃。壓力急劇上升，壓力達(dá)到最高（有可能達(dá)到13MPa以上）。速燃期速燃期 一般用壓力升高率壓力升高率pMPa()表示壓力急劇上升的程度。式中：p速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)的氣體壓 力差（MPa）; 速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)相對(duì)于上 止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角差（CA）。 pp影響： 壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性會(huì)較好； 壓力升高率過大，則柴油機(jī)工作粗暴，燃燒噪音大；同時(shí)運(yùn)動(dòng)零件承受較大的沖擊負(fù)荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。 壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機(jī)的壓力升高率一般應(yīng)不大

9、于0.40.5 MPa()曲軸。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的壓力升高率較大?？刂茐毫ι呗实拇胧┛刂茐毫ι呗实拇胧p小在著火延遲期內(nèi)的可燃混合氣的量 縮短著火延遲期的時(shí)間； 減少著火延遲期內(nèi)噴入的燃油或可能形成可燃混合氣的燃油 （三）（三） 緩燃期緩燃期 緩燃期緩燃期為圖中的CD段即從最大壓力點(diǎn)至最高溫度點(diǎn)。 當(dāng)緩燃期開始時(shí)，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。 緩燃期 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。 （2）壓力開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達(dá)到最高。最高溫度可達(dá)2000K左右，一般在上止點(diǎn)后上止點(diǎn)后20203535曲軸轉(zhuǎn)角

10、曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。 （四）（四） 補(bǔ)燃期補(bǔ)燃期 從最高溫度點(diǎn)起到燃油基本燒完時(shí)為止稱為補(bǔ)燃期補(bǔ)燃期。 補(bǔ)燃期的終點(diǎn)很難準(zhǔn)確地確定，一般當(dāng)放熱量達(dá)到循環(huán)總放熱量的9599時(shí)，可認(rèn)為補(bǔ)燃期結(jié)束。即整個(gè)燃燒過程結(jié)束。補(bǔ)燃期 補(bǔ)燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃后燃，由于燃燒時(shí)間短促，混合氣又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負(fù)荷工況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時(shí)間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。 在補(bǔ)燃期中，由于活塞下行了相當(dāng)?shù)木嚯x，氣缸內(nèi)容積增大很多，缸內(nèi)壓力和溫度迅速下降，故燃燒速度很慢，所放出的熱量很難有效利用，還使排氣溫度升高，導(dǎo)致散熱損失增大，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不

11、利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負(fù)荷。 因此，應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期，減少補(bǔ)燃期內(nèi)燃燒應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期，減少補(bǔ)燃期內(nèi)燃燒的燃油量。的燃油量。 二、燃燒放熱規(guī)律二、燃燒放熱規(guī)律l瞬時(shí)放熱速率瞬時(shí)放熱速率：在燃燒過程中的某一時(shí)刻 ，單位時(shí)間(單位曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)燃燒的燃油所放出的熱量。l累計(jì)放熱百分比：累計(jì)放熱百分比：從燃燒過程開始至某一時(shí)刻止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。l燃燒放熱規(guī)律：燃燒放熱規(guī)律：瞬時(shí)放熱速率和累計(jì)放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。圖5-15 88 燃燒放熱規(guī)律影響到燃燒過程中缸內(nèi)壓力溫度的變化進(jìn)而影響到柴油機(jī)的性能。第三節(jié)第三節(jié) 混合氣形成與燃燒室混合氣形成與燃燒室一、柴油機(jī)混合

12、氣形成的特點(diǎn)一、柴油機(jī)混合氣形成的特點(diǎn)和方式：方式：1.混合氣形成特點(diǎn)：混合氣形成特點(diǎn)：（1）缸內(nèi)進(jìn)行缸內(nèi)進(jìn)行，即在壓縮行程接近終了時(shí)柴油由噴射系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，時(shí)間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內(nèi)的工質(zhì)成分隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化。（2）采用較大的過量空氣系數(shù)較大的過量空氣系數(shù)，柴油本身粘度大，蒸發(fā)性不好。（3）混合氣在高溫、高壓下多點(diǎn)自燃著火燃燒，且混合過程、著火過程和燃燒過程共存。 2. 混合氣形成基本方式混合氣形成基本方式1、空間霧化混合空間霧化混合 將燃油噴向燃燒室空間燃燒室空間進(jìn)行霧化，通過燃油與空氣間的相互運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，在空間形成可燃混合氣。l相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越高，混合氣越均勻。2、

13、壁面油膜蒸發(fā)混合壁面油膜蒸發(fā)混合 （M過程過程） 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 （先緩后急先緩后急）。圖5-20 92兩種混合方式兼而有之 目前多數(shù)車用柴油機(jī)仍以空間霧化混合為主，而有些車用球型燃燒室柴油機(jī)則以油膜蒸發(fā)混合為主。二、空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成的影響二、空氣運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成的影響 柴油的噴霧是混合氣形成的首要步驟，其次是如何使柴油和空氣完

14、好地混合。1、使柴油找空氣2、合理組織氣流運(yùn)動(dòng)使空氣去尋找柴油，以改善油、氣混合，n組織氣流運(yùn)動(dòng)，加速混合氣形成。 n可加快火焰?zhèn)鞑?，促使燃燒過程迅速進(jìn)行。三、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)三、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)氣渦流進(jìn)氣渦流壓縮渦流壓縮渦流進(jìn)氣渦流：進(jìn)氣渦流：在氣缸蓋上采用特殊形狀的進(jìn)氣道,使空氣進(jìn)入氣缸時(shí),形成繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的氣流運(yùn)動(dòng)。n渦流比：渦流比：渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之比。n產(chǎn)生進(jìn)氣渦流運(yùn)動(dòng)的方法有:導(dǎo)氣屏、切向進(jìn)氣道、螺旋進(jìn)氣道、組合進(jìn)氣系統(tǒng)1.渦流渦流形狀最復(fù)雜，渦流比為24，適用于進(jìn)氣渦流強(qiáng)度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)。形狀簡(jiǎn)單，渦流比為12，適用于進(jìn)氣渦流強(qiáng)度要求不高的發(fā)動(dòng)機(jī)。導(dǎo)氣

15、屏導(dǎo)氣屏設(shè)置在進(jìn)氣門上，導(dǎo)引進(jìn)氣流以不同角度流入氣缸在氣缸避免的約束配合下產(chǎn)生渦流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單進(jìn)氣道可不作特殊設(shè)計(jì)，渦流比為04，但阻力最大，一般用于實(shí)驗(yàn)研究用發(fā)動(dòng)機(jī)。組合進(jìn)氣系統(tǒng)組合進(jìn)氣系統(tǒng)，是指在2個(gè)進(jìn)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用不同類型或不同角度的兩個(gè)進(jìn)氣道以組合所需要的渦流和流速分布，n由于進(jìn)氣渦流，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋岣吡巳紵俾?，使熱效率提高，組織進(jìn)氣渦流的同時(shí)會(huì)使進(jìn)氣阻力增加，充氣效率下降，在低速低負(fù)荷時(shí)難以獲得良好的進(jìn) 氣渦流。故只依靠進(jìn)氣渦流的燃燒室非常少，通常配合組織進(jìn)氣擠流。壓縮渦流：壓縮渦流： 在渦流室燃燒室中，氣體在進(jìn)氣過程中并不產(chǎn)生渦流，而在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進(jìn)入

16、渦流室時(shí)，形成強(qiáng)烈的壓縮渦流。雖然這種產(chǎn)生渦流的方式不會(huì)使進(jìn)氣阻力增大和進(jìn)氣充量下降，但形成壓縮渦流時(shí)會(huì)伴隨著不同程度的能量損失，使循環(huán)熱效率降低。2.擠流擠流n在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱為擠壓流動(dòng)，又稱擠流擠流。n擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。n擠流在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，汽油機(jī)緊湊型燃燒室都利用較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn)混合氣快速燃燒。圖5-23 94當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)，稱為逆擠流。逆擠流在柴油機(jī)上有助于將燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使其進(jìn)一步和氣缸內(nèi)的空氣混合燃燒

17、，對(duì)改善燃燒和降低排放十分有利。湍流湍流 在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的小尺度氣流運(yùn)動(dòng)。 湍流在汽油機(jī)汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在柴油機(jī)柴油機(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺梢愿纳迫加停ㄈ绫诿娓浇娜加停┡c空氣的混合。滾流滾流 在進(jìn)氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流。 滾流較適宜于在四氣門汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過程中其動(dòng)量衰減較少。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。四、柴油機(jī)燃燒室四、柴油機(jī)燃燒室直接噴射式燃燒室直接噴射式燃燒室半開式燃燒室半開式燃燒室開式燃燒室開式燃燒室非直噴式燃燒室（分開式燃燒室）非

18、直噴式燃燒室（分開式燃燒室）1、直接噴射式燃燒室直接噴射式燃燒室：燃燒室布置在活塞頂與缸蓋之間所形成的一個(gè)統(tǒng)一空間內(nèi)，燃油直接噴入這一空間，并進(jìn)行混合燃燒。車用柴油機(jī)常用的半開式燃燒室及球型油膜燃燒室屬于這類燃燒室。圖5-24 95直噴式燃燒室的根本持征直噴式燃燒室的根本持征：l燃燒室不分開，大都以凹坑形式出現(xiàn)在活塞或缸蓋上，l通過噴射(油柬)形成混合氣；l在進(jìn)氣過程通過切向氣道、螺旋氣道或?qū)馄廉a(chǎn)生的渦流運(yùn)動(dòng)促進(jìn)混合氣的形成。l噴式燃燒室混合氣形成方式分為空間霧化和油膜蒸發(fā)兩種。、分開式燃燒室、分開式燃燒室。燃燒室分為主燃燒室和副燃燒室兩部分，主燃燒室設(shè)在活塞頂部，副燃燒室設(shè)在氣缸蓋上，主副燃燒室用狹窄通道相聯(lián)通，燃油噴入副燃燒室中。車用柴油機(jī)常用的渦流式燃燒室及頂燃室式燃燒室屬于這類燃燒室。第四節(jié)第四節(jié) 燃燒過程的優(yōu)化燃燒過程的優(yōu)化一、燃燒過程優(yōu)化的基本原則：燃燒過程優(yōu)化的基本原則： 柴油機(jī)燃燒室一個(gè)極其復(fù)雜的過程，影響因素可簡(jiǎn)要?dú)w納為油、氣、燃燒室結(jié)構(gòu)油、氣、燃燒室結(jié)構(gòu)三要素。 1.油氣燃燒室的最佳配合； 2.控制著火落后期內(nèi)的混合氣生成量； 3.合理組織燃燒室內(nèi)的渦流和湍流運(yùn)動(dòng)；4.緊湊的燃燒室形狀；5.加強(qiáng)燃燒期內(nèi)和燃燒