發(fā)動機原理：(五)柴油機混合氣形成與燃燒課件

1、發(fā)動機原理柴油機的混合氣形成及燃燒高速（混合著火燃燒210ms）高溫（2000 左右）高壓（柴油機高達100bar 以上）復雜過程：流動、噴霧、傳熱、多相流、燃燒化學發(fā)動機（內(nèi)燃機）燃燒所追求的目標： 高e(i) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪聲振動內(nèi)燃機燃燒的特點：第5章 柴油機的混合氣形成及燃燒燃燒過程的高速攝影實例：48121620242832400(TDC)火焰特點：多點大面積著火粗暴“有焰”燃燒產(chǎn)生碳煙柴油機燃燒過程及其特性分析柴油機燃燒過程 分為四期： 著火落后期（ AB ） 速燃期（ BC ） 緩燃期（ CD ） 后燃期（ DE ） 現(xiàn)象: 噴霧及混合+低溫多階段著火，是復雜

2、的物理化學過程 ； 1、 著火落后期（ AB ） 著火點的判斷方式： 示功圖脫離壓縮線的時點高速攝影出現(xiàn)火焰ROHR 放熱率由負變正的拐點 柴油機的著火落后期對后續(xù)燃燒過程有重要影響。 影響著火落后期的主要因素： 溫度、壓力、噴油量、霧化特性 著火落后期與滯燃期有何不同？2、速燃期（ BC ） 現(xiàn)象大面積多點著火，燃燒極快，壓力陡升；放熱速率取決于滯燃期內(nèi)形成的預混合氣多少，因此速燃期也稱為預混合燃燒期注意與汽油機的“預混合燃燒”有區(qū)別2、速燃期（ BC ） 影響 dp/d的主要因素： 滯燃期中的混合氣生成量，與噴油速率、混合速率、滯燃期長短有關燃燒特性參數(shù)： dp/d對動力性、i 、m、NO

3、x、振動噪聲有顯著影響，一般柴油機： dp/d 0.20.6 (MPa/CA)柴油汽油3、緩燃期（ CD ） 現(xiàn)象剩余燃料邊蒸發(fā)混合,邊燃燒，燃燒速率受控于燃料擴散混合速率，也稱為擴散燃燒期出現(xiàn)柴油機燃燒特有的“雙峰” pmax的大小及位置：上止點后1015CA，取決于噴油時間、著火落后期、預混燃燒 緩燃期燃燒 “過緩”會造成:等容度，散熱，i ；碳煙和微粒排放4、后燃期（ DE ） 現(xiàn)象 剩余1020%的燃料繼續(xù)燃燒，遠離TDC，氣流擾動變?nèi)?，燃燒速度下降?后燃期過長，會造成： 等容度，散熱，碳煙和微粒排放，排溫 、 t ； 減少后燃的基本思路 加速混合，以加快燃燒；燃油充分霧化。 放熱規(guī)

4、律三要素： 放熱始點存在最佳值，一般使Pmax出現(xiàn)在1015CA ATDC 持續(xù)期盡可能縮短，一般柴油機4060CA 形狀因性能要求而異合理的燃燒放熱規(guī)律放熱率形狀： （相同放熱始點、持續(xù)期時） a：熱效率最好（見185頁），等容度最高 d：熱效率最低，但排放低 bc：介于上述兩者之間，有多種優(yōu)化結(jié)果，取決于實際需要 發(fā)動機性能 受控于燃燒特性 受控于混合氣形成本節(jié)從油、氣兩個方面介紹柴油機混合氣形成過程擴散燃燒速度著火落后期dp/d混合氣形成速度氣流運動燃燒室形狀噴油規(guī)律燃油噴射及混合氣形成過程極短(0.5ms)噴油系統(tǒng)與噴油特性1、對燃料噴射過程的要求合理的噴油特性（噴油規(guī)律）良好的霧化特

5、性定時定量不出現(xiàn)異常 噴油特性主要指供油規(guī)律與噴油規(guī)律 噴油特性和噴霧特性是噴油系統(tǒng)最主要的兩類指標 （1）噴射延遲階段供油提前角fs供油始點至TDC的角度（油泵出油）噴油提前角fj噴油始點至TDC的角度（針閥始動）噴油延遲角fsfj，轉(zhuǎn)速越高、油管越長，延遲角越大（2）主噴射階段噴油始點噴油器端壓力開始下降點噴入絕大部分燃油，具有良好的霧化qn f(p, 針閥升程，噴油持續(xù)期)（3）噴油結(jié)束階段噴油器端壓力急劇下降點針閥落座燃油霧化質(zhì)量差，盡可能減少噴油量2、燃油噴射過程（機械式）3、供油規(guī)律與噴油規(guī)律供油規(guī)律單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量稱為供油速率。供油速率隨

6、凸輪軸轉(zhuǎn)角的變化關系稱為供油規(guī)律噴油規(guī)律：噴油速率和噴油規(guī)律定義與上類似噴油泵 噴油器供油速率計算對于確定的噴油泵，柱塞直徑dp和柱塞運動規(guī)律（由凸輪型線決定）等幾何參數(shù)是一定的，由于可以比較準確地計算出 （72）因此也稱 為幾何供油規(guī)律注意：看懂圖6-14；理解“凸輪工作段”的概念；在右圖上如要改變工作段應怎樣調(diào)整；工作段與柱塞有效行程有什么關系。 噴油規(guī)律的計算設燃油不可壓縮，并作定常流動。則由伯努利（Bernoulli）方程可以推導出：其中： A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 p噴孔前油壓（嘴端壓力）與氣缸內(nèi)壓力之差f燃油密度 nPA對于確定工況是常數(shù)； f可作常數(shù)

7、處理；若測得A與針閥升程的函數(shù)關系，則可根據(jù)圖613所示的噴油器壓力pn和針閥升程hn，算出噴油規(guī)律。這種方法稱為壓力升程法。 另外還有波許長管法、蜂巢法。？為什么會出現(xiàn)兩者的差異燃油的可壓縮性壓力波傳播滯后相位變化壓力波反射疊加形狀變化高壓油管彈性變形 實際發(fā)動機中的供油規(guī)律與噴油規(guī)律對比最終影響發(fā)動機性能的是噴油規(guī)律缸內(nèi)氣流運動分類： 渦流、滾流、擠流控制油氣宏觀混合 湍流促進油氣微觀混合1、 渦流（Swirl） 繞氣缸中心線的有規(guī)則的氣流運動。柴油機中最常用 （1）渦流種類：進氣渦流、壓縮渦流 （2）評價指標：渦流比渦流轉(zhuǎn)速 / 發(fā)動機轉(zhuǎn)速（3）進氣渦流產(chǎn)生方式： 導氣屏：結(jié)構(gòu)簡單，強度

8、可調(diào)，=04，但阻力大，一般用于試驗發(fā)動機； 切向氣道：進氣道與氣缸切向布置以形成渦流，結(jié)構(gòu)簡單，但=12； 螺旋氣道：以復雜的螺旋氣道在進入氣缸前形成渦流，結(jié)構(gòu)復雜，但阻力 小， =24； 組合氣道：例如“1切1螺”，隨工況不同可關閉其中一個氣道。一對矛盾： ， c根據(jù)動量守恒的關系，有：c、 : 壓縮終了時和進氣終了時的渦流比D 、 dk : 氣缸直徑、燃燒室凹坑入口直徑（4）進氣渦流在缸內(nèi)的發(fā)展渦流在缸內(nèi)發(fā)展的兩個實例 壓縮上止點時均達峰值 縮口使c明顯提高，并保持到上止點后（與理想ROHR有何關系）對柴油機燃燒真正有意義的是c ， 而不是（5）壓縮渦流 主要指渦流室燃燒室中，氣體在壓縮

9、過程中由主燃室進入渦流室時產(chǎn)生的渦流（一次渦流），以及相反運動時的渦流（二次渦流）。 不會引起c，但增加流動損失和散熱損失2、擠流壓縮時空氣被擠入燃燒室凹坑內(nèi)形成擠流膨脹時燃燒氣體沖出凹坑形成逆擠流擠流強度 dk/D、S0特點：不影響c和，但強度較弱，作用小于渦流，起輔助作用思考：汽油機中的擠流運動3、湍流（紊流）形成方式：活塞運動自然形成的湍流，較弱且不可控；預燃室中的空氣運動（如圖，壓縮和膨脹均有）；非回轉(zhuǎn)體燃燒室（參見講義圖9-10）；燃燒沖擊形成湍流（預燃室的主燃室） 4 滾流 繞垂直于氣缸軸線的有規(guī)則的氣流運動（與渦流相反），也稱縱向渦流 近年來開發(fā)的混合氣形成方式 主要用于缸內(nèi)直噴

10、式汽油機用滾流形成大范圍的油氣混合滾流被壓扁、破碎形成高度湍流強化微混合。滾流柴油機燃燒過程分段及特點噴油特性 缸內(nèi)氣流運動方式發(fā)動機性能 受控于燃燒特性 受控于混合氣形成擴散燃燒速度著火落后期dp/d混合氣形成速度氣流運動燃燒室形狀噴油規(guī)律柴油機的燃燒室及其特性柴油機燃燒室分類：直噴式（DI,Direct Injection） 燃油直接噴入主燃燒室內(nèi)進行混合燃燒非直噴式 （IDI, Indirect Injection） 燃油不直接噴入主燃燒室內(nèi)進行混合燃燒直噴式（DI）燃燒室淺盤型深坑型球型特點：燃燒室凹坑開口大、深度淺 （dk/D0.720.88; dk/h=57）多孔油嘴（612孔）、

11、高壓噴射無渦流或弱進氣渦流性能：滯燃期內(nèi)形成較多混合氣， dp/d高，NOx、噪聲高；空氣利用率差， a 1.6； dp/d高，流動及散熱損失小，be低，易起動。應用范圍：適用于缸徑大（ 120mm）轉(zhuǎn)速低（ 2000r/min）的柴油機。近年，隨高壓噴射采用，向小缸徑拓展?！坝驼覛狻狈绞?、淺盤型燃燒室特點：dk/D0.6; dk/h=1.53.5; 較強渦流=1.53；有中心凸起，引導渦流，消除流動弱區(qū)；噴孔少（46），噴壓較高；形狀：形、擠流口形、四角形。 性能：空氣利用率較高，最小a 1.3； 隨n提高而渦流強度提高，適于高速； dp/d較淺盆形低，燃燒較柔和。應用范圍：小缸徑（ 12

12、0mm） 高轉(zhuǎn)速柴油機（中、輕、轎車）油氣相互運動2、 深坑形燃燒室S0影響 頂隙S0減小，可使：空氣集中在燃燒室凹坑內(nèi)，利用率高；燃油不要分散在S0內(nèi)，此處混合不好；S0內(nèi)的燃燒受壁面淬冷，燃燒慢，不完全。因此，所有柴油機燃燒室都應盡量減小S0燃室設計參數(shù)對性能的影響 通過改變dk/D 、 dk/h 、 Vk/Vc 、 S0 、 e1 、 e2 、燃室形狀、噴霧貫穿距離、渦流比等，可改變?nèi)紵匦?、 深坑形燃燒室2、 深坑形燃燒室形狀影響：實際中在A形與B形中間，可有多種方案，A燃燒室，有縮口形狀，煙度及be明顯改善；隨噴油推遲，A燃燒室的煙度及be優(yōu)勢更加明顯氣流運動，結(jié)合講義圖716分析

13、原因2、 深坑形燃燒室大眾捷達柴油機船用柴油機活塞形狀影響（續(xù)）：作為極端例子：潑金斯的擠流口式燃燒室，初期放熱速率明顯低于一般直噴式燃燒室。2、 深坑形燃燒室四角形燃燒室（非回轉(zhuǎn)體燃燒室）大尺度渦流局部微渦流和湍流；解決低速渦流太弱而高速過強的問題局部微渦流，可加速混合燃燒，PM低；問題：難以加工，工藝性差；縮口部熱負荷過高易開裂。2、 深坑形燃燒室特點：球形燃燒室，高渦流比（3 ）單孔（或1主1副）噴油嘴， 沿壁面順氣流噴油，形成油膜， 蒸發(fā)混合速度受控于壁溫和渦流強度性能：dp/d低，放熱率呈前低后高，NOx低、輕聲低煙、空氣利用率高， a 1但難以兼顧所用工況，工藝要求高，冷起動困難。

14、應用：6070年代曾有不少應用，目前已絕跡； 其理論意義重大，相對空間霧化的傳統(tǒng)理論是一個創(chuàng)新3、 球形燃燒室（M燃燒過程）油膜蒸發(fā)混合對比ROHR（M比）預混燃燒峰值下降擴散燃燒峰值上升燃燒持續(xù)期基本相同（燃燒不拖后）對比示功圖（M比）dp/d下降（NOx和燃燒噪聲低）球形燃燒室與燃燒室的燃燒特性對比球形燃燒室是由MAN公司的Meurer先生（1956年）發(fā)明的，也稱M燃燒過程。 非直噴式燃燒室主要特征：兩個燃燒室（空間）兩個燃燒階段不利用進氣渦流IDI預燃室（Pre-combustion Chamber）渦流室 （Swirl Chamber）也稱為：分隔式燃燒室主副燃燒室燒室設計：主副室之

15、間有一個或數(shù)個孔道相連，壓縮氣流在預燃室中形成湍流，單孔軸針式噴油器（參見圖611）與預燃室軸線重合，低壓噴射，容積比Vk/Vc=3545% ；連通道截面比Fk/F=0.3%0.6%1、預燃室式燃燒室工作過程： （參見右圖）壓縮過程中，在預燃室內(nèi)形成湍流，湍流強度高于主室；第一次燃燒在預燃室內(nèi)的濃混合氣氣氛中進行，燃燒不完全， dp/d?。坏诙位旌蠚饧叭紵谥魅紵覂?nèi)稀混合氣氣氛中進行：濃稀兩階段燃燒低dp/d 低NOx（右下圖）特點：dp/d小，NOx低，空氣利用率高，最小a 1.3制造工藝成本低，適用高速柴油機。適用： 轎車，輕型車，大功率柴油機1、預燃室式燃燒室2、 渦流室式燃燒室特點

16、：主副室之間有1個連通道，與副室切向連接，形成壓縮渦流，Vk/Vc=5070% ，F(xiàn)k/F=1%3.5%，有多種形狀（如下圖）原理相同性能：對比預燃室式，更適合小型柴油機，轉(zhuǎn)速高，油耗低（對照表7-2）區(qū)別：預燃室式 渦流室式-湍流-渦流小結(jié)： 柴油機混合氣形成方式分類： 空間霧化混合、 壁面油膜蒸發(fā)混合1、空間霧化混合 靜止或弱旋流場多孔高壓噴油： “油找氣”，如開式燃燒室 強旋流場 35孔高壓噴射： 油氣相互運動，如燃燒室 熱混合作用：在渦流作用下，密度較大的燃油顆粒及空氣向外運動，密度較小的廢氣向內(nèi)運動，有利于油氣混合。熱鎖現(xiàn)象：當渦流過弱時，離心力過小，燃油顆粒無法被拋向周圍，而被“鎖

17、定”在中心區(qū)域，被廢氣包圍。過渦流（Over Swirl）：當渦流過強時，上游油束的已燃氣體會混入下游油束的未燃混合氣區(qū)域，妨礙混合及燃燒。強旋（湍）流場低壓單孔噴嘴： 渦流室和預燃室柴油機，兩次混合，對噴油和進氣渦流要求低； 但燃燒慢，熱效率低。1、空間霧化混合 靜止或弱旋流場多孔高壓噴油： “油找氣”，如開式燃燒室 強旋流場 35孔高壓噴射： 油氣相互運動，如燃燒室 小插曲德國人的驕傲：Otto EngineDiesel EngineWankel EngineM-Engine全部由德國人發(fā)明 柴油機混合氣形成方式壁面蒸發(fā)控制強旋流場： 噴射形成壁面油膜，控制初期蒸發(fā)速率；隨燃燒溫度提高，燃油蒸發(fā)混合速率加快，形成“前緩后急”的燃燒方式 2、油膜蒸發(fā)混合 滯燃期空間霧化混合油膜蒸發(fā)混合1.