柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒PPT演示課件(PPT 51頁)

1、第四章 柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒本章要求了解：柴油機(jī)燃燒室的分類，特點(diǎn)和對燃燒的影響。理解：影響燃燒的因素、改進(jìn)措施。掌握：柴油機(jī)混合氣的形成，柴油機(jī)燃燒過程，柴油的噴射與霧化。 1第1頁，共51頁。柴油機(jī)的燃燒過程與汽油機(jī)的有所不同 1、混合氣形成的方法 汽油機(jī)：缸外（化油器及進(jìn)氣管中），較均勻一致。 柴油機(jī)：缸內(nèi)形成混合氣,燃燒時混合氣不均勻。 2、著火和燃燒的方式 汽油機(jī)：點(diǎn)燃式，著火后靠火焰?zhèn)鞑ト紵?，著火時機(jī)、地點(diǎn)均能控制。 柴油機(jī)：壓燃式,油滴擴(kuò)散燃燒,著火時機(jī)、地點(diǎn)不能控制。 3、保證及時、完全燃燒的方法 汽油機(jī)：提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?柴油機(jī)：保證及時形成較均勻的混合氣。2第2頁，共

2、51頁。第一節(jié) 燃油的噴射與霧化 柴油機(jī)是在壓縮過程中活塞接近上止點(diǎn)時,借助噴油設(shè)備將燃油在高壓下成霧狀噴入燃燒室,以便與空氣形成可燃混合氣。油滴的著火要滿足兩個條件（1）混合氣的溫度要高于著火臨界溫度。（2）混合氣的濃度要適當(dāng)，即混合氣的濃度要在著火界限之內(nèi)。 一、燃燒方式-油滴擴(kuò)散燃燒3第3頁，共51頁。單個油滴的著火區(qū)域直徑：5150um(中間較大)Tc-熱空氣溫度；Tw-油滴周圍混合氣溫度；Cu-油滴周圍混合氣濃度；W-化學(xué)反應(yīng)速度。著火時機(jī)、地點(diǎn)不固定，著火點(diǎn)位于噴注外圍與核心之間。4第4頁，共51頁。1、對噴油系統(tǒng)的要求： 定時、定量并按一定規(guī)律向柴油機(jī)各缸供給高壓燃油。具體要求：

3、 能產(chǎn)生足夠高的噴油壓力； 實現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律； 精確控制每循環(huán)的噴油量； 避免出現(xiàn)異常噴射現(xiàn)象。2、噴油系統(tǒng)構(gòu)成 噴油泵 提供足夠高的噴油壓力。柱塞泵或分配泵 調(diào)速器 穩(wěn)定柴油機(jī)運(yùn)行工況 噴油提前角調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)噴油時刻 噴油器 將高壓燃油噴入燃燒室并按要求進(jìn)行分布二、噴油系統(tǒng)5第5頁，共51頁。（一）、噴射過程 1燃油的噴射 燃油在噴油泵泵室中，受到柱塞壓縮，壓力升高，經(jīng)噴油器噴出的過程。 2分三個階段 噴射延遲階段，主噴射階段，噴射結(jié)束階段。三、噴射與霧化6第6頁，共51頁。燃油的噴射過程7第7頁，共51頁。 1.燃油的霧化 燃油經(jīng)噴孔噴出時，在氣缸中被破碎成微粒的過程。噴油橫截面上燃油

4、分布噴油橫截面上油粒速度L:射程:錐角噴注的形狀（二）噴霧特性與霧化質(zhì)量8第8頁，共51頁。2噴注的特征 噴注射程L：表示噴注貫穿深度； 噴注錐角：表示噴注緊密程度； 細(xì)度和均勻度：表示霧化程度。 細(xì)度油注中的平均直徑 均勻度油注中最大直徑與最小直徑之差3影響噴注質(zhì)量的主要因素噴注結(jié)構(gòu)，噴油壓力，氣缸內(nèi)空氣的壓力，柴油的粘度等。9第9頁，共51頁。四、不正常噴射二次噴射 針閥落座后，過大的反射波（高壓油管內(nèi)）使針閥再次升起而噴油的現(xiàn)象。危害：噴油時間，噴油量，后燃加重發(fā)動機(jī)過熱，排氣溫度，燃油消耗率 噴射壓力低，霧化不良，燃燒過程中噴入氣缸，排氣冒黑煙，積碳。 （高速、高負(fù)荷時較嚴(yán)重）10第1

5、0頁，共51頁。 隔次噴射發(fā)生在怠速運(yùn)行時，造成柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)。 避免不正常噴射的措施 減少高壓容積，縮短高壓油管長度，合理選擇噴射系統(tǒng)參數(shù)。斷續(xù)噴射、隔次噴射 斷續(xù)噴射常發(fā)生在低速小負(fù)荷工況。11第11頁，共51頁。一、燃燒過程-滯燃期 -速燃期 -緩燃期 -補(bǔ)燃期 h-針閥升程Q-循環(huán)放熱量 dQ/d-放熱速率 dq/d-噴油速率1)噴油始點(diǎn)2)缸內(nèi)壓力線偏離純壓縮線始點(diǎn)3)最高壓力點(diǎn)4)最高溫度點(diǎn)第二節(jié) 燃燒與放熱12第12頁，共51頁。、滯燃期（1-2） 在壓縮終點(diǎn),Tc=450-800,大于柴油的自燃溫度（330-350）,但不會立即著火,進(jìn)行著火前的準(zhǔn)備。 物理準(zhǔn)備：霧化，加熱

6、，蒸發(fā)，擴(kuò)散和混合。 化學(xué)準(zhǔn)備：裂化，著火前的氧化反應(yīng)。 一般著火延遲時間i0.0007-0.003s 從噴油開始到缸內(nèi)壓力線與壓縮線偏離的始點(diǎn)階段，稱為滯燃期或著火延遲期。(圖)噴油時缸內(nèi)溫度壓力及燃料性質(zhì)是影響i的主要因素。13第13頁，共51頁。、速燃期（2-3） （圖） 著火后，在滯燃期內(nèi)形成的混合氣此時同時燃燒，活塞在上止點(diǎn)附近，接近于等容燃燒，平均壓力升高率P/=(P3-P2)/(3-2) 升高很快，放熱率dQ/d 大。 柴油機(jī)P/一般0.4 0.6MPa/A 同時，噴油持續(xù)進(jìn)行，形成燃燒與噴油的重疊，噴油常在速燃期結(jié)束。14第14頁，共51頁。、緩燃期（3-4） （圖） 速燃期內(nèi)

7、噴入的燃油在此階段燃燒，放熱量較大，占總放熱量的7080%。一般在上止點(diǎn)后2035CA，出現(xiàn)循環(huán)最高溫度，達(dá)16002000。大部分燃油在此階段燃燒。燃燒產(chǎn)物增多，氧和燃油濃度下降，燃燒速度緩慢。 溫度雖升高，但活塞已下行，壓力近似不變，近于等壓燃燒。由于混合時間短，高溫缺氧下易形成碳煙，要求a 1。、補(bǔ)燃期（4-） 從溫度最高到燃料燃燒結(jié)束。 遠(yuǎn)離上止點(diǎn)放熱，大量的熱傳給冷卻系，使排氣溫度升高，零件熱負(fù)荷增加，導(dǎo)致柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性下降，故應(yīng)盡量減少補(bǔ)燃。15第15頁，共51頁。二、燃燒過程中存在的問題 1.混合氣形成困難，燃燒不完全混合極不均勻混合氣形成時間短，邊噴油、邊混合、 邊燃燒。

8、 改進(jìn)措施 促進(jìn)混合氣的形成 結(jié)構(gòu)上，促進(jìn)缸內(nèi)的渦流運(yùn)動。 供給較多的空氣 a大于1，一般取1.3。但是至少30%的空氣未被利用，使氣缸工作容積的利用程度降低，使升功率、平均有效壓力降低，這與提高其動力性相矛盾。16第16頁，共51頁。 2.工作粗暴，燃燒噪音較大 速燃期內(nèi),急劇升高的壓力直接使燃燒室壁面及活塞、曲軸等機(jī)件產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動,并通過氣缸壁傳到外部,形成燃燒噪音。 燃燒噪音與速燃期內(nèi)的P/有很大關(guān)系。為使工作柔和，要求P/400kpa/CA。 P/的大小主要與滯燃期中形成的可燃混合氣的數(shù)量有關(guān)，縮短著火延遲時間i，減少滯燃期內(nèi)的噴油量，抑制此階段混合氣的形成,可減小燃燒噪音,但與提高

9、動力性相矛盾。17第17頁，共51頁。3.排氣冒黑煙 主要發(fā)生在大負(fù)荷工況時，如加速，爬坡時。 燃油在高溫缺氧下燃燒時易形成碳煙。減少黑煙的主要措施 (1)增加過量空氣系數(shù)a。但與提高柴油機(jī)的動力性相矛盾。（2）改善混合氣的形成。與改善柴油機(jī)工作的柔和性相矛盾。18第18頁，共51頁。4.排氣冒藍(lán)煙、白煙 在冷起動及怠速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)溫度低，燃燒不良，不同直徑的柴油微粒隨廢氣排出，受光線的反射呈現(xiàn)不同的顏色，白煙是由0.61微米的顆粒構(gòu)成，而藍(lán)煙是由0.6微米以下的顆粒構(gòu)成。 暖機(jī)時，一般先冒白煙，后冒藍(lán)煙，然后變?yōu)闊o色。19第19頁，共51頁。三、 影響燃燒過程的因素（一）燃油的影響

10、 1燃油的著火性 是指柴油噴入汽缸后能否迅速著火燃燒的能力。 用十六烷值表示。十六烷值高，著火性好，滯燃期短，P/較小，工作柔和。十六烷值高，起動性好。十六烷值過高，使燃油來不及混合就燃燒，冒煙。 車用柴油機(jī)的十六烷值，一般為4550。2十六烷值對燃燒過程的影響 圖3 蒸發(fā)性 蒸發(fā)性過好，工作粗暴。 蒸發(fā)性差，燃燒不完全。 蒸發(fā)性適中20第20頁，共51頁。 （二）壓縮比的影響 Tc、Pc滯燃期縮短，工作柔和，改善柴油機(jī)冷起動性。 但過大Pz，機(jī)械磨損，使用壽命。 當(dāng)21時，it的提高不明顯。 柴油機(jī)合適的壓縮比主要是根據(jù)冷起動的需要來確定。21第21頁，共51頁。（三）噴油規(guī)律 1定義：指噴

11、油速率dq/d（每度曲軸轉(zhuǎn)角的噴油量）隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。 2柴油機(jī)結(jié)構(gòu)一定時，放熱規(guī)律取決于噴油規(guī)律。 理想的噴油持續(xù)角為1635CA，噴油速率的變化要先緩后急。 噴油規(guī)律可以通過改變噴油泵凸輪軸的凸輪型面加以調(diào)整。22第22頁，共51頁。（四）供油提前角1定義 高壓油泵柱塞關(guān)閉進(jìn)油孔瞬時到上止點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角。 與噴油提前角相差噴油延遲角。 2過大、過小的危害 （圖） 過大滯燃期柴油機(jī)工作粗暴，怠速不穩(wěn)，冷起動困難。 壓縮負(fù)功，Pe，be。 過小后燃量，排氣溫度，it， Pe，be。23第23頁，共51頁。 3、柴油機(jī)的性能指標(biāo)隨供油提前角的變化關(guān)系供油提前角調(diào)整特性。 4、當(dāng)柴油機(jī)be

12、最低，Pe最大時的供油提前角最佳供油提前角。bePe24第24頁，共51頁。（五）轉(zhuǎn)速n n加速、改善混合氣形成 著火延遲時間i。 但著火延遲角 i=6nior 轉(zhuǎn)速對i及i的影響 對直噴式柴油機(jī),n最佳供油提前角。 故柴油機(jī)上通常裝有供油提前角自動提前裝置。25第25頁，共51頁。（六）負(fù)荷 負(fù)荷循環(huán)供油量a放熱量噴油時缸內(nèi)溫度著火延遲時間工作柔和性。 但循環(huán)供油量噴油持續(xù)角燃燒惡化it，bi。 負(fù)荷過大時, a過小，燃燒惡化，排氣冒黑煙，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步下降。bi26第26頁，共51頁。柴油機(jī)與汽油機(jī)的放熱規(guī)律定義：放熱率dQ/d(每度曲軸轉(zhuǎn)角的放熱量)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。它決定壓力升

13、高率(噪音)的變化和熱效率。 四、燃燒放熱規(guī)律理想的放熱規(guī)律曲線要先緩后急。放熱開始時刻要適當(dāng)提前,持續(xù)時間為40CA。27第27頁，共51頁。在燃燒期內(nèi)，放熱過程分三個階段 預(yù)混合燃燒階段對應(yīng)速燃期，放熱率很高，歷時 3 7A。 擴(kuò)散燃燒階段對應(yīng)緩燃期，放熱率下降，為主放 熱階段，歷時40A。 這兩個階段放熱達(dá)80%。 放熱“尾巴”對應(yīng)補(bǔ)燃期，放熱20%。放熱規(guī)律三要素放熱始點(diǎn)使最高壓力發(fā)生在上止點(diǎn)后78 A。放熱規(guī)律曲線形狀開始放熱適中,然后燃燒加快，尾巴盡量短。放熱持續(xù)期最佳約為40 A28第28頁，共51頁。第三節(jié) 混合氣形成與燃燒室 柴油機(jī)混合氣形成靠三方面的相互作用：一是燃燒室的結(jié)

14、構(gòu),二是燃料的噴霧，三是缸內(nèi)適當(dāng)?shù)目諝膺\(yùn)動。一、混合氣形成特點(diǎn)和方式 1、缸內(nèi)形成 2、時間極短 3、過量空氣系數(shù)較大 4、靠燃燒室、噴霧、空氣渦流運(yùn)動三方面配合保證燃燒完全、及時靠加快混合氣的形成速度（汽油機(jī)是提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?9第29頁，共51頁。 混合氣形成方法 由不同噴霧及氣流運(yùn)動組成了各種混合氣形成方式，其基本型式可分為： 空間霧化混合，油膜蒸發(fā)混合。 在車用柴油機(jī)中，兩種方式均有，但多數(shù)以空間霧化混合為主。球形燃燒室柴油機(jī)以油膜蒸發(fā)混合方式為主。30第30頁，共51頁。二、缸內(nèi)氣流運(yùn)動 缸內(nèi)空氣的渦流運(yùn)動能加速霧化的油滴與周圍空氣的混合，促進(jìn)燃燒過程的進(jìn)行。 但渦流過強(qiáng)，會使燃燒

15、產(chǎn)物與鄰近的噴注重疊；渦流過強(qiáng)也使進(jìn)氣阻力加大，充量系數(shù)下降。31第31頁，共51頁。直噴式燃燒室的空氣渦流運(yùn)動 空氣渦流運(yùn)動是加速混合氣形成的有效手段；也是保證完善燃燒的重要條件。 直噴式燃燒室產(chǎn)生渦流運(yùn)動的方法有種： 1）進(jìn)氣渦流靠切向進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)氣道形成。切向進(jìn)氣道：氣道母線與氣缸相切，在氣門前強(qiáng)烈收縮，使氣流越來越快進(jìn)入氣缸后受缸壁的約束而轉(zhuǎn)向，形成渦流。32第32頁，共51頁。螺旋進(jìn)氣道：氣門座上方的氣道成螺旋型，相對于氣缸中心一定位置。氣流形成繞氣門中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)入氣缸后近于切向氣流，沿氣缸壁繞氣缸中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。應(yīng)用于高速柴油機(jī)上。33第33頁，共51頁。2）擠氣渦流-在壓縮

16、行程后期，活塞接近上止點(diǎn)時，活塞頂上方環(huán)形空間中的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室內(nèi)，造成的空氣的渦流運(yùn)動。渦流強(qiáng)度較進(jìn)氣渦流小，只起輔助作用。逆擠流34第34頁，共51頁。三、柴油機(jī)燃燒室 1燃燒室分為兩大類:直噴式和非直噴式（分隔式）。 直噴式燃燒室：燃油直接噴入由活塞頂和缸蓋形成的 一個統(tǒng)一空間。（缸徑大于100mm，轉(zhuǎn)速大于3000r/min的柴油機(jī)基本用直噴式的）根據(jù)凹坑深度分： 開式燃燒室淺坑型，如淺盆形或淺形燃燒室 半開式燃燒室深坑型，如形和球形燃燒室分隔式燃燒室：由主燃室和副燃室兩部分組成。 如：渦流室式燃燒室和預(yù)燃室式燃燒室（高速小缸徑柴油機(jī)多采用分隔式燃燒室）35第35頁，共51

17、頁。 2對柴油機(jī)燃燒室的要求 a小，但應(yīng)燃燒完全及時； 適度的P/和Pz值；以保證工作柔和， 平穩(wěn)，可靠； 排氣品質(zhì)好； 變工況適應(yīng)好；應(yīng)在負(fù)荷、轉(zhuǎn)速變化時， 柴油機(jī)性能穩(wěn)定； 冷起動性好； 制造、維修方便。36第36頁，共51頁。3、直噴式燃燒室1）開式燃燒室淺坑型 混合氣形成方式以空間混合為主。形成質(zhì)量依靠燃油噴霧的細(xì)微度及油束在燃燒室內(nèi)的均勻分布實現(xiàn)。進(jìn)氣無渦流特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，面容比F/V小，Q放 ，起動性好，經(jīng)濟(jì)性好，熱負(fù)荷低；但a大(1.52.2)，工作粗暴，對燃料要求高。 如：淺型燃燒室。大缸徑柴油機(jī)多采用開式燃燒室。37第37頁，共51頁。淺型燃燒室38第38頁，共51頁。2）半

18、開式燃燒室深坑型 混合氣形成方式有空間混合和油膜蒸發(fā)混合。形成質(zhì)量依靠多油注高壓噴射。一般有較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流。 型燃燒室（典型） 混合氣形成：空間霧化混合為主。 一般采用多孔噴嘴，并組織一定的進(jìn)氣渦流和擠氣渦流，以加速混合氣的形成。主要特點(diǎn)面容比F/V小，Q放，經(jīng)濟(jì)性好。低溫起動性好采用多孔噴嘴，高壓噴射。P/和Pz大，工作粗暴。a大，動力性差。形成碳煙多，氮氧化物多、排放差。多用于3000r/min以下的柴油機(jī)（車用柴油機(jī)）。39第39頁，共51頁。型燃燒室40第40頁，共51頁。 球形燃燒室 混合氣形成：油膜蒸發(fā)。 一般采用單孔噴嘴，均配有螺旋進(jìn)氣道以產(chǎn)生強(qiáng)進(jìn)氣渦流。 主要特點(diǎn)面容比F/V小，經(jīng)濟(jì)性好。P/和Pz較小，工作柔和。對燃油的品質(zhì)及霧化質(zhì)量要求低，可以燃用多種燃料。冷起動困難。低速、加速時冒黑煙。不適于增壓，變工況適應(yīng)性差。41第41頁，共51頁。球型燃燒室42第42頁，共51頁。5、分隔式燃燒室1）渦流室燃燒室 混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用軸針式噴油器。主要特點(diǎn)噴霧質(zhì)量要求不高(利用強(qiáng)壓縮渦流形成混合氣，