第五章柴油機混合氣形成與燃燒

第五章

柴油機混合氣的形成和燃燒動畫演示噴油器的將柴油分散成數(shù)以百萬計的細小油滴，這些油滴進入氣缸內(nèi)高溫高壓的空氣中，經(jīng)過受熱、蒸發(fā)、擴散混合、焰前反應(yīng)等一系列物理化學準備，然后開始著火。每次燃油噴射要持續(xù)一定的時間，一般在著火時噴射尚未結(jié)束，故混合氣形成過程和燃燒是重疊進行的。

為了保證柴油機良好的性能，燃燒必須在上止點附近迅速完成，為此噴油持續(xù)時間也必須極為短促，同時還要采取有效的措施來保證及時形成可以迅速燃燒的混合氣。一、燃油的噴射與霧化

燃燒過程中物理化學變化

一、噴油系統(tǒng)1、要求：定時、定量、一定的空間形態(tài)。軸針式噴油器和孔式噴油器二、噴射與霧化對噴射系統(tǒng)的要求：1、避免不正常噴射和穴蝕2、供油穩(wěn)定，均勻一致3、優(yōu)化噴油規(guī)律4、優(yōu)化油束性能5、增強系統(tǒng)的剛度和強度。三、柴油機電控噴射系統(tǒng)循環(huán)噴油量的控制：時間控制，位移控制噴油提前角的控制：隨負荷和轉(zhuǎn)速變化壓燃式發(fā)動機燃油噴射及霧化四、噴霧特性與霧化質(zhì)量噴霧錐角、貫穿度、噴霧的粒徑比1、噴油泵速度特性及其校正節(jié)流效應(yīng)引起的油量變化2、噴射過程3、供油規(guī)律和噴油規(guī)律幾何供油規(guī)律是指從幾何關(guān)系上求出的單位凸輪轉(zhuǎn)角（或單位時間）噴油泵供入高壓油路中的燃油量隨凸輪轉(zhuǎn)角φc（或時間t）的變化關(guān)系。它完全由柱塞的直徑和凸輪型線的運動特性決定。

噴油規(guī)律是指在噴油過程中，單位凸輪轉(zhuǎn)角（或單位時間）從噴油器噴入氣缸的燃油量隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。五、不正常噴射及系統(tǒng)中的穴蝕二次噴射：發(fā)生在主噴射結(jié)束之后，噴射終了針閥落座后又第二次開啟向氣缸內(nèi)噴油的現(xiàn)象。滴油：針閥落座后噴嘴端滴油和滲油現(xiàn)象。斷續(xù)噴射：噴射不連續(xù)，針閥跳動。不規(guī)則噴射和隔次噴射：噴射不穩(wěn)定。穴蝕

在噴油過程的一個循環(huán)中，油壓是變動的。當油壓達到一定值時，氣泡將破裂，氣泡連續(xù)產(chǎn)生和破裂的過程，將造成能量的驟變。若氣泡破裂過程的能量達一定值，將對金屬表面形成沖擊而導致疲勞損壞，稱為穴蝕現(xiàn)象六、電控高壓共軌噴油系統(tǒng)第二節(jié)燃燒與放熱一、柴油機燃燒過程第Ⅰ階段－著火落后期第Ⅱ階段－速燃期第Ⅲ階段－緩燃期第Ⅳ階段－補燃期根據(jù)燃料和空氣混合氣形成的特點，柴油機燃燒過程又可分成預(yù)混燃燒階段和擴散燃燒階段

柴油機燃燒過程示功圖1、著火落后期

如果滯燃期過長，則在滯燃期內(nèi)噴入燃燒室的燃料就很多，在著火前形成的可燃混合氣就多。這些燃料在第Ⅱ階段（急燃期）幾乎一起燃燒，使壓力升高比和最高燃燒壓力較高，使機件收到強烈的沖擊負荷，發(fā)動機運轉(zhuǎn)粗暴。然而，如果滯燃期過短，又對混合氣形成不利，反過來又使柴油機性能惡化。影響滯燃期的因素：壓縮溫度和壓力，噴油提前角，轉(zhuǎn)速以及燃料性質(zhì)等。2、速燃期

自火化形成到燃燒達到最高壓力（或最高溫度）。這一階段將燃燒滯燃期中形成的所有可燃混合氣。壓力升高率大，產(chǎn)生沖擊和噪聲。3、緩燃期最高壓力點到燃料基本全部燒完。燃燒趨于緩慢，近似于等壓過程。4、補燃期又稱后燃期，緩燃期結(jié)束到排氣門打開。該時期越短越好。

二、燃燒放熱規(guī)律考察燃料燃燒放出的熱量，根據(jù)熱力學第一定律，有QB為燃料燃燒放出的熱量；Q為工質(zhì)吸收的熱量；Qw為傳給氣缸壁面的熱量；ΔU為工質(zhì)內(nèi)能的變化；W為工質(zhì)對活塞所作的機械功。QB，Q和Qw均隨曲軸轉(zhuǎn)角φ變化，將上式對曲軸轉(zhuǎn)角φ微分，得dQB/dφ為燃料燃燒的瞬時燃燒率（或稱放熱率），通常將dQB/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系稱為燃燒規(guī)律、放熱規(guī)律或放熱率曲線也可用加熱規(guī)律分析燃燒過程的進展情況

放熱規(guī)律分析考察幾種簡單的放熱規(guī)律。若不論放熱規(guī)律如何，皆在其最有利時刻放熱，則熱效率差別很小，只是Δp/Δφ差別較大開始放熱的時刻、放熱規(guī)律和放熱持續(xù)時間是燃燒過程的主要要素它們主要影響循環(huán)熱效率和最高燃燒壓力比較合適的放熱規(guī)律是燃燒先緩后急，實現(xiàn)有許多困難壓燃式發(fā)動機燃燒過程中缸內(nèi)溫度分布第三節(jié)混合氣形成與燃燒一、柴油機的混合氣形成特點和方式1、混合氣形成特點時間短、柴油的蒸發(fā)性和流動性較差、需要較大的過量空氣系數(shù)。2、混合氣形成基本方式在柴油機內(nèi)混合氣形成的主要有兩種形式：

1)空間霧化混合2)油膜蒸發(fā)混合實際上，在柴油機中這兩種混合方式同時存在，兼而有之。二、缸內(nèi)氣流運動1、渦流進氣渦流在進氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運動，稱為進氣渦流在柴油機上，進氣渦流主要用于增強噴油油束與空氣的混合，提高燃油空氣混合速率。在汽油機上，進氣渦流主要用于增加火焰?zhèn)鞑ニ俾蔬M氣渦流的強度由進氣道形狀和發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定。

進氣渦流的產(chǎn)生方法(1)帶導氣屏的進氣門(2)切向氣道(3)螺旋氣道氣道的評定方法采用在穩(wěn)流氣道試驗臺上進行穩(wěn)定流動的模擬試驗，測定渦流強度和氣道的流通能力，采用葉片風速儀測量模擬氣缸內(nèi)渦流的轉(zhuǎn)速，或用測矩儀直接測出渦流的角動量氣體流量用流量計測定上圖：產(chǎn)生進氣渦流的方法a導氣屏b切向氣道c螺旋氣道右圖：各類氣道氣門出口處的速度分布示意圖a平直無旋氣道b帶導氣屏的進氣門C切向氣道d純螺旋氣道2、擠流

在壓縮過程后期，當活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)的氣體被活塞擠壓流入燃燒室內(nèi)，這種氣流運動稱為擠壓流動，又稱擠流擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙（活塞頂隙）大小決定當活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，稱為逆擠流。在壓縮過程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運動，稱為壓縮渦流。3、滾流在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸的軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的空氣旋流，稱為滾流或橫軸渦流滾流較適宜于在四氣門汽油機上使用，滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，當活塞接近于上止點時，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強度和湍流動能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動機性能4、湍流湍流在汽油機上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在柴油機上組織適當?shù)耐牧骺梢愿纳迫加停ㄈ绫诿娓浇娜加停┡c空氣的混合。三、柴油機燃燒室直噴式燃燒室1）、開式燃燒室2、半開式燃燒室中的空氣運動進氣渦流、擠流、滾流、湍流3）、半開式燃燒室淺盆形燃燒室分隔式燃燒室主要特點：

1)對噴霧質(zhì)量要求不高，可采用軸針式噴油嘴，噴油壓力較低，可降低對燃油系統(tǒng)的要求，

2)混合氣形成質(zhì)量對轉(zhuǎn)速變化不敏感；氣門布置的位置充裕，進氣門直徑可以做得較大，目前發(fā)動機轉(zhuǎn)速可高達5000r/min。

3)空氣能較充分利用，因此過量空氣系數(shù)較小，平均有效壓力較高；主燃燒室中的壓力升高比較小，工作平穩(wěn)柔和。

4)散熱損失較大；節(jié)流損失也較大，使冷起動困難，燃油消耗率較高，比直噴式柴油機通常要高出10%~15%。

5)因此可減少NOx排放量，HC和微粒排放量均比直噴式柴油機低，高負荷的煙度一般小于3BSU。

其他燃燒室1、球型燃燒室2、非回轉(zhuǎn)體燃燒室四角形、微渦形、花瓣形空間霧化混合油膜蒸發(fā)混合1.大部分燃料噴散霧化，并分布到空氣中2.燃料在空氣中是細小油滴3.細小油滴與熱空氣混合，形成不均勻的混合氣（液相混合），然后小油滴的高溫下蒸發(fā)4.在著火延遲期間形成的可燃混合氣數(shù)量較多，多處著火5.燃燒開始時的放熱速度很高，以后逐漸減慢1.利用強烈的空氣旋流將大部分燃料涂布到壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜受壁溫影響在較低溫度下蒸發(fā)，然后燃料蒸氣與空氣混合，形成均質(zhì)混合氣（氣相混合）4.散布在空氣中的少量霧化燃油局部著火5.初期放熱速率不高，而隨著燃燒進行，火焰輻射使蒸發(fā)增強加上熱力混合作用，中、后期的燃燒速度很高

直接噴射式分隔式

淺盆形深坑形球形油膜渦流室預(yù)燃寶燃燒空形狀簡單一般一般復雜復雜混合氣形成方式空間霧化空間霧化為主油膜蒸發(fā)空間霧化為主空間霧化空氣運動無渦流或弱進氣渦流進氣渦流較強進氣渦流最強壓縮渦流燃燒渦流燃料霧化要求高要求較高一般要求較低要求低噴油嘴多孔6~12多孔4~6單孔或雙孔軸針式軸針式針閥開啟壓力/MPa20~4018~2517.5~1910~158~13熱損失和流動損失小較小較小大最大起動容易較易難難最難壓縮比12~1516~1817~1916~2018~22φa（全負荷）1.6~2.21.4~1.71.3~1.51.3~1.61.2~1.6pme/MPa1~20.6~0.80.7~0.90.6~0.80.6~0.8be/[g·(kW·h)-1]190218~245218~245231~272245~292燃燒噪聲高高較低低低、怠速高適應(yīng)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)＜1500＜4000＜2500＜5000＜3500適應(yīng)缸徑/mm＞200＜15090~130＜100(160~200)第四節(jié)燃燒過程的優(yōu)化一、燃油噴射、氣流運動與燃燒室形狀間的配合三者中任何一個因素如不與其他因素匹配，都會造成燃燒過程惡化。二、影響燃燒過程的運轉(zhuǎn)因素