第六章 柴油機混合氣的形成及燃燒

第一節(jié)燃料噴射與霧化

第二節(jié)柴油機的燃燒過程

第三節(jié)可燃混合氣的形成與燃燒室

第四節(jié)影響燃燒過程的運轉(zhuǎn)因素分析

第五節(jié)影響燃燒過程的結(jié)構(gòu)因素

第六節(jié)工程應用實例(文摘)第六章柴油機混合氣的形成與燃燒第一節(jié)燃油噴射與霧化噴油系統(tǒng)

1、作用及要求

作用：

定時定量并按一定規(guī)律向柴油機各缸供給高壓燃油。要求：

1)產(chǎn)生足夠高的噴油壓力；

2)實現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律；

3)對于確定的運轉(zhuǎn)狀況，精確控制噴油量；

4)避免出現(xiàn)異常噴射現(xiàn)象。

2、噴油系統(tǒng)的工作原理圖5-1柱塞式噴油泵燃油供給系1—噴油器2—燃油濾清器3—直列柱塞式噴油泵4—噴油提前器5—輸油泵6—調(diào)速器7—油水分離器8—油箱9—高壓油管10—回油管11—低壓油管1.柱塞式噴油泵供油系統(tǒng)2.分配式噴油泵供油系統(tǒng)圖5-2分配式噴油泵燃油供給系l-油箱2-油水分離器3-一級輸油泵4-二級輸油泵5-燃油濾清器6-調(diào)壓閥7-分配式噴油泵傳動軸8-調(diào)速手柄9-分配式噴油泵體10-噴油器11-回油管12-分配式噴油泵13-噴油提前器14-調(diào)速器傳動齒輪3、噴油泵圖5-3柱塞式噴油泵圖5-4分配式噴油泵4、噴油器圖5-5噴油器的頭部結(jié)構(gòu)(a)單孔(b)多孔(c)標準軸針(d)節(jié)流軸針圖5-6不同噴油嘴的流通特性二、燃料噴射過程(1)噴油延遲階段從噴油泵壓出燃油(供油始點)到噴油器針閥開始抬起(噴油始點)為止，這一階段稱為噴油延遲階段。

(2)主噴射階段從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降時為止，這一階段稱為主噴射階段。

(3)滴漏階段從噴油器端壓力開始急劇下降到針閥完全落座(噴油終點)為止，這一階段稱為滴漏階段。圖６-８噴油過程

１—噴油泵柱塞２—進、回油孔３—出油閥４—出油閥彈簧

５、７—壓力傳感器６—高壓油管８—針閥彈簧９—噴油器針閥1.噴射過程:定義：噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程，整個噴射過程在全負荷下約占15°~40°曲軸轉(zhuǎn)角。

噴射過程噴射延遲階段I：從噴油泵柱塞頂封閉進回油孔的理論供油始點到噴油器針閥開始升起(噴油始點)為止。主噴射階段Ⅱ

：從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降為止。噴油結(jié)束階段Ⅲ

：從噴油器端壓力開始急劇下降針閥完全落座(噴油終點)為止。圖5-7噴射過程a)噴油泵端壓力b)噴油器端壓力c)針閥升程三.供油規(guī)律與噴油規(guī)律：供油速率：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；噴油速率：單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量；供油規(guī)律：供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時間）的變化關系。噴油規(guī)律：噴油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時間）的變化關系。差別：

始點差別8°~22°曲軸轉(zhuǎn)角；噴油持續(xù)時間較供油持續(xù)時間長；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。圖6-8供油規(guī)律和噴油規(guī)律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高壓容積變化四.噴霧特性與霧化質(zhì)量：燃油噴入燃燒時后被粉碎分散為細小微粒的過程，稱為燃油的噴霧或霧化。將燃油噴射霧化，可以大大增加其表面積，加速混合氣形成。當燃油高速從噴孔噴出(噴出速度為l00一300m／s)便形成如園錐形狀的噴注，也稱油束。油束的幾何形狀主要包括油束射程(又稱貫穿距離)和噴霧錐角或油束的最大寬度。圖5-9油束的幾何形狀和參數(shù)a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

反映油束的緊密程度?？资絿娮臁?/p>

油束松散，粒細。軸針式噴嘴—

油束緊密，粒粗。c霧化質(zhì)量（霧化特性）

細微度—油滴平均直徑細：霧化好均勻度—油滴最大直徑-油滴平均直徑勻：霧化好粒細均勻度好，粒粗均勻度差。一般情況下：噴霧錐角過大，貫穿距離會減??；噴霧錐角過小，霧化程度會變差。3.不正常噴射(一)二次噴射二次噴射是主噴射結(jié)束針閥落座后，在過大的反射波作用下，針閥再次升起進行噴油的一種不正常現(xiàn)象。二次噴射的出現(xiàn)特使整個噴射延續(xù)期拉長，過后燃燒嚴重，柴油機經(jīng)濟性下降．熱負荷增加，應當要力求消除二次噴射。消除二次噴射

(1)減少高壓油路中的容積

(2)適當加大噴油器的噴孔直徑

(3)適當加大出油閥的減壓容積(二)滴油

在正常噴射結(jié)束后，如斷油不干脆，仍有少量柴油滴出，稱為滴油。(三)斷續(xù)噴射(四)不規(guī)則噴射和隔次噴射(五)穴蝕柴油機混合氣形成的特點和方式：1.混合氣形成特點（1）混合氣不均勻。（2）過量空氣系數(shù)較大。（3）混合過程與著火過程和燃燒過程共存。

第二節(jié)可燃混合氣的形成與燃燒室2.混合氣形成基本方式1)、空間霧化混合

將燃油噴向燃燒室空間進行霧化，通過燃油與空氣間的相互運動和擴散，在空間形成可燃混合氣。a)靜止空氣時空間霧化混合

b)空氣作旋轉(zhuǎn)運動空間霧化混合

圖5-19直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式a)靜止空氣b)空氣作旋轉(zhuǎn)運動2)壁面油膜蒸發(fā)混合

燃油沿壁面順氣流噴射，在強烈的渦流作用下，在燃燒室壁面上形成一層很薄的油膜。

著火前，燃燒室壁溫較低下，油膜底層保持液態(tài)，表層油膜開始時以較低速度蒸發(fā)，加上噴油射束在空間的少量蒸發(fā)，形成少量可燃混合氣。著火后，隨燃燒的進行，油膜受熱逐層加速蒸發(fā)，使混合氣形成速度和燃燒速度加速。圖5-20油膜蒸發(fā)混合方式柴油機燃燒室直接噴射式燃燒室非直噴式燃燒室（分開式燃燒室）(一)半開式燃燒室的空氣渦流運動

(二)以ω型為代表的半開式燃燒室

(三)其他形式半開式燃燒室圖６-19直噴式燃燒室

a)開式b)、c)半開式一、直接噴射式燃燒室：

一、直接噴射式燃燒室：

1）淺盆形燃燒室

2）ω形燃燒室

3）擠流口式燃燒室

4）球形燃燒室

各種直噴式燃燒室形式a)淺盆形b)ω形c)擠流口形d)球形(一)半開式燃燒室的空氣渦流運動1.進氣渦流

2.擠流缸內(nèi)氣流運動內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體運動方式渦流擠流滾流湍流⑴進氣渦流

在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流。產(chǎn)生進氣渦流運動的方法有:

導氣屏、切向進氣道、螺旋進氣道、組合進氣系統(tǒng)1.渦流渦流導氣屏設置在進氣門上，導引進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。切向進氣道螺旋進氣道組合進氣系統(tǒng)

在2個進氣門的發(fā)動機上，采用不同類型或不同角度的兩個進氣道以組合所需要的渦流和流速分布。圖６-20切向氣道圖６-21螺旋氣道⑵壓縮渦流在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流。2.擠流當活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內(nèi)，由此產(chǎn)生擠壓渦流(擠流)。當活塞下行時，凹坑內(nèi)的燃燒氣體又向外流到活塞頂部外圍的環(huán)型空間，與空氣進一步混合燃燒，這種流動也稱為逆擠流。圖６-22擠氣渦流

ａ)無進氣渦流或渦流不強時的擠流ｂ)進氣渦流強時的擠流ｃ)逆擠流⑶湍流在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的小尺度氣流運動稱為湍流，也稱微渦流。湍流⑷滾流在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流，也稱為縱渦。

滾流(二)以ω型為代表的半開式燃燒室圖６-23ω型半開式燃燒室

a)淺坑ω型半開式燃燒室b)深坑ω型半開式燃燒室(三)其他形式半開式燃燒室1.球形油膜燃燒室圖６-24球形燃燒室圖６-25M燃燒過程放熱率

１—直噴式２—M燃燒2.復合式燃燒室這類燃燒室ｄｋ／Ｄ≈０.４，采用中等或強的進氣渦流及１～２孔的噴油器，將大部分燃油噴在壁面附近形成混合氣層，為空間油膜混合。我國105系列柴油機即是這種類型，如圖６-２６所示。燃燒室位于活塞頂上正中心，形狀如“Ｕ”字形，采用ZS4S1型軸針式噴油器，噴油方向基本上與空氣渦流運動方向垂直，只有一個很小的角度(７°)的順氣流趨向，配有螺旋進氣道。圖６-26105系列燃燒室

a)105系列復合燃燒室b)FL413斜柱形c)6VD12.5／１２Ｈ過程二、分隔式燃燒室。1）渦流室燃燒室

圖６-27ＲＩＣＡＲＤＯ彗星Ｖ渦流燃燒室1.混合氣形成

在壓縮過程中，活塞迫使空氣經(jīng)過通道流入渦流室，形成強烈的、有組織的壓縮渦流運動。這種渦流運動伴隨著柴油機轉(zhuǎn)速的提高，其強度也增加。當燃油順渦流方向噴入燃燒室時，在氣流作用下，燃油被帶向燃燒室外圍。其中部分燃油分布在壁面上，在通道口附近靠近壁面處著火。在強烈的渦流作用下，由于燃燒產(chǎn)物的密度比空氣小，所以被卷向渦流室中央，而把在中央較重的新鮮空氣不斷壓向四周形成良好的“熱混合”。當渦流室中燃油著火后，渦流室中的氣體壓力、溫度迅速升高，室內(nèi)燃氣帶著未燃的燃油、空氣一起經(jīng)通道高速流到主燃燒室中，而且壁面附近的過濃混合氣首先從渦流中噴出。2.結(jié)構(gòu)特點圖６-28渦流室形狀

ａ)ＰｅｒｋｉｎｓＳ４９９ｂ)錐形平底(ＣｏｍｅｔＶ)ｃ)柱形平底圖６-29渦流室主燃燒室形狀

ａ)雙渦流主燃燒室ｂ)鏟形主燃燒室

１—導流槽２—雙渦流凹坑3.主要優(yōu)缺點由于強烈的空氣渦流運動，保證了較好的混合氣質(zhì)量，空氣得到較充分的利用。因此，過量空氣系數(shù)α較小，平均有效壓力較高。一般α＝１.２～１.３，最低可到1.1。這種燃燒室對噴霧質(zhì)量要求不高，可用單孔軸針式噴油器，孔徑為１ｍｍ左右；針閥開啟壓力較低，約為１２～１４ＭＰａ，降低了對燃油供給系統(tǒng)的要求，減少噴油器堵塞現(xiàn)象。這種燃燒室對轉(zhuǎn)速變化不敏感。轉(zhuǎn)速升高，氣流的渦流運動也加強，因此高速性好，最高轉(zhuǎn)速可達５０００ｒ／ｍｉｎ。廣泛應用于小型高速柴油機上。由于利用的是壓縮渦流和二次渦流，故對進氣道沒有特殊要求與限制，對減小進氣阻力、提高充氣系數(shù)有利。這種燃燒室的Δｐ／Δφ和ｐｚ較低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；排氣污染小；易于調(diào)試；使用性能穩(wěn)定。相對散熱表面積較大，而且直接與冷卻水接觸，致使散熱損失較大。氣體二次經(jīng)過通道節(jié)流，流動損失也較大。因此，這種燃燒室的耗油率較高，經(jīng)濟性不如直噴式燃燒室。采用這種燃燒室的發(fā)動機冷起動困難，除要求較高的壓縮比外，還需要起動輔助裝置。一般壓縮比為１８～２３，缸徑越小，轉(zhuǎn)速越高，選取的壓縮比越大。渦流室通道經(jīng)常有高溫燃氣流動，通道口熱負荷很高，容易引起熱裂等毛病，影響柴油機工作可靠性。（二）預燃室燃燒室圖5-31預燃室燃燒室a)傾斜偏置，單孔道；b)中央正置，多孔道；c)側(cè)面正置，單孔道圖６-30預燃室燃燒室

１—噴油器２—預燃室３—油束

４—通道５—主燃燒室圖６-31由主燃燒室及預燃室測定的示功圖

１—主燃燒室的壓力２—預燃室的壓力1.混合氣形成壓縮過程中氣缸內(nèi)部分空氣被壓入預燃室，由于連接通道截面積很小，且不與預燃室相切，所以在預燃室中形成強烈的無組織的紊流。2.主要優(yōu)缺點由于預燃室與主燃燒室連接通孔的截面積小，氣體二次通過產(chǎn)生強烈的節(jié)流。使主燃室壓力上升緩慢，Δｐ，ｐｚ值低，非增壓柴油機一般ｐｚ＝４～６.5ＭＰａ，在相同功率下比直噴式?。玻担ァ常埃?，所以工作柔合，噪聲小。預燃室燃燒室混合氣形成主要依靠燃燒渦流，故對燃油系統(tǒng)的要求低，對轉(zhuǎn)速及燃油品質(zhì)不敏感，均用軸針式單孔噴嘴，針閥開啟壓力約為８～１２.５ＭＰａ。所以燃油系統(tǒng)工作比較可靠，噴油器壽命較長，有適應多種燃料的能力。燃燒過程的特點

1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。

2壓縮自燃。柴油機的燃燒過程可分為四個階段：

1火落后期(又稱為滯燃期)；

2速燃期；

3緩燃期；

4補燃期。第二節(jié)柴油機的燃燒過程一、燃燒過程

（一）著火落后期

從柴油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點)起到著火開始點(B點)為止的這一段時期稱為著火落后期。

隨壓縮過程的進行，缸內(nèi)空氣壓力和溫度不斷升高，在空燃比、壓力、溫度以及流速等條件合適處，多點同時著火，隨著著火區(qū)域的擴展，缸內(nèi)壓力和溫度升高，并脫離壓縮線。

著火落后期

影響著火落后期長短的主要因素是燃燒室內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)：

噴油時缸內(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。其次因素是燃燒室的形狀和壁溫等。圖5-14溫度與壓力對著火落后期的影響（二）速燃期

速燃期:從開始著火（即壓力偏離壓縮線開始急劇上升(B點)）到出現(xiàn)最高壓力(C點).

特點：形成多個火焰中心，持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。壓力急劇上升，壓力達到最高（有可能達到13MPa以上）。速燃期影響：

壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經(jīng)濟性和動力性會較好；壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。壓力升高率應限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機的壓力升高率一般應不大于0.4~0.5MPa／(o)曲軸。與汽油機相比，柴油機的壓力升高率較大?？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

①縮短著火落后期的時間；

②減少著火落后期內(nèi)噴入的燃油或可能形成可燃混合氣的燃油

（三）緩燃期

緩燃期為圖中的CD段即從最大壓力點至最高溫度點。

當緩燃期開始時，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：

（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），溫度達到最高。最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后20o~35o曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

（四）補燃期

從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補燃期。

補燃期的終點很難準確地確定，一般當放熱量達到循環(huán)總放熱量的95％—99％時，可認為補燃期結(jié)束。即整個燃燒過程結(jié)束。補燃期

補燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時間短促，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、高負荷工況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴重。

在補燃期中，由于活塞下行了相當?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，導致散熱損失增大，對柴油機的經(jīng)濟性不利。此外，后燃還增加了有關零件的熱負荷。因此，應盡量縮短補燃期，減少補燃期內(nèi)燃燒的燃油量。

二、燃燒放熱規(guī)律（一）燃燒放熱規(guī)律的定義

瞬時放熱速率：在燃燒過程中的某一時刻，單位時間(單位曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)燃燒的燃油所放出的熱量。累計放熱百分比：從燃燒過程開始至某一時刻止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。燃燒放熱規(guī)律：瞬時放熱速率和累計放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關系。圖5-1588燃燒放熱規(guī)律影響到燃燒過程中缸內(nèi)壓力溫度的變化進而影響到柴油機的性能。圖5-15燃燒放熱規(guī)律1.正確選用燃料2.發(fā)火性和蒸發(fā)性要兼顧第四節(jié)影響燃燒過程的運轉(zhuǎn)因素分析一、燃料性質(zhì)的影響二、負荷的影響

當負荷增加時，循環(huán)供油量增加(空氣量基本不變)，過量空氣系數(shù)α減小，單位容積內(nèi)混和氣燃燒放出的熱量增加，引起缸內(nèi)溫度上升，縮短著火延遲期，使柴油機工作柔和。圖６-３２為負荷對著火延遲期的影響。但是，由于循環(huán)供油量加大，以及噴油延續(xù)角增加，使總的燃燒過程加長，并且α減小，不完全燃燒現(xiàn)象也會增加，均引起效率降低。負荷過大，α值太小，因空氣不能滿足需要，燃燒惡化，排氣冒黑煙，柴油機經(jīng)濟性會進一步下降。圖６-32負荷對著火延遲期的影響轉(zhuǎn)速提高，壓縮終了壓力提高；霧化質(zhì)量提高；空氣渦流增強，利于混合氣的形成與燃燒。但轉(zhuǎn)速不宜過高（充氣效率下降，循環(huán)供油量增加），使熱效率下降、排氣污染嚴重。三、轉(zhuǎn)速的影響圖６-336120型柴油機的供油提前角

調(diào)整特性(ｎ＝２０００ｒ／ｍｉｎ)四、供油提前角的影響供油提前角對柴油機性能有很大影響。不適宜的增加供油提前角，燃料將被噴入壓力和溫度都不夠高的壓縮空氣中，使著火延遲期增大，柴油機工作粗暴，并且使得怠速不良，也難于啟動。過大的供油提前角還會增加壓縮負功，使油耗增高，功率下降。如果供油提前角太小，則燃油不能在上止點附近迅速燃燒，補燃增加，雖然Δｐ值較低，但排氣溫度增加，冷卻系熱損失增加，最終熱效率顯著下降。合理選擇并準確控制噴(供)油提前角：噴油提前角θs、供油提前角θ及兩者之間的關系：θ=θs+θx；θx（噴油延遲角）-由高壓油管長度和轉(zhuǎn)速決定。1）噴油提前角對發(fā)動機性能的影響：過大，工作粗暴；功率下降、油耗增加。過小，工作柔和；傳熱損失增加、排氣溫度升高，熱效率降低。2）噴油提前角對油耗及排氣污染的影響：對應每一工況，都有一個最佳噴油提前角，此時動力性、經(jīng)濟性最好，但排氣污染和燃燒噪聲較嚴重。如圖4-3。噴油提前角范圍：15°～35°（CA）。噴油提前角對油耗及排氣污染的影響圖

柴油機全負荷時動態(tài)噴油定時圖第五節(jié)影響燃燒過程的結(jié)構(gòu)因素一、噴油泵結(jié)構(gòu)對柴油機性能的影響(一)供油提前角

圖６-35不同θ角對燃燒過程的影響圖６-34油泵轉(zhuǎn)速及油管長度對噴油延遲的影響圖６-36凸輪外形對噴油規(guī)律的影響(二)油泵凸輪廓線圖６-37切線凸輪和凸圓弧凸輪的速度比較(三)柱塞直徑圖６-38不同柱塞直徑對噴油規(guī)律的影響

(135型柴油機，ｎ＝１５００ｒ／ｍｉｎ)圖６-39不同柱塞直徑