汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 第五章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒

第五章

柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒主要內(nèi)容第一節(jié)燃油的噴射與霧化第二節(jié)燃燒與放熱第三節(jié)混合氣形成與燃燒室第四節(jié)燃燒過程的優(yōu)化第一節(jié)燃油的噴射與霧化一、噴油系統(tǒng)1、作用及要求

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。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。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(jí)輸油泵4-二級(jí)輸油泵5-燃油濾清器6-調(diào)壓閥7-分配式噴油泵傳動(dòng)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(dòng)齒輪3、噴油泵圖5-3柱塞式噴油泵圖5-4分配式噴油泵分配式噴油泵與柱塞式噴油泵相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)緊湊，零件少，體積小，重量輕，使用中故障少，容易維修2、精密偶件加工精度高，供油均勻性好，無(wú)需進(jìn)行各缸供油量和供油定時(shí)調(diào)整3、分配泵的凸輪升程小，有利于提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)V泛用于轎車和輕型車用柴油機(jī)。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(biāo)準(zhǔn)軸針(d)節(jié)流軸針圖5-6不同噴油嘴的流通特性二、噴射與霧化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(gè)噴射過程在全負(fù)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(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Ⅱ

：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Ⅲ

：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5-7噴射過程a)噴油泵端壓力b)噴油器端壓力c)針閥升程2.供油規(guī)律與噴油規(guī)律：供油速率：?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；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；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。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。差別：始點(diǎn)差別8°~22°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。圖5-8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(dòng)高壓容積變化3.噴霧特性與霧化質(zhì)量：燃油噴入燃燒室后被粉碎分散為細(xì)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(dāng)燃油高速?gòu)膰娍讎姵?噴出速度為l00一400m／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L(又稱貫穿距離)和噴霧錐角β或油束的最大寬度B。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(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

反映油束的緊密程度?？资絿娮臁?/p>

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）

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?。粐婌F錐角過小，霧化程度會(huì)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(jìn)行噴油的一種不正?，F(xiàn)象。二次噴射的出現(xiàn)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(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)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)穴蝕第二節(jié)燃燒與放熱燃燒過程的特點(diǎn)1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。2壓縮自燃。柴油機(jī)的燃燒過程可分為四個(gè)階段：

1著火落后期(又稱為滯燃期)；2速燃期；3緩燃期；4補(bǔ)燃期。

（一）著火落后期

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)期稱為著火落后期。

隨壓縮過程的進(jìn)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(diǎn)同時(shí)著火，隨著著火區(qū)域的擴(kuò)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(zhǎng)短的主要因素是燃燒室內(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。其次因素是燃燒室的形狀和壁溫等。圖5-14溫度與壓力對(duì)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(diǎn))）到出現(xiàn)最高壓力(C點(diǎn)).

特點(diǎn)：形成多個(gè)火焰中心，持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。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)不大于0.4~0.5MPa／(o)曲軸。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的壓力升高率較大。控制壓力升高率的措施減小在著火延遲期內(nèi)的可燃混合氣的量

①縮短著火落后期的時(shí)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(diǎn)至最高溫度點(diǎn)（占總放熱量的70%-80%）。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)：

（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），邊混合邊燃燒（空氣的能量、噴射能量）。

（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20o~35o曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

（四）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95％—99％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，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(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。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。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5-1588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(jìn)而影響到柴油機(jī)的性能。圖5-15燃燒放熱規(guī)律（二）理想的燃燒放熱規(guī)律及其控制1.放熱始點(diǎn)

放熱始點(diǎn)決定了放熱率曲線距壓縮上止點(diǎn)的位置，放熱始點(diǎn)的位置能保證該循環(huán)有最大指示熱效率。柴油機(jī)通過噴油提前角的變化以及著火落后期長(zhǎng)短來(lái)加以調(diào)控。圖5-16噴油提前角的調(diào)節(jié)特性2.放熱持續(xù)期

放熱持續(xù)期首先取決于噴油持續(xù)角的大小。其次，取決于擴(kuò)散燃燒期內(nèi)混合氣形成的快慢和完善程度。放熱持續(xù)期的長(zhǎng)短在一定程度上是理論循環(huán)等壓放熱預(yù)膨脹比大小的反映。3.放熱規(guī)律曲線形狀

直噴式燃燒室柴油機(jī)的瞬時(shí)放熱速率和累積放熱百分比在燃燒的起始階段上升最快，放熱速率很快就達(dá)到最大值。高速的直噴式燃燒室柴油機(jī)的放熱速率往往呈現(xiàn)雙峰的特點(diǎn)。在燃燒的起始階段，非直噴式燃燒室柴油機(jī)的放熱速