發(fā)動(dòng)機(jī)原理-第六章-柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒

發(fā)動(dòng)機(jī)原理講授內(nèi)容：第六章柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒主講人：鄧曉亭講師Email：xiaotingdeng@電話六章柴油機(jī)混合氣形成與燃燒本章要求：理解：影響燃燒的因素和措施。掌握：柴油機(jī)混合氣的形成，柴油機(jī)燃燒過程，柴油機(jī)的噴射與霧化。第六章柴油機(jī)混合氣形成與燃燒柴油機(jī)混合氣的形成方式：

1、空間霧化混合形成霧狀混合物的要求：噴霧與燃燒室形狀配合，并利用氣流運(yùn)動(dòng)。2、油膜蒸發(fā)混合混合氣形成的特點(diǎn)：氣缸內(nèi)部形成混合氣混合氣形成時(shí)間短混合氣形成不均勻混合氣形成與燃燒緊密相連柴油機(jī)燃燒過程特點(diǎn)：

以油膜（滴）蒸發(fā)擴(kuò)散為主的混合加熱循環(huán)。柴油機(jī)燃燒的缺點(diǎn)：有碳煙的生成，碳煙聚集吸附碳?xì)?，形成微粒。第一?jié)柴油機(jī)燃燒過程

柴油機(jī)是在壓縮過程中活塞接近上止點(diǎn)時(shí),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(gè)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)。

注：著火時(shí)機(jī)、地點(diǎn)不固定，著火點(diǎn)位于噴注外圍與核心之間。

一、燃燒方式--油滴擴(kuò)散燃燒單個(gè)油滴的著火區(qū)域直徑：5~150um(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。在稀火焰區(qū)形成著火核心；稀熄火區(qū)是未燃HC的主要來源。二、燃燒過程Ⅰ-滯燃期Ⅱ-速燃期

Ⅲ-緩燃期Ⅳ-后燃期

h-針閥升程

Q-循環(huán)放熱量dQ/dφ-放熱速率dq/dφ-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)Ⅰ、滯燃期（1-2）從噴油開始到缸內(nèi)壓力線與壓縮線偏離的始點(diǎn)所占的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為滯燃期或著火延遲期。在壓縮終點(diǎn)，Tc=450-800℃，大于柴油的自燃溫度（330-350℃），但不會(huì)立即著火，進(jìn)行著火前的準(zhǔn)備。一般著火延遲時(shí)間τi≈0.7-3ms，所占曲軸轉(zhuǎn)角8°-12°CA。著火延遲期的作用：在著火延遲期內(nèi)，燃燒室內(nèi)進(jìn)行混合氣準(zhǔn)備的物理和化學(xué)過程。物理準(zhǔn)備：霧化，加熱，蒸發(fā)，擴(kuò)散和混合?；瘜W(xué)準(zhǔn)備：可燃混合氣通過裂解產(chǎn)生醛類（過氧化物藍(lán)焰）和CO，其藍(lán)焰產(chǎn)物主要是CO、O、OH-1、H+1等活性中心，當(dāng)達(dá)到一定著火條件時(shí)會(huì)發(fā)生熱爆炸。影響著火延遲期的主要因素：燃燒室內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)，如T、P和燃料種類。Ⅱ、速燃期（2-3）從壓力脫離壓縮線開始急劇上升到缸內(nèi)最大壓力點(diǎn)，稱為速燃期。速燃期的作用：速燃期內(nèi)，在滯燃期內(nèi)準(zhǔn)備好的混合氣幾乎同時(shí)開始燃燒，活塞在上止點(diǎn)附近，使缸內(nèi)壓力急劇上升，接近于等容燃燒。評(píng)價(jià)速燃期的參數(shù)：平均壓力升高率ΔP/ΔΦ=(P3-P2)/(Φ3-Φ2)和最大壓力升高率(ΔP/ΔΦ)max柴油機(jī)(ΔP/ΔΦ)max一般0.4~0.6MPa/℃A以下。最大壓力升高率的大小主要與著火延遲期內(nèi)準(zhǔn)備好的可燃混合氣的數(shù)量有關(guān)。Ⅱ、速燃期（2-3）速燃期的要求：在適宜的壓力升高率下，速燃期的燃燒量越多越好。速燃期的影響因素：滯燃期內(nèi)形成的混合氣量缸內(nèi)溫度、壓力和十六烷值噴油規(guī)律、蒸發(fā)速率決定在滯燃期內(nèi)形成的混合氣量速燃期內(nèi)，燃料燃燒釋放的熱量約為循環(huán)總熱量的20%-30%。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。Ⅲ、緩燃期（3-4）從缸內(nèi)最大壓力點(diǎn)到最高溫度點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為緩燃期。緩燃期的作用：速燃期內(nèi)未燃燒的燃油和后噴入的燃油，在具有大量廢氣的環(huán)境中緩慢的定壓燃燒。緩燃期的特點(diǎn)：一邊燃燒，一邊活塞下行，缸內(nèi)壓力幾乎不變或稍有變化（接近等壓過程），放熱量達(dá)70%-80%。燃燒室的最高溫度可達(dá)1700～2000℃左右，最高溫度點(diǎn)一般在上止點(diǎn)后20～35°CA左右。緩燃期的燃燒特點(diǎn)：由于缸內(nèi)廢氣量增加，導(dǎo)致氧氣不足，燃燒條件不利，所以邊混合邊燃燒，存在局部高溫缺氧，燃料裂解形成碳煙，使經(jīng)濟(jì)性變差。由于混合時(shí)間短，高溫缺氧下易形成碳煙，要求φa>1。Ⅳ、后燃期（4--）從最高溫度點(diǎn)到燃油基本燃燒完全，稱為后燃期。一般當(dāng)放熱量達(dá)到循環(huán)總放熱量的95%-99%時(shí)，就可以認(rèn)為是補(bǔ)燃期結(jié)束，也就是整個(gè)燃燒過程的結(jié)束點(diǎn)。后燃期的特點(diǎn)：燃燒時(shí)間短促，混合氣不均勻，燃燒放出的熱量得不到有效利用，排氣溫度提高，散熱損失增大，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不利。后燃期的缺點(diǎn)：后燃增加了相關(guān)零件的熱負(fù)荷。后燃期的優(yōu)點(diǎn)：將燃燒產(chǎn)生的中間排放污染物進(jìn)一步處理掉。后燃期的影響因素：燃料重?zé)N成分所占的比例（T90、T95）應(yīng)盡量減少后燃。瞬時(shí)放熱速率：燃燒過程中的某一時(shí)刻，單位時(shí)間（曲軸轉(zhuǎn)角）內(nèi)（單位質(zhì)量混合氣）所放出的熱量，單位是KJ/(kg·°CA)或KJ/(kg·s)。它決定壓力升高率(噪音)的變化和熱效率。

累計(jì)放熱率（累計(jì)放熱百分比）：從燃燒過程開始至某一時(shí)刻為止，單位質(zhì)量混合氣所放出的熱量與每循環(huán)單位質(zhì)量混合氣放熱量的比值。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。三、燃燒過程的放熱規(guī)律三、燃燒過程的放熱規(guī)律Ⅰ預(yù)混合燃燒階段，對應(yīng)速燃期，放熱率很高，歷時(shí)3-7°CA。Ⅱ擴(kuò)散燃燒階段，對應(yīng)緩燃期，放熱速率下降，為主放熱階段，歷時(shí)40°CA。這兩個(gè)階段放熱達(dá)80%。Ⅲ燃燒放熱的拖尾階段，對應(yīng)后燃期，放熱20%。燃燒放熱規(guī)律三要素：燃燒放熱始點(diǎn)、放熱規(guī)律形狀和燃燒持續(xù)期。燃燒放熱始點(diǎn)最佳的情況下，將使Pmax出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10-15

°左右。燃燒持續(xù)時(shí)間最佳為40°左右。曲線形狀—開始放熱適中，然后燃燒加快，尾巴盡量短。柴油機(jī)與汽油機(jī)的放熱規(guī)律四、燃燒過程中存在的問題1、空氣利用率低混合氣形成困難，燃燒不完全?；旌蠘O不均勻——混合氣形成時(shí)間短，邊噴油、邊混合、邊燃燒。

改進(jìn)措施：

①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(dòng)。②供給較多的空氣。

φa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(dòng)力性相矛盾。2、燃燒噪聲（工作粗暴）產(chǎn)生原因：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(dòng),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ΔP/ΔΦ有很大關(guān)系。為使工作柔和，要求ΔP/ΔΦ≤0.4MPa/°CA。降低工作粗暴的根本措施：降低壓力升高率。降低工作粗暴的主要途徑：縮短著火延遲期減少滯燃期內(nèi)的噴油量，選擇合適的噴油規(guī)律。好的噴油規(guī)律要求：先緩、后急、速斷。減少著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣量（油膜蒸發(fā)緩和）四、燃燒過程中存在的問題3、排氣冒黑煙排氣冒煙的原因：緩燃期內(nèi)燃油被高溫廢氣包圍，存在局部過濃和高溫缺氧，使燃料裂解、脫氫，最后聚合形成碳煙。

主要發(fā)生在大負(fù)荷工況時(shí)，如加速、爬坡或超載時(shí)。減少冒煙的主要措施:(1)增加過量空氣系數(shù)。但與提高柴油機(jī)的動(dòng)力性相矛盾。(2)合理組織的空氣運(yùn)動(dòng)。與改善柴油機(jī)工作的柔和性相矛盾?？諝膺\(yùn)動(dòng)的作用：促使油束分散增大混合范圍熱混合作用四、燃燒過程中存在的問題4.排氣冒藍(lán)煙、白煙

在冷起動(dòng)及怠速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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0.6～1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(shí)，一般先冒白煙，后冒藍(lán)煙，然后變?yōu)闊o色。四、燃燒過程中存在的問題五、控制噪聲與振動(dòng)的措施噪聲的來源燃燒噪聲（主要部分）機(jī)械噪聲空氣動(dòng)力學(xué)噪聲控制噪聲的措施燃燒噪聲：與減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴的措施相同。機(jī)械噪聲：取決于運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量、零部件的配合間隙、防止共振、采用吸振材料。氣流噪聲：通過優(yōu)化進(jìn)排氣道結(jié)構(gòu)，防止截面突變；優(yōu)化風(fēng)扇；優(yōu)化消音器；合理匹配配氣相位。

第二節(jié)燃油噴射和霧化一、噴油系統(tǒng)噴油泵的作用定時(shí)、定量的經(jīng)高壓油管向各缸的噴油器周期性的供給高壓燃油。噴油器的作用將噴油泵供給的高壓燃油噴入柴油機(jī)燃燒室內(nèi)，利用噴油器的多孔結(jié)構(gòu)，使燃油霧化成微小油粒，并按一定的要求適當(dāng)?shù)胤植荚谌紵覂?nèi)。噴射過程從供油開始至噴油停止所占的曲軸轉(zhuǎn)角，約占15°-40°。噴射過程分三個(gè)階段：噴射延遲階段，主噴射階段，噴射結(jié)束階段。燃油的噴射過程凸輪柱塞泵柱塞腔出油閥針閥1、噴射延遲階段從噴油泵的柱塞頂封閉進(jìn)回油口的理論供油起始點(diǎn)，到噴油器針閥開始升起（噴油始點(diǎn)）為止。出油閥升起后，受壓縮的燃油進(jìn)入高壓油管，使噴油泵端的壓力上升，產(chǎn)生壓力波并以聲速沿高壓油管向噴油器端傳播。當(dāng)傳播到噴油器端的壓力超過針閥開啟壓力時(shí)，針閥升起，開始噴油。

供油提前角——供油始點(diǎn)到上止點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角；

噴油提前角——噴油始點(diǎn)到上止點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角；

噴油延遲角——供油提前角和噴油提前角的差值。影響噴油延遲期的因素轉(zhuǎn)速升高，噴油延遲角加大。高壓油管較長，壓力波傳播時(shí)間較長，噴油延遲角也會(huì)較大。2、主噴射階段從噴油開始到噴油器端的壓力開始急劇下降所對應(yīng)的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角。針閥升起過程中，針閥上升讓出容積以及一部分燃油噴入燃燒室內(nèi)，噴油器端的壓力有一短暫下降。噴油泵柱塞持續(xù)供油，噴油泵端壓力和噴油器端壓力都保持在高的水平而不下降，絕大部分燃油以高的噴射壓力和良好的霧化質(zhì)量噴入燃燒室內(nèi)，其持續(xù)時(shí)間主要取決于循環(huán)供油量和噴油速率。主噴射階段的影響因素：負(fù)荷增加，主噴射階段變長。3、噴射結(jié)束階段從噴油器端的壓力開始急劇下降到噴油器的針閥完全落座停止噴油為止。噴油泵的回油孔打開和出油閥減壓容積的卸載作用，泵端壓力帶動(dòng)噴油器端壓力急劇下降，當(dāng)噴油器端壓力低于針閥開啟壓力時(shí)，針閥開始下降。噴射結(jié)束階段的特點(diǎn)：壓力降低、所噴燃油霧化不好，造成燃燒惡化。供油規(guī)律和噴油規(guī)律幾何供油規(guī)律（供油規(guī)律）

單位時(shí)間（

凸輪軸轉(zhuǎn)角）內(nèi)油泵的供油量隨時(shí)間（或凸輪軸轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系。噴油規(guī)律（噴油速率）單位時(shí)間（凸輪軸轉(zhuǎn)角）內(nèi)噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量隨時(shí)間（或凸輪軸軸轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系。供油規(guī)律和噴油規(guī)律的區(qū)別噴油始點(diǎn)遲于供油始點(diǎn)。噴油持續(xù)時(shí)間較供油持續(xù)時(shí)間長。噴油規(guī)律的峰值低于供油規(guī)律的峰值造成供油規(guī)律和噴油規(guī)律區(qū)別的主要原因燃油的可壓縮性，使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力波的傳播；高壓油管的彈性變形引起容積的變化。壓力波的往復(fù)反射和疊加的作用。柴油機(jī)供油系統(tǒng)的不正常噴射現(xiàn)象二次噴射現(xiàn)象滴油現(xiàn)象斷續(xù)噴射不規(guī)則噴射和隔次噴射穴蝕二次噴射

在噴射終了噴油器針閥落座后，在壓力波動(dòng)的影響下再次升起而噴油的現(xiàn)象。危害：（1）噴射壓力低，霧化不良，燃燒不完全，碳煙增多，易引起噴孔堵塞。（高速大負(fù)荷工況）（2）時(shí)間長燃燒不及時(shí)，經(jīng)濟(jì)性下降，零部件過熱。解決措施盡可能地縮短高壓油管長度，減小高壓容積，以降低壓力波動(dòng)。合理選擇參數(shù)滴油現(xiàn)象

在噴油器針閥密封正常的情況下，噴射終了時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)壓力下降過慢使針閥不能迅速落座，出現(xiàn)仍有燃油流出的現(xiàn)象。危害

噴射壓力極低，霧化奇差，使發(fā)動(dòng)機(jī)排煙增加。解決措施：

合理匹配減壓容積，使得壓力下降迅速、降低殘余壓力。解決措施合理匹配供油規(guī)律、噴油規(guī)律及管路結(jié)構(gòu)。斷續(xù)噴射的原因

由于在某一瞬間噴油泵的供油量小于從噴油器噴出的油量和填充針閥上升空出空間的油量之和，造成針閥在噴射過程中周期性跳動(dòng)的現(xiàn)象。危害：

噴射壓力低，燃燒惡化，多次起落磨損偶件。不規(guī)則噴射和隔次噴射

供油量過小時(shí)，循環(huán)噴油量不斷變動(dòng)，甚至出現(xiàn)有的循環(huán)不噴油的現(xiàn)象。主要發(fā)生在怠速和小負(fù)荷工況。危害

循環(huán)波動(dòng)增加、怠速不穩(wěn)、限制最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。解決措施

減少高壓油管的容積并提高其剛度。穴蝕

由于在高壓容積內(nèi)的壓力波動(dòng)，當(dāng)高壓油路中的壓力極低（低于燃油的蒸氣壓）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生油蒸氣和空氣的氣泡，稱為氣穴。氣泡在隨后的高壓下爆裂而產(chǎn)生沖擊波，對金屬表面形成沖擊，這種現(xiàn)象多次出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致金屬表面的疲勞破壞，稱為穴蝕。

穴蝕會(huì)影響到噴油系統(tǒng)的工作可靠性和壽命。1.燃油的霧化

燃油在噴油泵中被壓縮后，經(jīng)高壓油管在高壓（20-180MPa）、高速的作用下，以霧狀形式從噴油器噴入燃燒室。2、油束燃油與燃燒室中高壓空氣的相對運(yùn)動(dòng)及紊流的作用下，被逐步粉碎分散為直徑約2-50um的液滴，由大小不同的液滴組成了油束。3、油束的評(píng)價(jià)指標(biāo)

油束的幾何形狀

霧化質(zhì)量二、噴油霧化和油束特性評(píng)價(jià)油束幾何形狀的參數(shù)

油束射程L（又稱為貫穿距離）,表示噴注貫穿深度

油束的最大寬度B

噴霧錐角

，主要標(biāo)志油束的緊密程度。貫穿率，油束的貫穿距離與噴嘴到燃燒室壁的距離之比。霧化質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)

細(xì)微度：用液滴平均直徑來表示（索特平均直徑SMD）均勻度：油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束內(nèi)部分的均勻程度。影響油束幾何形狀的主要因素：噴射壓力、噴孔直徑和數(shù)量、噴油器噴孔的長度直徑比和空氣與燃油密度比、空氣流動(dòng)狀態(tài)等?？諝膺\(yùn)動(dòng)對混合氣形成的影響渦流運(yùn)動(dòng)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。渦流過強(qiáng)，會(huì)使燃燒產(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。多孔噴油嘴的混合氣形成a靜止空氣b空氣作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)第三節(jié)混合氣的形成和燃燒室1．柴油機(jī)燃燒室的分類直接噴射式燃燒室分隔式燃燒室直接噴射式燃燒室根據(jù)凹坑深度分類開式燃燒室—淺坑型，如淺盆形或淺ω形燃燒室半開式燃燒室—深坑型，如ω形和球形燃燒室

開式燃燒室Dk/D>0.65-0.8半開式燃燒室Dk/D=0.35-0.65Dk：燃燒室喉口直徑；D：發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸直徑。對于車用高速發(fā)動(dòng)機(jī)來說，通常都采用半開式的。分隔式燃燒室分類：渦流室燃燒室和預(yù)燃室式燃燒室

直噴式燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：整個(gè)燃燒室由氣缸蓋底平面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統(tǒng)一空間，活塞頂上均開有深淺不同、形狀各異的凹坑。