第五章_柴油机混合气形成与燃烧1019

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1、柴油机混合气形成与燃烧,第五章：柴油机混合气的形成与燃烧,第一节 燃油的喷射与雾化 第二节 燃烧与放热 第三节 混合气形成与燃烧室 第四节 燃烧过程的优化,第一节燃油的喷射与雾化,一、喷油系统,1.对喷油系统的作用（柴油机） 1）能产生足够高的喷油压力 2）实现所要求的喷油规律，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能 3）保证各种工况下精确供给量燃油量及各缸工作均匀性 4）避免异常喷射现象,第一节燃油的喷射与雾化,2.喷油系统的工作原理,常见的喷油泵燃油供给系统： （1）直列柱塞式喷油泵燃油供给系统 （2）分配式喷油泵燃油供给系统 这两种燃料供给系统也称为,（泵管嘴）系统,第一节燃油的喷射与

2、雾化,直列柱塞式喷油泵燃油供给系统,第一节燃油的喷射与雾化,3.喷油泵,喷油泵以柱塞行程、分泵中心距等结构特征为基础成为系列，每个系列可以改变柱塞直径和分泵数，以适应不同柴油机的需要。如A型喷油泵。 分配式喷油泵与柱塞式喷油泵相比的优点： 1）结构紧凑、零件小、体积小、重量轻、使用中故障少、易维修 2）不需要进行各缸供油量个供油定时的调整 3）凸轮的生程小，有利于提高柴油机转速,第一节燃油的喷射与雾化,4.喷油器,喷油器的作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃油室内。喷油器有孔式和轴针式喷油器两类。,孔式,轴针式,孔式喷油器用于直喷

3、式燃烧室； 轴针式喷油器用于非直喷式燃烧室，有标准轴针式和节流轴针式两种，有自洁作用 。,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,1.喷油过程,（1）喷油延迟阶段 供油提前角j 供 喷油提前角j 喷 喷油泵出油（出油阀升起）到喷油嘴喷油（针阀升起） D j = j 供 j 喷 （2）主喷射阶段 喷油嘴喷油到喷油泵停止出油（出油阀关闭） ，高压油管压力急剧下降 （3）停止喷油阶段 喷油泵停止出油到喷油嘴停止喷油（针阀关闭）,二、喷射与雾化,压力波：12001300m/s,开始喷油,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,2.供油规律与喷油规律,（1）供油规律: 供油速率。单位时间喷油泵供油量与喷油泵凸轮转角（时

4、间）的关系 （2）喷油规律: 喷油速率。单位时间喷油器喷油量与喷油泵凸轮转角（时间）的关系 差异在于： A、燃油可压缩性 B、油管弹性变形 C、压力波传递反射 （3）理想喷油规律：“先少后多、先慢后快”,单位曲轴转角由喷油泵供入油管的燃油量取决于柱塞直径和凸轮几何尺寸,单位凸轮轴转角由喷油器 喷入燃烧室内的燃油量 主要取决于喷油器的结构特点,810,比较发现： 1、喷油比供油延迟810 2、喷油持续时间比供油时间长 3、最大 喷油速率比供油速率低 4、形状畸变 5、循环喷油量低于循环供油量,第一节燃油的喷射与雾化,二、喷射与雾化,3.喷雾特性与雾化质量 雾化是指燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细

5、小液滴的过程。,雾化的作用：,增加与周围空气接触的蒸发面积,加速从空气中吸热过程和油滴的汽化过程,有利于混合气的形成,油滴越细小,射程（贯穿距离）,250m,已雾化,油束的几何形状主要包括油束射程（又称为贯穿距离）L和喷雾锥角或油束的最大宽度B。,贯穿率1: 表示油束已喷到燃烧室壁面。 喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环境密度越小贯穿率越大，喷雾锥角越小。,油束射程短：贯穿距离L，喷注穿透不足； 空间雾化气流强粗暴，NOx 油束射程过长：喷注穿透过度，喷注着壁； 燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气冒烟,影响油束几何形状的主要因素：喷射压力、喷油器喷孔的长度直径比和空气与燃油密度比,喷雾锥角

6、过大，贯穿距离会减少；而锥角过小，则雾化程度会变差。,油束的雾化质量：油束中液滴的细度和均匀度，油束核心部分液滴非常密集且液滴直径较大，液滴运动速度较高，空气少；油束外围部分则与之相反，液滴稀少且液滴直径较小，液滴运动速度低。,雾化质量的评价:油束中油滴的细度和均匀度，常用指标有平均粒径、索特粒径（m ）和粒径分布（略）。,影响油粒直径的因素： 减小喷孔直径： 增大喷油压力： 增大空气密度： 减小燃油粘度、表面张力：,喷孔直径减小趋势,压力增大的趋势,增压,粘度小？,电控柴油机中有燃油温度传感器，就是为了修正油温变化引起的喷油特性的变化！,喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响,喷油压力

7、,喷射背压,喷孔直径,各种异常喷射简介,多出现在大负荷、高转速,多出现在怠速工况,在某些工况（特别是低怠速工况）下，当结构参数匹配不当时，循环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异，这种现象称之为不稳定或不规则喷射。对于不稳定喷射，测量针阀升程和喷油规律即可加以判定，如针阀开启不足，针阀的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动，即所谓不齐喷射，更为严重的是有的循环针阀不能开启，产生隔次喷射现象。造成这些现象的原因是高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射又采用了较大的出油阀减压容积；但在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油压低，加之在高压油路中减

8、压过度，造成高压油路系统残压降低并产生周期性的波动，从而使循环喷油量也相应产生变化。,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,柴油机的不正常喷射,（1）二次喷射: 针阀打开二次。针阀落座后，由于压力波动致使针阀再次打开。 后喷的燃油油压低，雾化不良，积碳增多；容易出现喷孔堵塞；后燃严重，经济性下降；排温高、冒黑烟。 （2）断续喷射（多次喷射）：针阀振荡，多次开闭。循环喷油量恰好引起压力波动，并与喷油嘴固有频率发生谐振。 喷油时间正常，但喷油压力低，雾化不良；针阀运动次数多，易磨损；动力性、经济性下降；排气容易冒黑烟。 （3） 隔次喷射：低速、尤其是怠速时，油量少，油压不足，压不开针阀；下一循环时油压凑

9、足，压开针阀喷射。怠速运转不稳定。,第二节燃烧与放热,柴油机喷雾燃烧高速摄影-1,喷油后0.14ms,普通喷射压力：,高压喷射：,0.42ms,0.69ms,0.97ms,条件：无进气涡流，6孔喷嘴，不同喷油压力 来源：日本AEC,用高速摄影观察柴油机燃烧过程,第二节燃烧与放热,一、柴油机燃烧过程,压缩线,无燃烧膨胀线,喷油,着火,最高压力,最高温度,压缩线,无燃烧膨胀线,喷油,着火,最高压力,最高温度,着火落后期,速燃期,缓燃期,补燃期,喷油提前角,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,柴油机燃烧分为正常燃烧与非正常燃烧。 正常燃烧是指发动机正常工作的燃烧，是相对于不正常燃烧而言的。 柴油机正常燃

10、烧过程分为 四个阶段： （1）着火落后期 （1 2） 即阶段。 （2）速燃期 （2 3） 即阶段。 （3）缓燃期 （3 4） 即阶段。 （4）补燃期 （4 ） 即阶段。 与汽油机相比，柴油机多了一个缓燃期。,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,着火落后期 （阶段）从喷油开始到压力线脱离压缩线所占用的曲轴转角。,速燃期 （ 阶段）从压力线脱离压缩线到出现最高燃烧压力所占用的曲轴转角。,缓燃期 （ 阶段）从最高燃烧压力到出现最高燃烧温度所占用的曲轴转角。,补燃期 （ 阶段）最高燃烧温度出现以后的燃烧。,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,最高温度,最高压力,第五章 柴油机混

11、合气形成与燃烧,1正常燃烧过程的评价,A、特点： 过程复杂，有物理准备 形成混合气，有化学准备 氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。 B、评价指标 着火落后期长度 Dj12 = j2 -j1,（1）着火落后期,着火落后期,喷油提前角,C、影响因素： 十六烷值 十六烷值高，着火落后期短。 点火时的缸内气体状态 气体温度和压力越高，着火落后期越短。,喷油提前角 从喷油到上止点间的曲轴转角。,着火延迟期（i）：A-B = 物理过程+化学过程 混合气形成的物理过程： 喷雾分散蒸发汽化混合 化学过程：局部可燃混合气先期化学反应自燃。 i，dp/d，NOx，粗暴 影响因素：燃料的十六烷值，i； 温度

12、、压力， i； 凡是改善蒸发雾化条件均使i,影响着火落后期长短的主要因素是燃烧室内工质的状态： 喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。 柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。 其次因素是燃烧室的形状和壁温等。,图5-14 温度与压力对着火落后期的影响,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,5.1 柴油机燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,A、特点： 预混燃烧、多点燃烧；同时又形成混合气；缸内压力急剧升高。 B、评价指标 最高燃烧压力（最高爆发压力）pZ 以及出现时刻j3 。 希望j3在上止点后15 20曲轴转角之内。 平均压力升高率 表示压力升高的急剧程度。,（2）速燃期,速燃期,第五

13、章 柴油机混合气形成与燃烧,5.1 柴油机燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,（2）速燃期,速燃期,C、燃烧过程 燃烧为预混燃烧，开始是着火延迟期形成的非均质混合气中多点燃烧，后来燃烧的是喷束扩散形成的混合气，转入扩散燃烧。 因为是多点燃烧，故燃烧速度快，压力升高率大，工作粗暴，振动强，噪声高。,影响： 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好； 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。 压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.40.5 MPa()曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。

14、,控制压力升高率的措施 减小在着火延迟期内的可燃混合气的量 缩短着火落后期的时间； 减少着火落后期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,5.1 柴油机燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,A、特点： 扩散燃烧；可能有边喷射、边形成混合气、边燃烧；缸内压力下降慢。 B、评价指标 最高燃烧温度TZ 缓燃期延续时间 Dj34 = j4 - j3 希望尽量缩短 C、燃烧过程 比较粗大的油滴独立燃烧，气流运动对完善过程作用极大。如燃烧不好，出现碳烟排放。,（3）缓燃期,缓燃期,特点： （1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。 （2）压力开始下降（

15、气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。,3、缓燃期：最高压力点最高温度点 喷射过程结束，边喷边燃烧扩散燃烧阶段； 主要影响碳烟排放。 特点：空气量减少，燃烧产物，活塞，燃烧缓慢 不均匀混合气的燃烧空燃比偏大，才有可能 完全燃烧空气利用率低 ，PL，比重量汽油机。 影响因素：混合气形成速度燃料与空气的扩散速度 燃烧室内气流特性及强度燃烧室。,第五章 柴油机混合气形成与燃烧,5.1 柴油机燃烧过程,1正常燃烧过程的评价,特点： 燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。 补燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减

16、少。,（4）补燃期（后燃期）,补燃期,补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为严重。 在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，还使排气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,补燃期：Tmax基本燃烧完 释放总放热量的95%99%时，补燃期结束。 燃烧时间短促，混合气不均匀； 膨胀中燃烧后燃； 高速大负荷时严重。 特点：p,气缸V 散热损失，排温； 热效率 尽可能减小补燃期,小结：