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1、第五章 柴油机混合气形成和燃烧 基本思路 探讨优化的途径 混合气形成与燃烧 室结构优化 燃油喷射 过程优化 实例：结合柴油机的直喷式高压共轨技术 燃油的喷射与雾化要素 燃烧各阶段对动力性、经济性、环保性及噪声的影响 揭示柴油机的燃烧与放热过程 柴油机正常工作燃烧的必要条件 (油 ) (气) (室) 的完美优化组合 第一节 燃油的喷射与雾化 一、喷射系统 1、对喷油系统的要求 a.足够高的喷油压力 b.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 c.保证各种工况下精确供给燃油量及各 缸工作均匀性 d.避免异常喷射现象 2、喷油系统工作原理 （略） （泵管嘴） 二、喷射与雾化
2、 注意：喷射与雾化是柴油机良好工作的前提 究竟如何评价？ 通常用喷油特性和喷雾质量来评价喷油质量 。 1、喷射过程 喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油 的过程（全负荷工况下约占曲周转角的15 40）。 喷油特性:是指喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷 油压力。 喷雾质量：是指油束贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。 压力波：12001300m/s 供油提前角 喷油提前角 是否喷油泵产生压力喷油器即 即开始喷油？ 开始喷油 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
3、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 原因： 1、燃油的可压缩性 2、压力波传播滞后 3、压力波动 4、高压容积变化 2、供油规律与喷油规律 为什么要共轨 ？ 轿车柴油机的喷油压力脉图请参阅P217 共轨管的容积能减弱高压油泵 的供油压力波动和每个喷油 器由喷油过程引起的压力震 荡，但其容积不能太大，以保证 油轨有足够的压力响应速度，足 以快速适应柴油机工况的变化要 求.要根据具体的柴油机精确设计 适合的容积和形状的高压共轨管 产生高压（可调压） 蓄压 电控喷油器 实现高度灵活性的燃油喷射 3、
4、喷雾特性 与雾化质量 雾化：燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小油滴的过程。 20200MPa 100400m/s 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 射程（贯穿距离） 喷雾锥角 250m 油滴越细小 已雾化 最大宽度 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 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！ 各种异常喷射简介 多出现在大负荷、
5、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。 主要原因：压 力波动 机械式柴油喷射系统与电控柴油喷射系统的比较 初步认识共轨 电控高压共轨燃油喷射系统的特点是:喷油定时与喷油量的控制 相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动
6、机负荷和转速的影响； 各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油 正时、喷油量和喷油速率的最优控 制；喷射压力很高且喷射可靠， 能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪 声的燃烧过程起到了显著的作用。 电控共轨燃油喷射系统的优点是喷油压力柔性可调，在不同负 荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油 正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过 程，减少了排气颗粒和NOX的排放，降低了燃烧噪声。另外它对燃 油经济性的改善也是十分明显的。目前电控高压共轨燃油喷射系统 的发展趋势是更高 的喷射压力(200 MPa ) 、更小的喷孔直径
7、（0.11 0.13 mm）更短的响应时间（0.1 ms）。更低的功率消耗(采用 压电晶体喷油器)和功能更完善的软件。 电子控制高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于系统比较复杂:为了实现精 确的控制，对传感器的精度要求较高；随着共轨压力的不断提高，对共轨系统各 部件的性能要求也越来越苛刻。另外，采用电控共轨燃油喷射系统后，需对发动 机结构进行相应的改进，尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷 射系统的应用成本相对较高。 一、燃烧过程 柴油机燃烧过程非常复杂，为了 便于分析和揭示燃烧过程的规律，通 常将这一连续的燃烧过程分为四个阶 段，即着火延迟期（又称为滞燃期） 、速燃期、缓燃期和补燃
8、期. 第二节 燃烧与放热 分析燃烧过程的方法：高速摄影、光谱分析、采样分析等，但最常 用最简便是用示功图 为实现对柴油机燃烧过程的优 化，我们必须研究柴油机的燃 烧与放热过程。 （一）着火延迟期（滞 燃期） 从柴油开始喷入气缸起到着火开 始为止的这一段时期称为着火延迟 期。 在做什么 燃烧室内的混合气进行着物理和 化学准备过程。 物理准备过程：燃油的粉碎分散、 蒸发汽化和混合； 化学准备过程：混合气的先期化学 反应直至开始自燃（低温多阶段 着火：淡青色、蓝色到橘黄色）。 着火延迟期（滞燃期）对燃烧过程（性能）的影响 在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就多，在着火前形成可燃 混合气也多，这些预混合燃料在
9、下一阶段（速 燃期）中几乎同时燃烧，使压力升高率和最高燃烧 压力很高，运动零件受到强烈冲击负荷，发动机运转粗暴 ，影响发动机的使用寿命。 如果滞燃期过长，在滞燃期内已喷入全部燃料，则 随后的燃烧就难以控制，柴油机在高转速时有可能产生这 种情况。 为了能控制燃烧过程，降低柴油机的机械负荷并使 之运转平稳，应设法缩短滞燃期。 但是，若滞燃期过短，又对混合气形成不利，反过来使 柴油机性能恶化。 滞燃期长了会怎样 ？ 研究表明，影响着火延迟期长短的主要 因素是： a/喷油时缸内的温度和压力越高，则着火 延迟期越短。（符合燃烧学说） b/柴油的自燃性较好（十六值较高），着火 延迟期较短。（燃料特性） c
10、/燃烧室的形状和壁温等：直喷式涡流弱，滞 燃期内形成的混合气较多（混合气形成及着火燃烧条件） 。 d/喷油提前角：喷油早，温度压力低，滞燃期长 ；过迟，可能活塞已开始下行，使空气温度压力降低， ，滞燃期增加。（应与工况对应的最佳喷油提前角） (二）速燃期 特点：压力急剧上升， 压 力达到最高（有可能 达到13MPa以上） 在做什么？ 在靠近活塞上止点时 ，在滞燃期内做好燃前 准备的可燃混合气多点 大面积同时着火燃烧 。 速燃期:从开始着火到出现最高压力. 特点： （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（4.514MPa）。 （3）继续喷油。 因此， 压力升高率大，燃
11、烧迅速，柴油机的经济性和动 力性会较好。 但压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大，且NOX ；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； 控制压力升高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混合 气的量 缩短着火延迟期的时间 减少着火延迟期内喷入 减少燃烧初期可能形成可燃混合气的 燃油 （三） 缓燃期 缓燃期为图中的CD段，即从最大 压力点至最高温度点。 最大压力点 最高温度点 要求：缓燃期不宜过长 ，否则 会使放热过程加长。 所以，应该越快越好( 主喷射阶段时间不能太长 ，且应该断油迅速），同 时需加快混合气形成速 率。 在做什么？ 当缓燃期开始时，虽然气缸 内
12、已形成燃烧产物，但仍有大 量混合气正在燃烧。 2000 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（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。 （四） 补燃期 从最高温度点起到燃 油基本烧完时为止称为 补燃期。补燃期的终点 很难准确地确定，一般 当放热量达到循环总放 热量的9599时， 可认为补燃期结束。 最高温度点 燃油基本烧完 在做什么？ 由于燃烧时间短促，混合 气又不均匀，总有少量燃 油拖延到膨胀过程中继续 燃烧. 补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时间短 促，
13、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。 措施：加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气 形成和燃烧速度，而且会使碳烟成分加速氧化。 第三节 柴油机混合气的形成与燃烧 一、柴油机混合气的形成的特点和方式
14、 1、混合气形成特点 柴油机所用的燃料（柴油）粘度较大，不宜挥发，必须借助喷油设 备（喷油泵和喷油器等）将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压 以细小的油滴形式（油滴直径在之间）喷入气缸，与高温高压的热空气 混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃烧。故柴油机是采用内部 混合的方式形成可燃混合气。 柴油机可燃混合气的形成时间极为短促，这就给柴油机中柴油与空气 的良好混合和完全燃烧带来很大困难。而且喷油与燃烧重叠，出现边燃 烧，边喷油，边混合的情况。因此混合气形成过程很复杂。 柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此 要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。过量空气系数通常在标准工况 下都大于1，一般在1.152.20范围内。 2、柴油机可燃混合气的形成方式 柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾 化混合和油膜蒸发混合两种。 1空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸 热蒸发并扩散，与空气形成混合气。为了使混合均匀，要求喷出的 燃油与燃烧室形状配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合。 2油膜蒸发混合 将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热 汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成 均匀的可燃混
