柴油机混合气的形成和燃烧

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1、第六章 柴油机混合气形成和燃烧柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油 ，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不 同。特点：（1）缸内进行，即在压缩行程接近终了时柴油由 喷射系统直接喷入燃烧室内，时间短，难以形成均 匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而 变化。（2）柴油本身粘度大，蒸发性不好。（3）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧 ，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。 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、 缓燃期和补燃期，如图 所示。（一）着火延迟期从柴

2、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。着火延迟期内，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。特点：压力没有偏离压缩 线。影响着火延迟期长短的主要因素是：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。燃烧室的形状和壁温等。喷油提前角：开始喷油到活塞到达上 止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。 （二）速燃期速燃期:从开始着火（即压 力偏离压缩线）到出现最 高压力.特点：压力急剧上升，压 力达到最高（有可 能达到13MPa以

3、上）一般用压力升高率pkPa()曲轴 表示压力急剧上升的程度。式中：p速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）;速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CA）。 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（69MPa）。（3）继续喷油。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；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。控制压力升高率的措施： 减小在着火

4、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。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物， 但仍有大量混合气正在燃烧。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。补

5、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。 第二节 柴油机混合气的形成一、柴油机混合气的形成的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

6、（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。 二、柴油机可燃混合气的形成方式柴油

7、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，如图（a ）所示。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 形成均匀的可燃混合气，如图所示。这一混合方式中起主要作 用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。第三节 影响燃烧过程的因素一、柴油的性质（一）柴油的自燃性十六烷值是评定柴油自燃性好

8、坏的指标，对燃烧 过程也有一定影响。十六烷值越高，着火性越好。着 火性好的柴油，使着火延迟期缩短，柴油机工作柔和 。但是十六烷值过高，燃料分子量加大，使燃油蒸发 性变差、粘度增加，导致燃烧不完全，排气冒黑烟， 燃油经济性下降。因此，国产柴油的十六烷值规定为 4050之间，不必要过分增大。（二）柴油的蒸发性柴油的蒸发性用馏程表示。馏程指柴 油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度 ，通常以馏出50的温度来评定。馏程低 ，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利 于混合气形成，改善了燃烧过程。但是， 馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟 期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗 暴。车用柴油机的柴油馏程为 20

9、0300。 二、影响燃烧过程的运转因素1负荷柴油机的负荷调节方法是“质调节”，即空气量基本上不随负 荷变化，而只调节循环供油量。负荷增大，循环供油量也增大 ，过量空气系数减小，单位容积内混合气燃烧放出的热量增加 ，使缸内温度上升，缩短着火延迟期，从而降低了柴油机的工 作粗暴。如图为负荷对着火延迟期的影响。在中、小负荷工 况下，燃烧热效率 的变化一般不大， 但随负荷增大，循 环供油量加大，过 量空气系数减小， 燃烧过程延长，都 可能使燃烧效率下 降。2转速转速升高时，由于散热损 失和活塞环的漏气损失减小， 使压缩终点的温度和压力增高 ；转速升高也会使喷油压力提 高，改善燃油的雾化，这些都 使得以

10、秒为单位的着火落后期 缩短，而以曲轴转角为单位的 着火延迟期则有可能缩短，也 可能延长，如图给出了转速对 着火延迟期影响的实例。一般来说，转速过高或过低时，都会使燃烧热效率降低。转速 过高时，燃烧所占的曲轴转角加大，充气效率下降，热效率下 降；转速过低时，空气涡流减弱，喷油压力下降，使混合气质 量变差，热效率也会下降。3供油提前角（或喷油提前角）供油提前角过大，喷油时气缸内温度、压力较低，着火落 后期较长，压力升高率和最大爆发压力增大，导致柴油机工作 粗暴，NOx的排放量增加。过早燃烧还会增加压缩负功，降低 柴油机的经济性和动力性。供油提前角过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对 柴油机的经

11、济性和动力性也不利，微粒的排放也会增加。过迟 燃烧还会使燃烧温度升高，散热损失增加。对于每一种工况，均有一个 最佳的供油提前角，此时在 负荷及转速不变的前提下， 功率最高,有效燃油消耗率 最低。但为了兼顾降低NOx 的排放量和燃烧噪声的需要 ，一般调节供油提前角略小 于最佳的供油提前角。由图可见，NOx的排放量和燃烧噪音随供油提前角变小 而下降，故实际中常将推迟喷油作为减小NOx的排放量和燃烧 噪音的有效措施加以采用，但这往往也是以有效燃油消耗率和 微粒的排放量上升为代价的。在不同转速和负荷下，最佳的供油提前角也不同。当转速 增加时，由于喷油延迟角增大以及燃烧过程所占的曲轴转角可 能增大，为保

12、证燃油在上止点附近及时燃烧，需要适当加大供 油提前角。一般直喷式燃烧室最佳供油提前角随转速的变化比 分隔式燃烧室的大。汽车柴油机中的供油提前角调节装置，就 是用于实现最佳供油提前角随转速的变化调节的。当负荷增加 时，由于循环供油量增大以及燃烧过程变长，也需要适当加大 供油提前角。对于最佳供油提前角随负荷的变化调节，则较难 实现。只有在柴油机电控喷射系统中，才能真正实现最佳供油 提前角随各种工况变化的准确调节。 4废气再循环（EGR）废气再循环已得到了较多的实际应用（主要在 轿车柴油机中），它是指将一部分已燃的废气再次 引入 燃烧室内参加燃烧。废气再循环可能由简单的 机构来控制，也可以与电控喷射

13、系统相结合，实现 更精确、更理想的控制。通过废气再循环降低了燃 烧过程中的工质温度，从而有效的控制了NOx的生 成，降低了NOx的排放量。但由于它实际上降低了 过量空气系数，会对完善、及时的燃烧产生不利的 影响，从而也会使碳烟的排放量增多，柴油机经济 性变差，特别是在高速、高负荷的工况下更是如此 。因此，仅在低速、低负荷的一定范围内，才在进 气中掺入一定量的废气。 三、结构方面的因素1.压缩比压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都比较高，使 着火延迟期缩短，发动机工作比较柔和。不同压缩比对着 火延迟期的影响如图所示。同时，压缩比的增大，还能提 高发动机工作的经济性和改善起动性能。如果压缩比过高，

14、燃烧最高压力会过分增大，曲柄连 杆机构会承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命。2. 活塞材料的影响铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高，可以 缩短着火延迟期，因此在其他条件相同时，采用铸 铁活塞的柴油机工作比较柔和。 3.喷油规律的影响喷油规律是指单位时间（或转角）的喷 油量即喷油速度随时间（或转角）而变化 的关系。从减轻燃烧粗暴性考虑，比较理 想的喷油规律是“先缓后急”即在着火延迟 期内喷入气缸的油量不宜过多，以控制速 燃期的最高燃烧压力和平均最大压力升高 率，而着火燃烧后，应以较高的喷油速率 将燃油喷入气缸，停油应干脆迅速，喷油 延续角不宜过大，目的是使燃烧过程尽量 在上止点附近进行，以获得

15、良好的性能。如图表明了喷油规律对燃烧过程的影响。图中gf为每循环喷油量，两种喷油规律的喷油提前角fj及着火延 迟期i均相同。曲线1所示的喷油规律是开始喷油很急，在着火延迟期中喷入气缸的燃油较多，因此平均压力升 高率和最高燃烧压力都较大，工作较粗暴；而曲线2所示 的喷油规律基本满足“先缓后急”的要求，当喷射持续角保持不变时，燃烧比较柔和第四节 燃烧室可燃气的形成品质和燃烧性能与燃烧室结构密切相关车用柴油机燃烧室可分为两大类：直接喷射式燃烧室 和分隔式燃烧室 1、直接喷射式燃烧室特点：凹形活塞顶与气缸盖底面包围的空间几 乎全部燃烧室容积都在活塞顶面上按活塞顶面形状不同，可分为W型和 球型）、W型燃

16、烧室优点：形状简单，易加工，结构紧凑，热效率高，起动性能缺点：喷油压力高（1722Mpa），偶合件加工精度高，喷油器直径小，易堵塞工作粗暴 ）、球型燃烧室优点：工作柔和，有较高的动力性和经济性喷油器压力较低缺点：不易起动由于热损失少，结构紧凑、简单，经济性好等原 因，直喷式燃烧室应用的越来越多2、分隔式燃烧室分隔室式燃烧室由主、副两部分燃烧室组成 在气缸盖中的部分为副燃烧室常见的有涡流式燃烧室和预燃室式燃烧室两种 ）、涡流式燃烧室涡流室呈球形或圆柱形，喷油压力低（1214Mpa）上半部分直接铸在气缸盖内，下部分用耐 热钢制成带有通道的镶块，镶入气缸盖内优点：混合气形成好，对喷雾质量要求低 对转速 变化不敏感，工作柔和，燃烧室完全，排气污染小缺点：散热面积大，热损失较多）、预燃烧室式燃烧室容积约为燃烧室总 面积的25%-45% 主、副燃烧室之间用一个或 几个小孔相连柴油喷射3分钟