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1、第五章 柴油机混合气的形成和燃烧主要内容第一节 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、作用及要求作用：定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。要求：1) 产生足够高的喷油压力；2) 实现所要求的喷油规律；3) 对于确定的运转状况，精确控制喷油 量；4) 避免出现异常喷射现象。 2、喷油系统的工作原理图5-1 柱塞式喷油泵燃油供给系 1喷油器 2燃油滤清器 3直列柱塞式喷油泵 4喷油提前器 5输油泵 6调速器 7油水分离器 8油箱 9高压油管 10回油管 11低压油管1. 柱塞式喷油泵供油系统 2. 分配式
2、喷油泵供油系统 图5-2 分配式喷油泵燃油供给系 l-油箱 2-油水分离器 3-一级输油泵 4-二级输油泵 5-燃油滤清器 6-调压 阀 7-分配式喷油泵传动轴 8-调速手柄 9-分配式喷油泵体 10-喷油器 11 -回油管12-分配式喷油泵 13-喷油提前器 14-调速器传动齿轮 3、喷油泵图5-3 柱塞式喷油泵 图5-4分配式喷油泵 分配式喷油泵与柱塞式喷油泵相比具有以下优点 ： 1、结构紧凑，零件少，体积小，重量轻，使用 中故障少，容易维修 2、精密偶件加工精度高，供油均匀性好，无需 进行各缸供油量和供油定时调整 3、分配泵的凸轮升程小，有利于提高柴油机转 速 广泛用于轿车和轻型车用柴油
3、机。4、喷油器图5-5 喷油器的头部结构 (a) 单孔 (b) 多孔 (c) 标准轴针 (d) 节流轴针图5-6不同喷 油嘴的流通特 性 二、喷射与雾化1.喷射过程:l定义：喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷下约占1540曲轴转角。 喷 射 过 程喷射延迟阶段I： 从喷油泵柱塞顶封闭进 回油孔的理论供油始点 到喷油器针阀开始升起( 喷油始点)为止。主喷射阶段 ： 从喷油始点到喷油器端 压力开始急剧下降为止 。喷油结束阶段 ：从喷油器端压力开始 急剧下降针阀完全落座 ( 喷油终点)为止。图5-7喷射过程 a) 喷油泵端压力 b) 喷油器端压力 c) 针阀升程 2.供油规
4、律与喷油规律：l供油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间 ）由喷油泵供入高压油路中的燃油量；l喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间 ）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量；l供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时 间）的变化关系。l喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时 间）的变化关系。差别：始点差别822曲轴转角；喷油持续时间较供油持续时间长；最大喷油速率较供油速率低，其形状有明显畸变， 循环喷油量也低于循环供油量。图5-8 供油规律和喷油规律 l两者的差别主要原因：燃油的可压缩性压力波传播滞后压力波动高压容积变化3.喷雾特性与雾化质量：l燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。l
5、将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。l当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一400ms) 便形成如园锥形状的喷注，也称油束。油束的几何形状主要包括油束射程L(又 称贯穿距离)和喷雾锥角或油束的最大宽度 B。图5-9 油束的几何形状和参数 a 油束射程L并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L 燃料喷到壁面上多 空间混合气太稀。L 燃料集中 混合气分布不均匀，空气利用。b 喷雾锥角反映油束的紧密程度。孔式喷嘴 油束松散，粒细。轴针式喷嘴 油束紧密，粒粗。c 雾化质量（雾化特性）细微度 油滴平均直径 细：雾化好均匀度 油滴最大直径 - 油滴平均直径 匀
6、：雾化好粒细均匀度好，粒粗均匀度差。一般情况下：喷雾锥角过大，贯穿距离会减小 ；喷雾锥角过小，雾化程度会变差 。3.不正常喷射(一)二次喷射二次喷射是主喷射结束针阀落座后，在过大的反 射波作用下，针阀再次升起进行喷油的一种不正常 现象。二次喷射的出现使整个喷射延续期拉长，过 后燃烧严重，柴油机经济性下降热负荷增加，应 当要力求消除二次喷射。消除二次喷射(1)减少高压油路中的容积(2)适当加大喷油器的喷孔直径(3)适当加大出油阀的减压容积(二)滴油在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有 少量柴油滴出，称为滴油。(三)断续喷射(四)不规则喷射和隔次喷射(五) 穴蚀第二节 燃烧与放热l燃烧过程的特点1
7、 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2 压缩自燃。l柴油机的燃烧过程可分为四个阶段： 1 着火落后期(又称为滞燃期)；2 速燃期；3 缓燃期；4 补燃期 。（一）着火落后期从柴油开始喷入燃烧室内(A 点)起到着火开始点(B点)为止 的这一段时期称为着火落后期 。随压缩过程的进行，缸 内空气压力和温度不断升高 ，在空燃比、压力、温度以 及流速等条件合适处，多点 同时着火，随着着火区域的 扩展，缸内压力和温度升高 ，并脱离压缩线。 着火落后期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
8、。 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（二）速燃期速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线开始急剧上升(B点)）到出现最高压力(C点).特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）。速燃期影响： 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。控制压力升高率
9、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（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（占总放热量的70%-80%）。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。 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），边混合边燃烧（空气的能量、喷射能量）。（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
10、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。即整个 燃烧过程结束。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。
11、 二、燃烧放热规律（一） 燃烧放热规律的定义 l瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻 ， 单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出的热量。l累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。l燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。图5-15 88燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内 压力温度的变化进而影响到柴油机的性能 。图5-15燃烧放热规律 l（二）理想的燃烧放热 规律及其控制 1. 放热始点 l放热始点决定了放热率曲线 距压缩上止点的位置，放热 始点的位置能保证该循环有 最大指示热效率。l柴油机通过喷油提前角的变 化以及着火落后期长短来加
12、 以调控。图5-16 喷油提前角的调节特性2. 放热持续期 放热持续期首先取决于喷油持续角的大小。其次，取决 于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。放热持续 期的长短在一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比大小 的反映。3. 放热规律曲线形状 l直喷式燃烧室柴油机的瞬 时放热速率和累积放热百 分比在燃烧的起始阶段上 升最快，放热速率很快就 达到最大值。 l高速的直喷式燃烧室柴油 机的放热速率往往呈现双 峰的特点。l在燃烧的起始阶段，非直 喷式燃烧室柴油机的放热 速率和累积放热百分比都 上升得比较慢，放热速率 的最大值也较低。图5-18不同类型柴油机的燃烧放热规律比较 1汽油机 2直喷式燃烧室
13、柴油机 3涡流室燃烧室柴油机 4预燃室燃烧室柴油机第三节 混合气形成与燃烧室一、柴油机混合气形成的特点和方式 ：1. 混合气形成特点（1）混合气不均匀。（2）过量空气系数较大。（3）混合过程与着火过程和燃烧过程共存。 2. 混合气形成基本方式1、空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成 可燃混合气。la) 静止空气 时空间雾化混合 lb) 空气作旋转运动空间雾化混合 图5-19 直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式 a) 静止空气 b) 空气作旋转运动2、 壁面油膜蒸发混合 燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上 形成一层很薄的
14、油膜。着火前，燃烧室壁温较低下，油膜底层保持液态，表层油膜开始 时以较低速度蒸发，加上喷油射束 在空间的少量蒸发，形成少量可燃 混合气。 着火后，随燃烧的进行，油膜受热 逐层加速蒸发，使混合气形成速度 和燃烧速度加速。图5-20 油膜蒸发混合方式二、缸内气流运动内燃机缸内 气体运动方式涡流涡流挤流挤流滚流滚流湍流湍流 进气涡流在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称为进气涡流。l产生进气涡流运动的方法有:导气屏、切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统1. 涡流涡流涡流 导气屏设置在进气门上，导引进气流以不同角度流入气缸在气缸避免的约束配合下产生涡流。 切向进气道 螺旋进气道图5-2
15、1切向气道、螺旋气道的原理 a) 切向气道 b) 纯螺旋气道组合进气系统在2个进气门的发动机上，采用不同类型 或不同角度的两个进气道以组合所需要的涡 流和流速分布。 压缩涡流在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。2. 挤流l当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞 顶部的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流)。 l当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活 塞顶部外围的环型空间，与空气进一步混合燃烧 ，这种流动也称为逆挤流。图5-23挤流的形成a)无进气涡流或涡流不强时的挤流 b)进气涡流强时的挤流 c)逆挤流 湍流在气缸内形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流，也称
16、微涡流。湍流湍流 滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气 缸轴线的有组织的空气旋流，也称为纵涡 。 滚流滚流三、柴油机燃烧室直接喷射式燃烧室非直喷式燃烧室（分开式燃烧室）1、直接喷射式燃烧室：1） 浅盆形燃烧室 2） 形燃烧室 3） 挤流口式燃烧室 4） 球形燃烧室 图5-24各种直喷式燃烧室形式 a) 浅盆形 b) 形 c) 挤流口形 d) 球形图5-26 非回转体燃烧室 a) 四角形 b) 微涡流MTCC c) Quardram d) 花瓣形5）非回转体燃烧室 、分开式燃烧室。 1）涡流室燃烧室 图5-30 涡流室的形状 a)球形 b)圆锥形平底 c) 圆柱形平底）预燃室燃烧室 图5-31预燃室燃烧室 a) 倾斜偏置，单孔道； b)中央正置，多孔道；
