柴油机混合气的形成和燃烧

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1、第五章 柴油机混合气形成和燃烧,柴油机使用的燃料是较难挥发而较易自燃的柴油，它的燃烧组织与汽油机相比有着本质的不同。 在柴油机的工作过程中，混合气的形成和燃烧是个主要过程，对柴油机的性能影响最大。在燃烧过程中，燃料的化学能经过燃烧产生热能，使气体膨胀做功，转变为机械能。 燃烧过程的好坏，关系到能量转换效率的大小，从而直接影响柴油机的性能指标。,柴油机可燃混合气形成和燃烧特点： 是由喷射系统在压缩行程接近终了时开始直接喷入燃烧室内 。 混合气形成的空间小、时间极短，混合气不均匀，在高温、高压下多点自燃着火燃烧的。,近年来柴油机发展 ，涌现出一些新型燃烧系统 ：高压共轨喷射系统 、燃料参烧技术等。

2、,第一节 柴油机的燃烧过程,一、柴油机的着火 柴油机的着火过程是指从压缩冲程上止点开始到膨胀冲程燃烧终了为止的过程。 可燃混合气自燃着火的必备条件： （1）可燃混合气必须加热到临界温度（着火温度或自燃温度）以上。 （2）可燃混合气的成分要在着火界限范围内。,单个油粒的着火,二、燃烧过程的划分阶段 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（如图所示），即 着火延迟期（又称为滞燃期） 速燃期 缓燃期 补燃期, 从喷油开始（A点）到压力开始急剧升高时（B点）为止的这段时间。 着火延迟期也称为滞燃期。 是混合气准备的物理和化学过程。 温度或压力越高

3、，着火延迟期越短。十六烷值越高，着火延迟期越短 燃烧室的形式和壁温 ，也影响着火延迟期长短。, 从压力开始脱离压缩线急剧上升（B点）至达到最大压力（C点）。着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧。由于燃烧迅速，动力性和经济性较好。 用平均压力升高率p/表示压力升高的急剧程度。 应控制压力升高率，防止工作粗暴。 柴油机p/不大于0.4-0.5MPa/()的范围内。,速燃期（预混合燃烧期）,着火延迟期(滞燃期),缓燃期（扩散燃烧期）,从最大压力点（C点）至最高温度点（D点）。燃烧的进行渐趋缓慢。 尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧。,补燃期（后燃期）, 从最高温度点（D点）至燃料基

4、本烧完（E点。） 尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,2012年11月28日,控制压力升高率的措施,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。可从三个方面考虑： 缩短着火延迟期的时间（十六烷值） 减少着火延迟期内喷入的燃油（喷油规律） 减少着火延迟期内形成的可燃混合气（混合气形成方式）,三、燃烧放热规律,瞬时放热速率: 在燃烧过程中的某一时刻，单位时间（或1曲轴转角）内燃烧的燃油所放出的热量。 累积放热百分比(累计放热率): 从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油(放热量)与循环供油量（放热量）的比值。 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧

5、放热规律。 （P116图5-2） 燃烧起点、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续时间被认为是燃烧放热规律的三要素。,燃烧放热规律是反应柴油机燃烧过程的重要资料，可以用来协调经济性、动力性、排放、噪声等方面的性能。 柴油机的放热规律在一定程度上可以由喷油规律予以控制。,1.燃烧放热规律三要素： （1）放热始点 决定了放热率曲线距压缩上止点的位置。对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力有重大影响。 （2）燃烧放热规律曲线形状 决定了前后放热量的比例。对噪声、振动和有害排放有很大影响。 （3）燃烧持续时间 其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。是决定循环热效率的一个极为关键的因素。对有害

6、排放也有较大影响。,2. 理想的燃烧放热规律及其控制,有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。 为了兼顾发动机各种性能，合理的燃烧过程应做到着火延迟期要短，速燃期不过急，缓燃期要加快，后燃起不要过长。,（1）放热始点的要求及控制要求：保证最大压力出现在上止点后1015。控制：通过喷油提前角及着火延迟期长短来控制 。转速、负荷增加应加大喷油提前角。 （2）燃烧放热规律曲线的形状要求：先缓后急。 开始放热阶段，控制燃烧放热速率，放热适中，以降低压力升高率，满足运转柔和的要求。 然后燃烧应加速进行，绝大部分燃油在尽可能靠近上止点处完成燃烧，提高经济性和动力性。控制：通过喷油、气流、燃烧室形状的相

7、互协调来控制。 （3）燃烧持续期的要求及控制要求：越短越好。控制：喷油延迟角、改善混合气的形成。,四、汽油机与柴油机燃烧过程的对比,柴油机与汽油机燃烧过程主要特点对比,第二节 柴油的喷射及雾化,一、供油系统和喷射过程 1.柴油机供油系统 （已在第三章的“三、喷射燃烧的雾化与扩散燃烧”中介绍）,2.喷油泵速度特性及其校正,喷油泵油量控制机构位置固定，循环供油量随转速变化的关系称为喷油泵速度特性。 对于柱塞式喷油泵，随着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势。 为使供油量与空气量相匹配，对特性进行必要的校正，得到较理想的扭矩特性。,希望油泵的速度特性与充气系数v随转速n而变化的曲线相适应，使各种转

8、速下值基本相同。,油量校正装置的作用：当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力增加而下降，喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的转矩，提高转矩储备系数。,为使现有柱塞式喷油泵的速度特性满足要求，必须对其进行校正。,3.喷射过程,定义：从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程,喷射延迟阶段,主喷射阶段,喷射结束阶段,6.两者的差异喷油始点滞后于供油始点 喷油持续时间较长 变化规律明显不同最大喷油速率较低每一循环总供油量比同一循环理论供油量小,4.供油规律 单位时间（或单位凸轮轴转角）内喷油泵的供油量随时间（或凸轮轴转角）的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。 5.

9、喷油规律 单位时间内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间的变化关系。,产生差异的原因：燃油的可压缩性 高压油管的弹性变形，容积变化 系统内产生压力波的传播 压力波动 燃油受到节流作用,7、异常喷射现象,异常喷射过程,二次喷射,滴油现象,断续喷射,不规则喷射和隔次喷射,气穴与穴蚀,为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动，减小其影响，并合理选择喷射系统的参数。,2012年12月03日,喷射系统中的穴蚀破坏,穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。 产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡(气穴)，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击

10、波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。 穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。,二、燃油的雾化和油束特性 （已在第三章的“三、喷射燃烧的雾化与扩散燃烧”中介绍） 三、对喷射系统的要求(了解)（P125）,第三节 混合气的形成和燃烧室,一、柴油机混合气形成特点和方式,柴油挥发性差，内部形成混合气，时间短、空间小，混合气形成条件较差，柴油机可燃混合气的品质较汽油机差。 柴油机不得不采用较大的过量空气系数。, 混合与燃烧重叠进行，边喷边然。为了保证柴油机的良好性能，燃烧必须在上止点附近迅速完成。 要在极短的时间内获得良好的燃烧过程，必须采取措施改善混合气的形成。,大部分燃油喷射到燃烧

11、室壁上，形成一层油膜。利用受热蒸发和空气的相对运动作用形成较均匀的混合气。 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。 混合气在这一过程中完全是气相的。,柴油机混合气形成方式 ：,将燃料喷向燃烧室的空间，形成雾状混合物。在燃烧室空间中利用燃油与空气的相对运动形成较均匀的混合气。 燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素。要求油束形状与燃烧室形状相配合。 在这一过程中，上有未蒸发汽化的液态油滴，不完全是气相的。, 空间雾化混合（不完全气相）, 油膜蒸发混合（完全气相）,1. 空间雾化混合（不完全气相）,2.油膜蒸发混合（完全气相）,两种混合方式的对比,3.两种混合方式的对比

12、,二、柴油机燃烧室,由于柴油机混合气的形成和燃烧都是在燃烧室内进行的，所占的时间又非常短促，因此，要使发动机与有良好的性能，不但要有良好的燃油喷射系统，较高的燃油喷射质量，还必须有与燃油喷射配合恰当的燃烧室形状和气流运动，使燃料与空气均匀混合，提高空气利用率,柴油机燃烧室按结构形式可分为两大类： 直喷式（统一式） 分隔式,1.直喷式燃烧室(统一式燃烧室 ),结构共同点： 整个燃烧室在气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一空腔内。,不同点： 活塞顶上凹坑的形状、 深浅不同。,开式燃烧室,半开式燃烧室,凹坑较浅，凹坑口径与活塞直径之比一般大于0.8。 主要依靠燃油的喷散雾化，因此要求高的喷射压

13、力和较多喷孔数目。 混合气形成方式为空间雾化，一般不组织空气运动，空气利用率相对较低（1.5-2.2) 开式燃烧室一般适用于缸径较大（140mm），转速较低（2000r/min）的柴油机中。,开式燃烧室,切向进气道特点：气道母线与气缸相切，气道形状平直，在气门前强烈收缩，气流通过切向气道时速度越来越快，并沿切线方向进入，在气缸壁上转向，产生绕气缸中心线的旋转运动。,挤流特点：在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶平面上的环形空间的空气被挤入活塞顶凹坑的燃烧室内，造成空气的涡流运动。逆挤流。 挤流不影响充气效率，但，涡流强度小，维持时间短。,螺旋进气道特点：气门座上方的气道内腔做成螺旋形，气流

14、经气门座时一部分在气道内形成绕气门中心的旋转运动；另一部分近于切向气流，顺着气缸壁绕气缸中心线旋转。,进气涡流是半开式燃烧室产生空气运动的根本措施。 但，进气涡流增强，往往伴随进气阻力增加，充气系数下降。,半开式燃烧室,活塞顶部有较深的凹坑，有形、平底的深坑形和球形等，凹坑口径与活塞直径之比一般约在0.350.7之间。 混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。,运用较高的压力喷射，配合以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动。 半开式燃烧室一般适用于缸径80140mm，转速低于4500rmin的柴油机中。,直喷式燃烧室柴油机的性能持点,由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。 燃

15、烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。 对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。 冷起动性能较好。 工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。 对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。,2.分隔式燃烧室,涡流室燃烧室,预燃室燃烧室,结构共同点：整个燃烧室分隔在两个空间，主燃烧室设于活塞顶上，副燃烧室在气缸盖内，其间用通道相连。,结构不同点：主燃烧室容积所占比例不同；连接主、副燃烧室的通道面积及方向。,分隔式燃烧室,涡流室燃烧室, 涡流室容积约占整个燃烧 室压缩容积的50%-60% 通道的截面积约

16、为活塞截面积的 0.9%3.5。方向？ 涡流室式燃烧室混合形成和燃烧过程：,预燃室燃烧室, 预燃室容积约占整个燃烧 室压缩容积的35%-45% 通道的截面积约为活塞截面积的0.25%-0.7。方向？ 预燃室式燃烧室混合气的形成与燃烧过程：,分隔式燃烧室柴油机的性能持点,靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高。 空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好。 喷射系统的要求较低，工作可靠性和使用寿命高。 燃烧室结构较为复杂，面容比大。 热效率低，经济性差。冷起动性也较差。 工作较为平稳，燃烧噪声较小。 预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般表现得更为突出。 一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。 在有害排放方面的突出问题是低负荷下的碳烟排放量较大，其余则优于直喷式燃烧室柴油机。,三、不同燃烧室的比较与选用,三、不同燃烧室的比较与选用,第四节 燃烧过程的影响因素一、柴油的性质（1）柴油的自燃性十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标，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。,