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1、第六章 柴油机混合气形成与燃烧,本章要求： 了解：柴油机燃烧室的分类、特点和对燃烧的影响；柴油机有害排放物的生成机理。 理解：影响燃烧的因素和措施。 掌握：柴油机燃烧过程；柴油机混合气的形成；柴油机的喷射与雾化。,柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同： 1、混合气形成的方法： 汽油机：缸外（化油器及进气管中），较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。 2、着火和燃烧的方式： 汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、地点均能控制。 柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控制。 3、保证及时、完全燃烧的方法： 汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀
2、的混合气。,第一节 柴油机燃烧过程,柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便与空气形成可燃混合气。 油滴的着火要满足两个条件： （1）混合气的温度要高于着火临界温度。 （2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。 着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。,一、燃烧方式-油滴扩散燃烧,单个油滴的着火区域,直径：5150um (中间较大) Tc-热空气温度 Tw-油滴周围混合气温度 Cu-油滴周围混合气浓度 W-化学反应速度,在稀火焰区形成着火核心；稀熄火区是未燃HC的主要来源 后喷现象：雾化和贯穿度小，形成CO、碳粒和未燃H
3、C等,二、燃烧过程,-滞燃期 -速燃期 -缓燃期 -补燃期 h-针阀升程 Q-循环放热量 dQ/d-放热速率 dq/d-喷油速率,1)喷油始点 2)缸内压力线偏离纯压缩线始点 3)最高压力点 4)最高温度点,、滞燃期（着火延迟期）（1-2）,从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点（或着火）阶段 (图6-2) *在压缩终点,Tc=450-800,大于柴油的自燃温度（330-350）,但不会立即着火,进行着火前的准备。 * 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。 * 化学准备：裂化，着火前的氧化反应。 *一般着火延迟时间i0.7-3ms，i8-12A *喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响i的主
4、要因素 *i的长短会影响预混合气量,对柴油机性能有很大影响,、速燃期（2-3） （图6-2）,从着火(压力脱离压缩线)到缸内压力最高阶段 *着火后，在滞燃期内形成的非均质混合气此时同时燃烧，也称为“预混合燃烧” *活塞在上止点附近，气缸容积较小，接近于等容燃烧 *平均压力升高率P/=(P3-P2)/(3-2) 升高很快，放热率dQ/d 大。 *出现最高压力点，理想位置：上止点后1015A *柴油机P/一般0.4 0.6MPa/A *放热量为20% 30% *同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。,、缓燃期（3-4） （图6-2） 从缸内压力最高到温度最高阶段 *着火后，
5、混合是在边燃烧、边喷油的情况下进行的扩散混合，此阶段的燃烧称为扩散燃烧。 *新鲜空气愈来愈少，温度愈来愈高，燃烧产物愈来愈多，燃烧速度缓慢，同时活塞已下行，压力近似不变，近于等压燃烧。 *速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，大部分燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的7080%。 *放热率比速燃期小 *一般在上止点后2035CA，出现最高温度，达16002000。 *温度虽升高，由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求加强空气运动，1。,、补燃期（4-） 从温度最高到燃料燃烧结束。 远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，故应尽量减少
6、后燃。,三、燃烧过程中存在的问题,1.混合气形成困难，燃烧不完全。 混合极不均匀混合气形成时间短，边喷油、边混合、 边燃烧。 改进措施： 促进混合气的形成。 结构上，促进缸内的涡流运动。 供给较多的空气。 a大于1，一般取1.3。但是至少30%的空气未被利用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。,2.工作粗暴，燃烧噪音较大。 速燃期内,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动,并通过气缸壁传到外部,形成燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的P/有很大关系。为使工作柔和，要求P/400kpa/CA。 P/的大小主要与滞燃期中形成的可燃
7、混合气的数量有关，缩短着火延迟时间i，减少滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成,可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。,3.排气冒黑烟 主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。 减少黑烟的主要措施: (1)增加过量空气系数a 。但与提高柴油机的动力性相矛盾。 （2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。,4.排气冒蓝烟、白烟 在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.61微米的颗粒构成，而蓝烟是由0.6微米以下的颗粒构成。 暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变
8、为无色。,柴油机与汽油机的放热规律,定义：放热率dQ/d(每度曲轴转角的放热量)随曲轴转角的变化关系。 它决定压力升高率(噪音)的变化和热效率。,四、燃烧过程的放热规律,理想的放热规律应为： 曲线要先缓后急。 放热开始时刻要适当提前,持续时间为40CA。,在燃烧期内，放热过程分三个阶段： 预混合燃烧阶段对应速燃期，放热率很高，历时 3 7A。 扩散燃烧阶段对应缓燃期，放热率下降，为主放 热阶段，历时40A。 这两个阶段放热达80%。 放热“尾巴”对应后燃期，放热20%。 放热规律三要素： 燃烧始点、放热曲线形状、持续时间。 燃烧始点使最高压力发生在上止点后78 A。 放热曲线形状开始放热适中,
9、然后燃烧加快，尾巴尽量短。 持续时间最佳约为40 A,第二节 柴油机混合气的形成,柴油机混合气形成靠三方面的相互作用： 一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。 混合气形成特点: 1、缸内形成 2、时间极短 3、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合,混合气形成方法: 空间雾化混合，油膜蒸发混合。 空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流混合。 油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气与空气涡流混合。 在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。,1.燃油的雾化 燃油在经喷孔喷出时
10、，在气缸中被破碎成微粒的过程。,喷油横截面上燃油分布,喷油横截面上油粒速度,L:射程 :锥角,喷注的形状,一、燃油的雾化,2喷注的特征 喷注射程L：表示喷注贯穿深度； 喷注锥角：表示喷注紧密程度； 细微度和均匀度：表示雾化程度。 细微度-油注中的平均直径 均匀度-油注中最大直径与最小直径之差,3影响喷注质量的主要因素 喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油的粘度等。,二、空气运动对混合气形成的影响,无空气运动，属于“油找空气”，需要较高喷射压力。 缸内有空气的涡流运动，“空气找油”，能加速雾化的油滴与周围空气的混合，促进燃烧。但能量和热损失大，充量系数下降，经济性略差。 涡流过强，会使燃烧
11、产物与邻近的喷注重叠。,三、典型燃烧室结构分析,1燃烧室分类直喷式和分开式两大类 直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的 一个统一空间。 （缸径大于100mm，转速小于3000r/min的柴油机基本用直喷式的） 根据凹坑深度分： 开式燃烧室浅坑型，如浅盆形或浅形燃烧室 半开式燃烧室深坑型，如形和球形燃烧室 分开式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。 如：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室 （高速小缸径柴油机多采用分开式燃烧室） 一般，气缸直径越大，燃烧室越浅。,2对柴油机燃烧室的要求 a小； （但应燃烧完全及时） 适度的P/和Pz值； （以保证工作柔和、平稳、可靠。） 排气品质好； 变工况
12、适应好； （应在负荷、转速变化时，柴油机性能稳定。） 冷起动性好； 制造、维修方便。,3.直喷式燃烧室的空气涡流运动,产生涡流运动的方法： 1）进气涡流靠切向进气道和螺旋进气道形成。 切向进气道：气道母线与气缸相切，在气门前强烈收缩，使气流越来越快进入气缸后受缸壁的约束而转向，形成涡流。,螺旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于高速柴油机上。,2）挤气涡流 在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶上方环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的空气的涡流运动。 涡流强度较进气涡流小
13、，只起辅助作用。,逆挤流,4.直喷式燃烧室,1）开式燃烧室浅坑型 混合气形成方式以空间雾化为主。 无或很弱进气涡流，形成质量依靠喷雾质量（细微度及均匀度)，对喷射系统要求高（100MPa，7-12喷孔）； 结构简单，F/V小，Q放 ，经济性好； 起动性好，热负荷低； 但a 大（1.52.2），工作粗暴，对燃料要求高。 一般适用于大缸径（140mm），低速（2000r/min）柴油机。 如浅型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。,浅型燃烧室,2）半开式燃烧室深坑型 混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。 型燃烧室（典型） 混合气形成：空间雾化
14、混合为主。 一般采用多孔喷嘴（4-6孔），较高喷射压力，并组织一定的进气涡流和挤气涡流。 面容比小，Q放，经济性好。 低温起动性好。 P/和Pz大，工作粗暴。 a 大（1.3-1.5）。 形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。 适用于4500r/min以下，80-140mm的柴油机。,型燃烧室, 球形燃烧室 混合气形成：油膜蒸发。 一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。 面容比小，经济性好。 P/和Pz较小，工作柔和。 对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。 冷起动困难。 低速、加速时冒黑烟。 不适于增压，变工况适应性差，目前已很少使用。,球型燃烧室,5、分开式燃烧室,1）涡
15、流室式燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主 一般采用轴针式喷油器，涡流室占燃烧容积的50%-60% 喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低) P/较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活塞已下行） 空气利用率高， a 值可较小（1.2.13） 高速性能好。（涡流随转速升高而加强） 排污低（最高燃烧温度低） 变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的流动特性基本不变） 面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）,涡流室式燃烧室,1）预燃室式燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主。 采用轴针式喷油器，预燃室占燃烧容积的50%-60%。 喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃烧涡流形成混合气）。 P/较小，工作柔和。 空气利用率高， a值可较小。 变工况适应性好，对转速不敏感。 NOx排放低。 启动性差，面容比较大，经济性差。 低速噪声（惰转噪声）大。(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长),预燃室式燃烧室,各种燃烧室的比较,第三节 燃油的喷射,一、喷射过程 燃油的喷射： 燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压力升高，经喷油器喷出的过程。 分三个阶段： 喷油延迟阶段，主喷射阶段，喷射结束阶段。,燃油的喷射过程,二、不正常喷射,1.二次喷射 针阀落座后
