第五章 柴油机混合气形成与燃烧

1、 内燃机内的气体流动内燃机内的气体流动CHARGE MOTION IN IC ENGINES 四种基本形式四种基本形式内燃机缸内气体运动方式 进气涡流进气涡流 在进气过程中形成的绕在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称为进气涡流。气流运动，称为进气涡流。l产生进气涡流运动的方法有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、组合进导气屏、切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统气系统1. 1. 涡流涡流 导气屏导气屏 设置在进气门上，设置在进气门上，导引进气流以不同角导引进气流以不同角度流入气缸在气缸壁度流入气缸在气缸壁面的约束配合下产生面的约

2、束配合下产生涡流。涡流。 切向进气道切向进气道 螺旋进气道螺旋进气道图图5-21切向气道、螺旋气道的原理切向气道、螺旋气道的原理a) 切向气道切向气道 b) 纯螺旋气道纯螺旋气道组合进气系统组合进气系统 在在2个进气门的发动机上，采用不同类型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。流和流速分布。1 1直气道直气道 2 2螺旋气道螺旋气道 3 3SCV 4SCV 4排气道排气道4 4螺旋气道直气道螺旋气道直气道( (切向气切向气道道) )直气道内安装涡流控制阀直气道内安装涡流控制阀(SCV)(SCV)控制直气道的进

3、气量控制直气道的进气量螺旋气道进气量的改变缸螺旋气道进气量的改变缸内进气涡流强度内进气涡流强度发动机在中低负荷工况下，发动机在中低负荷工况下，减少直气道的进气量，提减少直气道的进气量，提高缸内涡流强度，可以改高缸内涡流强度，可以改善燃烧，提高动力性和经善燃烧，提高动力性和经济性。济性。在高速高负荷时，涡流控在高速高负荷时，涡流控制阀全开，增加空气的吸制阀全开，增加空气的吸入量，提高发动机的高速入量，提高发动机的高速性能。性能。l导气屏方法简单，进气道可不作特殊设计，通过改变导气屏方法简单，进气道可不作特殊设计，通过改变导气屏的包角导气屏的包角和导气屏重点的安装位置（角度和导气屏重点的安装位置（

4、角度），），可调节涡流强度可调节涡流强度0 04 4，但阻力最大。一般用于少数汽，但阻力最大。一般用于少数汽油机。油机。l切向气道形状简单，涡流比小切向气道形状简单，涡流比小1 12 2，适用于对涡流强，适用于对涡流强度要求不高的发动机。度要求不高的发动机。l螺旋气道的形状最复杂，涡流比螺旋气道的形状最复杂，涡流比2 24 4，同样涡流比时，同样涡流比时的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。求较高的发动机。l组合式进气涡流系统组合式进气涡流系统 上述方法进行组合，以达到上述方法进行组合，以达到需要的涡流和流速分布。需要的涡流

5、和流速分布。l进气涡流在压缩过程中，一边旋转一边被挤入燃烧室进气涡流在压缩过程中，一边旋转一边被挤入燃烧室凹坑。为加速混合气的形成，不仅应注意进气涡流比，凹坑。为加速混合气的形成，不仅应注意进气涡流比，更应该注意压缩终了时燃烧室内的涡流比，因为它以更应该注意压缩终了时燃烧室内的涡流比，因为它以及上止点附近的涡流强度对燃烧过程影响更大。及上止点附近的涡流强度对燃烧过程影响更大。 压缩涡流压缩涡流 在柴油机涡流室燃烧室中，在柴油机涡流室燃烧室中，进气过进气过程不产生涡流，在压缩过程中由主燃烧程不产生涡流，在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室（副燃烧室）时，室经连通道进入涡流室（副燃烧室）时，形

6、成强烈的压缩涡流。形成强烈的压缩涡流。 该方式不导致进气阻力增大和进气充该方式不导致进气阻力增大和进气充量下降，但存在能量消耗，使循环热效量下降，但存在能量消耗，使循环热效率降低。率降低。2. 2. 挤流挤流l当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞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，由此产生挤压涡流顶部的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流挤流)。 l当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活当活塞下行时，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，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。这种流动也称为逆挤流。

7、图图5-23挤流的形成挤流的形成 a) 无进气涡流或涡流不强时的挤流无进气涡流或涡流不强时的挤流 b) 进气涡流强时的挤流进气涡流强时的挤流 c) 逆挤流逆挤流 压缩行程后期，部分活压缩行程后期，部分活塞顶面和气缸盖相互靠近塞顶面和气缸盖相互靠近挤压所产生的挤压所产生的径向径向或或横向横向的气流运动。的气流运动。 当活塞下行时，燃烧当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形室中的气体向外流到环形空间，产生空间，产生逆挤流逆挤流。 挤流强度取决于燃烧室凹坑喉口直径挤流强度取决于燃烧室凹坑喉口直径dk与活塞直径之比，以及活塞顶间隙与活塞直径之比，以及活塞顶间隙s0，dk和和s0越小，即流强度越大。挤

8、流不影响充越小，即流强度越大。挤流不影响充量系数，有助于混合气的形成，但由于持量系数，有助于混合气的形成，但由于持续时间较短（仅在上止点附近），强度相续时间较短（仅在上止点附近），强度相对较弱，一般仅是起配合作用。在汽油机对较弱，一般仅是起配合作用。在汽油机和柴油机都有应用，汽油机紧凑型燃烧室和柴油机都有应用，汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动增强燃烧室的湍流都利用较强的挤流运动增强燃烧室的湍流强度，促进混合气快速燃烧。强度，促进混合气快速燃烧。3 3. . 滚流滚流进气过程中形成的进气过程中形成的绕气缸轴绕气缸轴线的垂线旋转线的垂线旋转的有组织的空的有组织的空气旋流叫滚流，气旋流叫滚流，

9、也称为纵涡也称为纵涡或横轴涡流。它在压缩过程或横轴涡流。它在压缩过程中动量衰减少，在上止点附中动量衰减少，在上止点附近变成的小涡流和高强度湍近变成的小涡流和高强度湍流，比进气涡流效果好，对流，比进气涡流效果好，对燃烧过程极为有利。用于汽燃烧过程极为有利。用于汽油机和柴油机，在缸内直喷油机和柴油机，在缸内直喷汽油机上得到广泛应用。汽油机上得到广泛应用。 同时使用涡流与滚流，同时使用涡流与滚流，合成为斜轴涡流合成为斜轴涡流（inclined swirl）滚流的形成与破碎滚流的形成与破碎a)a)进气过程进气过程 b) b) 压缩过程压缩过程 c) c) 压缩终了压缩终了4 4. . 湍流湍流 在气缸

10、内形成的无规在气缸内形成的无规则的小尺度气流运动称则的小尺度气流运动称为湍流，也称微涡流。为湍流，也称微涡流。用以促进燃油和空气的用以促进燃油和空气的微混合程度，产生方法微混合程度，产生方法多样。多样。 内燃机气缸中的气体流动是无规则的非定内燃机气缸中的气体流动是无规则的非定常运动，气体内部及其与固体表面相互作用，常运动，气体内部及其与固体表面相互作用，使涡不断产生、发展、分裂和消失，成为湍使涡不断产生、发展、分裂和消失，成为湍流运动。流运动。湍流特征参数：湍流特征参数：l 平均湍流速度平均湍流速度l 湍流强度湍流强度平均速度瞬时速度l内燃机气缸内的湍流是高度不定常湍流。内燃机气缸内的湍流是高

11、度不定常湍流。湍流与燃烧、排放物生成关系极大，例如对湍流与燃烧、排放物生成关系极大，例如对火花点火发动机，主要表现在对火焰传播速火花点火发动机，主要表现在对火焰传播速率、燃烧速率、循环变动以及稀燃极限等方率、燃烧速率、循环变动以及稀燃极限等方面；对压燃点火发动机扩散燃烧阶段的燃烧面；对压燃点火发动机扩散燃烧阶段的燃烧速率取决于空气和燃料混合速率，在湍流中速率取决于空气和燃料混合速率，在湍流中物质传输和混合速率均大大高于分子间的扩物质传输和混合速率均大大高于分子间的扩散速率，在一定范围内增加湍流强度，将有散速率，在一定范围内增加湍流强度，将有利于燃烧过程的进行和降低烟度。利于燃烧过程的进行和降低

12、烟度。l缸内湍流产生的原因主要可分为两大类：缸内湍流产生的原因主要可分为两大类：（1）壁面湍流（）壁面湍流（Wall turbulence）气流流）气流流过固体物体表面时产生的；（过固体物体表面时产生的；（2）自由湍流）自由湍流（free turbulengce）。内燃机气缸内的湍流）。内燃机气缸内的湍流是以上两种湍流的合成。是以上两种湍流的合成。 1. 1.汽油机的燃烧汽油机的燃烧 预混可燃混合气预混可燃混合气 火花点燃火花点燃 火焰传播火焰传播2.2.柴油机的燃烧柴油机的燃烧 空气空气 燃油缸内直喷燃油缸内直喷 压燃压燃 预混扩散燃烧预混扩散燃烧湍流促进燃烧湍流促进燃烧涡流促进混合和燃烧涡

13、流促进混合和燃烧 总体而言，各种气流运动在带来混合总体而言，各种气流运动在带来混合气形成和燃烧有利的同时，也或多或少气形成和燃烧有利的同时，也或多或少的导致了进气充量下降和泵气损失增加，的导致了进气充量下降和泵气损失增加，且发动机高、低转速时，气流运动强度且发动机高、低转速时，气流运动强度变化较大，其作用的稳定性较差。变化较大，其作用的稳定性较差。 所以，所以，柴油机的发展方向仍是高压直柴油机的发展方向仍是高压直喷喷（降低了对气流运动的要求）（降低了对气流运动的要求），气流，气流运动的组织仅是辅助作用。运动的组织仅是辅助作用。 内燃机按使用的燃料分为汽油机和柴油机。内燃机按使用的燃料分为汽油机

14、和柴油机。汽油汽油较易蒸发，自燃温度较高。较易蒸发，自燃温度较高。外部混合气形成方式，电火花点火。外部混合气形成方式，电火花点火。变量调节变量调节内燃机的工况调节是通过改变进入气缸的混合气量实现的。内燃机的工况调节是通过改变进入气缸的混合气量实现的。柴油柴油高压喷射内部混合气形成方式，压燃着火。高压喷射内部混合气形成方式，压燃着火。挥发性差，自燃温度低。挥发性差，自燃温度低。变质调节变质调节内燃机的工况调节是通过改变喷入气缸燃油量方式实现的。内燃机的工况调节是通过改变喷入气缸燃油量方式实现的。一、汽油机的燃料供给系统一、汽油机的燃料供给系统SI engine fuel delivery sys

15、temSI engine fuel delivery system 化油器化油器 Carburetor SystemCarburetor System 电控汽油喷射系统电控汽油喷射系统 Electronic Fuel Injection System (EFI)Electronic Fuel Injection System (EFI) SPI, PFI, MPI SPI, PFI, MPI二、柴油机的燃料供给系统二、柴油机的燃料供给系统 Diesel Injection SystemDiesel Injection System 泵管嘴喷射系统泵管嘴喷射系统 Pump-line-nozzle

16、 systemPump-line-nozzle system 泵喷嘴喷射系统泵喷嘴喷射系统 Unit Injector SystemUnit Injector System 高压共轨电控喷射系统高压共轨电控喷射系统 Common rail systemCommon rail systemu及时、适量的向内燃机气缸内提供燃料及时、适量的向内燃机气缸内提供燃料; ;u高质量形成可燃混合气，保证燃烧高效进行。高质量形成可燃混合气，保证燃烧高效进行。 三、内燃机燃料供给系统的基本功能三、内燃机燃料供给系统的基本功能Primary function of fuel delivery systemPrim

17、ary function of fuel delivery system发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。进入气缸的燃料燃烧完全的程热能的过程。进入气缸的燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排除废气度，直接影响到热量产生的多少和排除废气的成分，而燃烧时间或燃烧相当于曲轴转角的成分，而燃烧时间或燃烧相当于曲轴转角的位置，又关系到热量的利用和汽缸压力的的位置，又关系到热量的利用和汽缸压力的变化，所以燃烧过程是影响发动机经济性、变化，所以燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，对噪声、振动力性和排气污染的主要过程，对噪声

18、、振动、起动性能和使用寿命也有很大影响。动、起动性能和使用寿命也有很大影响。化学能转化为热能的效率相对较高，热能化学能转化为热能的效率相对较高，热能转化为机械能的效率（热机效率）相对较转化为机械能的效率（热机效率）相对较低。内燃机真实热力循环的转换热效率必低。内燃机真实热力循环的转换热效率必须考虑真实工质和循环特点。须考虑真实工质和循环特点。内燃机特有的燃烧规律内燃机特有的燃烧规律-正常、异常正常、异常燃烧过程对发动机动力性、经济性和燃烧过程对发动机动力性、经济性和排放特性等主要特性有重大影响。排放特性等主要特性有重大影响。第五章第五章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧主要内容

19、第一节第一节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化第二节第二节 燃烧与放热燃烧与放热第三节第三节 混合气形成与燃烧室混合气形成与燃烧室第四节第四节 燃烧过程的优化燃烧过程的优化柴油的粘度较大，挥发性较差，需借助机械喷柴油的粘度较大，挥发性较差，需借助机械喷射的方法使燃油雾化成细小油滴，然后在气缸射的方法使燃油雾化成细小油滴，然后在气缸内部与空气混合，并利用压缩工质的高温使可内部与空气混合，并利用压缩工质的高温使可燃混合气着火燃烧。根据可燃混合气形成的特燃混合气着火燃烧。根据可燃混合气形成的特点，燃烧过程是在边蒸发、混合、边燃烧的情点，燃烧过程是在边蒸发、混合、边燃烧的情况下进行的，基本上属于扩散混

20、合燃烧。其燃况下进行的，基本上属于扩散混合燃烧。其燃烧的完善程度在很大程度上受到可燃混合气形烧的完善程度在很大程度上受到可燃混合气形成速度及质量的影响。因此，成速度及质量的影响。因此，改善可燃混合气改善可燃混合气的质量，并使其形成速度与燃烧速度相适应，的质量，并使其形成速度与燃烧速度相适应，是改善柴油机燃烧性能的一个核心问题。是改善柴油机燃烧性能的一个核心问题。一、喷油系统一、喷油系统 1、作用及要求、作用及要求 作用：作用：定时定量并按一定规律向柴油定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。机各缸供给高压燃油。 柴油机具有热效率高、可靠性好、排气污染柴油机具有热效率高、可靠性好、排气污染

21、少和较大功率范围内的适应性等优点，因而少和较大功率范围内的适应性等优点，因而在汽车上的应用愈来愈广泛。在汽车上的应用愈来愈广泛。要求：要求： 1) 产生足够高的喷油压力产生足够高的喷油压力保证良好的雾化、保证良好的雾化、混合、燃烧；混合、燃烧； 2) 实现所要求的喷油规律实现所要求的喷油规律保证合理的燃烧放保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能；热规律和良好的综合性能； 3) 精确控制喷油量和喷油时间精确控制喷油量和喷油时间满足稳定工况满足稳定工况循环喷油量一致，满足工况变化要求，保证各循环喷油量一致，满足工况变化要求，保证各缸喷油量均匀和喷油正时；缸喷油量均匀和喷油正时； 4) 避免出现异常

22、喷射现象。避免出现异常喷射现象。l常见的柴油机喷油泵可以分为柱塞式直常见的柴油机喷油泵可以分为柱塞式直列泵和转子分配泵两类。直列泵包括直列泵和转子分配泵两类。直列泵包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机。转子式分配泵于大、中型车用柴油机。转子式分配泵系统有端面凸轮驱动的系统有端面凸轮驱动的VEVE泵系统和内凸泵系统和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轿轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轿车和轻型车柴油机。两相比较，分配泵车和轻型车柴油机。两相比较，分配泵具有结构紧凑、体积小、重量轻，能在具有结构紧凑、体积小、重量轻，能在高转速下工作的优点

23、，但难以达到较高高转速下工作的优点，但难以达到较高的喷油压力，并且对燃油质量要求较高。的喷油压力，并且对燃油质量要求较高。l近代柴油机电控喷油技术近代柴油机电控喷油技术共轨共轨（common railcommon rail）系统，不同于柱塞脉动）系统，不同于柱塞脉动喷油原理。喷油原理。2、分类、分类l电控燃油喷射技术方面：柴油机电控比电控燃油喷射技术方面：柴油机电控比汽油机电控复杂、技术要求高、特别反汽油机电控复杂、技术要求高、特别反映在柴油机电控系统的喷射执行器上，映在柴油机电控系统的喷射执行器上，因为它在高压下（比汽油机的高几十倍因为它在高压下（比汽油机的高几十倍乃至几百倍）工作，对密封、

24、工艺的要乃至几百倍）工作，对密封、工艺的要求特别高，控制用电磁阀不仅要求响应求特别高，控制用电磁阀不仅要求响应速度高，而且要求体积小，能承受高温、速度高，而且要求体积小，能承受高温、高压的作用，技术难度相当大，此外柴高压的作用，技术难度相当大，此外柴油机对喷油提前角控制精度也比汽油机油机对喷油提前角控制精度也比汽油机对点火提前角的控制精度要高。对点火提前角的控制精度要高。l高压电控共轨系统具备齐全的功能，发高压电控共轨系统具备齐全的功能，发展潜力最大。展潜力最大。3、喷油系统的工作原理、喷油系统的工作原理图图5-1 柱塞式喷油泵燃油供给系柱塞式喷油泵燃油供给系1喷油器喷油器 2燃油滤清器燃油滤

25、清器 3直列柱塞式喷油泵直列柱塞式喷油泵 4喷油提前器喷油提前器 5输油泵输油泵 6调速器调速器 7油水分离器油水分离器 8油箱油箱 9高压油管高压油管 10回油管回油管 11低压油管低压油管1. 柱塞式喷油泵供油系统柱塞式喷油泵供油系统 2. 分配式喷油泵供油系统分配式喷油泵供油系统 图图5-2 分配式喷油泵燃油供给系分配式喷油泵燃油供给系l-油箱油箱 2-油水分离器油水分离器 3-一级输油泵一级输油泵 4-二级输油泵二级输油泵 5-燃油滤清器燃油滤清器 6-调压调压阀阀 7-分配式喷油泵传动轴分配式喷油泵传动轴 8-调速手柄调速手柄 9-分配式喷油泵体分配式喷油泵体 10-喷油器喷油器 1

26、1-回油管回油管12-分配式喷油泵分配式喷油泵 13-喷油提前器喷油提前器 14-调速器传动齿轮调速器传动齿轮 3 3、共轨系统、共轨系统 Common RailCommon Rail SystemSystem柴油机共轨式燃料供给系统，能产生较高的喷油压力（柴油机共轨式燃料供给系统，能产生较高的喷油压力（130130180MPa)180MPa)。压力基本上可保持恒定而不受柴油机转速与负荷的影响，压力基本上可保持恒定而不受柴油机转速与负荷的影响，属于恒压式燃料供给系统。属于恒压式燃料供给系统。系统优点：系统优点：u改善了柴油机在低速与低负荷时的喷雾品质改善了柴油机在低速与低负荷时的喷雾品质; ;

27、u由于燃料喷射是依靠电磁阀开启时间的控制方式，比较由于燃料喷射是依靠电磁阀开启时间的控制方式，比较容易对喷油时刻与喷油持续期进行调节，容易对喷油时刻与喷油持续期进行调节，能够实现较为能够实现较为理想的喷油规律理想的喷油规律;. ;.u在柴油机上的布置比较容易。在柴油机上的布置比较容易。Common Rail SystemCommon Rail System压力传感器 燃油共轨 压力调节器 油 箱 传感器信号 控制信号 EDU ECU 喷油器 高压油泵 滤清器 高压共轨是电控燃油喷射系统：（高压共轨是电控燃油喷射系统：（1）能在发）能在发动机全部运行范围内实现对每循环喷油量、喷动机全部运行范围内

28、实现对每循环喷油量、喷油定时、喷油压力和喷油规律（喷油率油定时、喷油压力和喷油规律（喷油率injection rate）各自独立的控制。（）各自独立的控制。（2）具有极）具有极好的燃油密封性。用减少高压油泄漏量的办法，好的燃油密封性。用减少高压油泄漏量的办法，减少驱动燃油泵的功率损失。（减少驱动燃油泵的功率损失。（3）具有好的）具有好的可安装性，对柴油机不要求附加驱动轴，可以可安装性，对柴油机不要求附加驱动轴，可以像通常的直列式油泵一样安装，只需略加修改像通常的直列式油泵一样安装，只需略加修改喷油器支架，就可安装电控喷油器。其缺点是喷油器支架，就可安装电控喷油器。其缺点是目前的喷射压力尚只能达

29、到目前的喷射压力尚只能达到120MPa。 l喷油器可分为孔式和轴针式。孔式一般喷油器可分为孔式和轴针式。孔式一般用于直喷式燃烧室，轴针式一般用于非用于直喷式燃烧室，轴针式一般用于非直喷式燃烧室。直喷式燃烧室。l喷孔流通截面积与升程的关系称为喷油喷孔流通截面积与升程的关系称为喷油嘴的流通特性。嘴的流通特性。4、喷油器、喷油器图图5-5 喷油器的头部结构喷油器的头部结构(a) 单孔单孔 (b) 多孔多孔 (c) 标准轴针标准轴针 (d) 节流轴针节流轴针图图5-6不同喷不同喷油嘴的流通油嘴的流通特性特性 喷孔数喷孔数-与进气涡流匹配与进气涡流匹配 对于有进气涡流的中小功率柴油机，喷孔数为对于有进气

30、涡流的中小功率柴油机，喷孔数为4 4 6 6个，喷孔直径为个，喷孔直径为0.150.150.35mm;0.35mm; 对于缸径较大的柴油机，一般不组织进气涡流，对于缸径较大的柴油机，一般不组织进气涡流，喷孔多达喷孔多达7 7 1212个个; ;压力室容积压力室容积 喷油结束喷油结束后，后，压力室中蓄有的少量燃油压力室中蓄有的少量燃油仍会因膨仍会因膨胀而进入燃烧室，恶化了柴油机的烟度与胀而进入燃烧室，恶化了柴油机的烟度与HCHC的排的排放指标放指标; ; 压力室容积，可以压力室容积，可以采用小压力室采用小压力室（容积小于（容积小于1mm1mm3 3）和无压力室（）和无压力室（VCOVCO）喷嘴。

31、）喷嘴。 目前欧洲的轿车柴油机上的目前欧洲的轿车柴油机上的发展趋势发展趋势是是采用小压采用小压力室结构力室结构。 喷孔面积喷孔面积喷嘴喷孔面积喷嘴喷孔面积大小与喷油器针阀的升程、喷嘴的结构型大小与喷油器针阀的升程、喷嘴的结构型式、喷油压力、供油速率和柴油机结构型式有关式、喷油压力、供油速率和柴油机结构型式有关。孔式喷嘴孔式喷嘴的的最大喷孔截面最大喷孔截面取决于取决于喷孔的数目和直径喷孔的数目和直径，而，而轴针式喷嘴轴针式喷嘴最大喷孔截面取决于最大喷孔截面取决于针阀最大升程和喷嘴头针阀最大升程和喷嘴头部的形状部的形状。喷孔面积喷孔面积过大过大，会导致，会导致喷油压力与喷油速率降低喷油压力与喷油速

32、率降低，喷油，喷油持续期缩短，喷油雾化质量变差。持续期缩短，喷油雾化质量变差。喷孔面积喷孔面积过小过小，则喷油压力过高且易产生不正常喷射。，则喷油压力过高且易产生不正常喷射。 喷油泵的速度特性喷油泵的速度特性在在油量调节齿杆位置不变油量调节齿杆位置不变时，喷油泵每循环喷油量时，喷油泵每循环喷油量g gb b随油泵转速随油泵转速n np p（或柴油机转速（或柴油机转速n n）变化的特性。）变化的特性。()bpgf n齿杆在标定工况油量位置时的速度特性叫做齿杆在标定工况油量位置时的速度特性叫做喷油喷油泵的速度外特性泵的速度外特性。 实线实线1 1柴油机充气系数柴油机充气系数 实线实线2 2柴油机转

33、矩曲线柴油机转矩曲线 实线实线3 3喷油泵速度外特性喷油泵速度外特性 实线实线4 4喷油泵部分负荷速喷油泵部分负荷速度特性度特性虚线虚线5 5喷油泵外特性校正喷油泵外特性校正 发动机转速发动机转速二、喷射与雾化二、喷射与雾化 燃油喷射指标：燃油喷射指标：喷油特性和喷雾特性喷油特性和喷雾特性喷油特性：喷油特性：喷油开始时间、喷油持续时间、喷油速喷油开始时间、喷油持续时间、喷油速 率变化和喷油压力率变化和喷油压力喷雾特性：喷雾特性：油束贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径、油束贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径、 油束中燃油浓度、速度和粒度的分布规律油束中燃油浓度、速度和粒度的分布规律喷油特性是喷油系统在高压油

34、路中的行为，喷油特性是喷油系统在高压油路中的行为，主要包括喷油开始时间、喷油持续期、喷油主要包括喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化以及喷油压力。喷雾特性是燃油喷速率变化以及喷油压力。喷雾特性是燃油喷入燃烧室后的行为，主要包括贯穿距离、喷入燃烧室后的行为，主要包括贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径，以及油束中燃油浓度、雾锥角、喷雾粒径，以及油束中燃油浓度、速度和粒度的分布规律。速度和粒度的分布规律。1.喷射过程喷射过程:l定义：定义：喷油泵开始供油直至喷油器停止喷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油的过程，整个喷射过程在全负荷 下约占下约占1515 4040曲轴转角。曲

35、轴转角。 喷喷射射过过程程喷射延迟阶段喷射延迟阶段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。图图5-7喷射过程喷射过程a) 喷油泵端压力喷油泵端压力 b) 喷油器端压力喷油器端压力 c) 针阀升程针阀升程 喷油提前角喷油提前角: : 燃料喷入燃料喷入气缸时刻到上止点之气缸时刻到上止点之间的曲轴转角。间的曲轴转角。 供油提前角供油提前角: : 喷油泵柱塞关闭进回油孔开始压喷油泵柱塞关闭进回油孔开始压油到活塞

36、上油到活塞上 止点所经历的曲轴转止点所经历的曲轴转角。角。 喷油持续期喷油持续期: : 由喷油由喷油开始至喷油结束之开始至喷油结束之间的时间。间的时间。xfjH喷油延迟角喷油提前角供油提前角xfjH喷射延迟阶段喷射延迟阶段II压力波传导。供油始点和压力波传导。供油始点和喷油始点一般用供油提前角喷油始点一般用供油提前角H H和喷油提前角和喷油提前角fjfj来表示，两者之差来表示，两者之差H H- -fjfj称为称为喷油延迟喷油延迟角角。发动机转速越高以及高压油管越长，则。发动机转速越高以及高压油管越长，则喷油延迟角越大。喷油延迟角越大。主喷射阶段主喷射阶段持续供油。持续时间取决持续供油。持续时间

37、取决于循环供油量和喷油速率，通过喷油泵柱塞于循环供油量和喷油速率，通过喷油泵柱塞的有效行程（随柴油机的负荷变化）来决定。的有效行程（随柴油机的负荷变化）来决定。喷油结束阶段喷油结束阶段泵端压力急剧下降。喷泵端压力急剧下降。喷油雾化质量下降，所以喷油结束阶段应干脆、油雾化质量下降，所以喷油结束阶段应干脆、迅速。迅速。2.供油规律与供油规律与喷油规律：喷油规律：l供油速率：供油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）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；由喷油泵供入高压油路中的燃油量；l喷油速率：喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内

38、的燃油量；由喷油器喷入燃烧室内的燃油量；l供油规律：供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。间）的变化关系。l喷油规律：喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。间）的变化关系。差别差别： 始点差别始点差别812曲轴转角；曲轴转角； 喷油持续时间较供油持续时间长；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，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。循环喷油量也低于循环供油量。图图5-8 供油规律和喷油规律供油规律和喷油规律 l两者的差别主要原因：两者的差别主要

39、原因： 1.1.燃油的可压缩性燃油的可压缩性高压下体积压缩高压下体积压缩 2.2.压力波传播滞后压力波传播滞后管长和转速管长和转速 3.3.压力波动压力波动压力波往复反射和叠加压力波往复反射和叠加 4.4.高压容积变化高压容积变化管路和阀室等的弹性管路和阀室等的弹性 喷油规律是柴油机燃烧和性能优化的喷油规律是柴油机燃烧和性能优化的重要方面。重要方面。3.喷雾特性与雾化质量：喷雾特性与雾化质量：l燃油喷入燃烧室后，先是液柱，然后在湍流和液燃油喷入燃烧室后，先是液柱，然后在湍流和液体表面张力的作用下，并与卷入的空气摩擦冲撞，体表面张力的作用下，并与卷入的空气摩擦冲撞，被细化成燃油微粒。这个过程，称

40、为被细化成燃油微粒。这个过程，称为燃油的喷雾燃油的喷雾或雾化或雾化。l将燃油喷射雾化，可以大大将燃油喷射雾化，可以大大增加增加其表面积，其表面积，加速加速混合气形成。混合气形成。l当燃油高速从喷孔喷出当燃油高速从喷孔喷出( (喷出速度为喷出速度为l00l00一一300m300ms)s)，油束油束由于压力差作用，逐渐横向扩张，便形由于压力差作用，逐渐横向扩张，便形成圆锥形状。成圆锥形状。湍流和表面张力的作用下，喷雾过程湍流和表面张力的作用下，喷雾过程可分为液柱（分裂距离）、分裂和雾可分为液柱（分裂距离）、分裂和雾化三个阶段。化三个阶段。 燃油雾化燃油雾化 SPRAY ATOMIZATIONSPR

41、AY ATOMIZATION 油束射程 mm 100 50 0 油束射程 mm 50 0 2 3 3.3 3.5 ms (a) (b) 破碎长度 油束的几何形状主要包括油束的几何形状主要包括油束射程油束射程L(又称又称贯穿距离贯穿距离)和和喷雾锥角喷雾锥角或或油束的最大宽度油束的最大宽度B。图图5-9 油束的几何形状和参数油束的几何形状和参数 喷射压力、喷油孔的长度直径比、空气与燃油密度喷射压力、喷油孔的长度直径比、空气与燃油密度比等决定油束的几何形状。比等决定油束的几何形状。 贯穿距离和喷雾锥角表征喷油射束在贯穿距离和喷雾锥角表征喷油射束在空间的几何分布特性，与燃烧室内的空空间的几何分布特性

42、，与燃烧室内的空气利用及混合气均匀性都有密切关系。气利用及混合气均匀性都有密切关系。贯穿距离贯穿距离 柴油机燃烧时，希望油束尽可柴油机燃烧时，希望油束尽可能到达燃烧室壁面附近，以使燃料分布区能到达燃烧室壁面附近，以使燃料分布区域扩大，特别是高负荷时，由于喷油过程域扩大，特别是高负荷时，由于喷油过程一般要持续到着火以后，易产生一般要持续到着火以后，易产生“火包油火包油”现象，这时希望油束有足够的贯穿力，穿现象，这时希望油束有足够的贯穿力，穿透火焰到达周围空气区。透火焰到达周围空气区。a a 油束射程油束射程L L但并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机但并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机

43、理与燃烧室形状具体分析。理与燃烧室形状具体分析。L L 燃料喷到壁面上多燃料喷到壁面上多 空间混合气空间混合气太稀。太稀。L L 燃料集中燃料集中 混合气分布不均匀，混合气分布不均匀，空气利用空气利用 。 贯穿率是指贯穿距离与喷孔沿轴线到燃烧室壁贯穿率是指贯穿距离与喷孔沿轴线到燃烧室壁面距离的比值。面距离的比值。 直喷式柴油机，一般贯穿率直喷式柴油机，一般贯穿率1 1，但如存在，但如存在强涡流，则强涡流，则11。 近年来出现的撞击喷雾，贯穿率要大于近年来出现的撞击喷雾，贯穿率要大于1。b 喷雾锥角喷雾锥角 反映油束的紧密程度。反映油束的紧密程度。孔式喷嘴孔式喷嘴 大大 油束松散，粒细。油束松散

44、，粒细。轴针式喷嘴轴针式喷嘴 小小 油束紧密，粒粗。油束紧密，粒粗。一般情况下一般情况下：喷雾锥角过大，贯穿距离会减小；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。喷雾锥角过小，雾化程度会变差。l油束夹角应满足沿气缸轴向燃油在活塞顶上方的油束夹角应满足沿气缸轴向燃油在活塞顶上方的落点处在同一高度；油束锥面下部包含的燃烧室落点处在同一高度；油束锥面下部包含的燃烧室容积与上部到缸盖底面包含的容积基本相同。油容积与上部到缸盖底面包含的容积基本相同。油束夹角一般在束夹角一般在140140 160160之间。之间。l油束锥面还与喷嘴突出气缸盖底面高度有关。突油束锥面还与喷嘴突出气缸盖底面

45、高度有关。突出高度在出高度在2 2 4mm4mm之间。之间。l各油束在活塞顶平面的投影位置应使油束分布与各油束在活塞顶平面的投影位置应使油束分布与燃烧室内的空气分布与涡流相适应。燃烧室内的空气分布与涡流相适应。l喷雾锥角与喷射压力、孔径、孔长及加工质量等喷雾锥角与喷射压力、孔径、孔长及加工质量等有关，其值一般为有关，其值一般为1515 3030。 油束分布油束分布-喷孔夹角大小兼顾油束上下空气利用喷孔夹角大小兼顾油束上下空气利用c c 雾化质量（雾化特性）雾化质量（雾化特性） 用油滴的细度和均匀度表示。细度用油滴的平均用油滴的细度和均匀度表示。细度用油滴的平均直径表示，该值越小雾化质量越好；均

46、匀度是表示直径表示，该值越小雾化质量越好；均匀度是表示油束中油滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。油束中油滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。常用索特（常用索特（SauterSauter）粒径作为指标评价雾化粒径。）粒径作为指标评价雾化粒径。它也叫索特平均直径它也叫索特平均直径SMDSMD，是所有油粒总体积与总，是所有油粒总体积与总表面积之比。表面积之比。iiiindndSMD23 一般随喷油压力的提高，喷雾粒径变细且均匀一般随喷油压力的提高，喷雾粒径变细且均匀度也提高。度也提高。油滴平均直径油滴平均直径 SAUTER MEAN DIAMETERSAUTER MEAN DIAMETER索特平均

47、直径索特平均直径(SMD)(SMD)：整个油束的液滴总体积与总表面积的比：整个油束的液滴总体积与总表面积的比 3322()ddd dnSMDdd dn0.1350.1210.131()gfuelSMDApqm一般柴油喷雾粒径在一般柴油喷雾粒径在1050m,SMD约为约为2040m。喷油压力对喷雾性能的影响喷油压力对喷雾性能的影响 喷油喷油压力愈高压力愈高，燃料喷雾粒度愈细燃料喷雾粒度愈细，喷油速率喷油速率也也愈愈高高，柴油机的烟度与微粒排放指标也愈好。，柴油机的烟度与微粒排放指标也愈好。小型分隔式燃烧室小型分隔式燃烧室（涡流室与预燃室）柴油机，（涡流室与预燃室）柴油机，由于主副室之间的气体流动

48、为燃料的雾化与混合气由于主副室之间的气体流动为燃料的雾化与混合气形成提供了较多的能量，形成提供了较多的能量，喷油压力一般不超过喷油压力一般不超过40MPa40MPa。直喷式柴油机直喷式柴油机为了达到欧为了达到欧排放标准，排放标准，喷油压力喷油压力应当不低于应当不低于120120150MPa150MPa，甚至要求达到，甚至要求达到200MPa200MPa。采用。采用共轨或泵喷嘴系统共轨或泵喷嘴系统可实现可实现 。3.3.不正常喷射不正常喷射( (一一) )二次喷射二次喷射 二次喷射是在喷油器针阀落座后，在过大二次喷射是在喷油器针阀落座后，在过大的反射波作用下，的反射波作用下，针阀再次升起进行喷油

49、针阀再次升起进行喷油的的一种不正常现象。二次喷射压力低，这部分一种不正常现象。二次喷射压力低，这部分燃油雾化不良，燃烧不完全，排放污染增加，燃油雾化不良，燃烧不完全，排放污染增加，易积炭堵塞喷孔，并使整个喷射延续期拉长，易积炭堵塞喷孔，并使整个喷射延续期拉长，后燃烧严重，柴油机经济性下降，零部件过后燃烧严重，柴油机经济性下降，零部件过热。热。在高速、大负荷时易出现。在高速、大负荷时易出现。 燃油喷射终了后，针阀又不受控制地第二次开启向气缸燃油喷射终了后，针阀又不受控制地第二次开启向气缸内喷油的现象。内喷油的现象。 正常喷射正常喷射二次喷射二次喷射 二次喷射的危害二次喷射的危害 喷油持续时间延长

50、喷油持续时间延长; ; 燃油雾化质量差，燃烧不完全且后燃严燃油雾化质量差，燃烧不完全且后燃严重，燃油消耗率和烟度增加重，燃油消耗率和烟度增加; ; 排温升高零部件过热排温升高零部件过热; ; 产生喷孔积炭堵塞。产生喷孔积炭堵塞。在柴油机大负荷、高速运转工况下，燃在柴油机大负荷、高速运转工况下，燃油在高压作用下的可压缩性和压力波在油在高压作用下的可压缩性和压力波在高压油路中的传播与反射。高压油路中的传播与反射。 消除二次喷射的措施消除二次喷射的措施 减少高压油路的容积减少高压油路的容积增大喷孔直径增大喷孔直径增大出油阀弹簧刚度与开启压力增大出油阀弹簧刚度与开启压力采用阻尼阀与等压式出油阀采用阻尼

51、阀与等压式出油阀 二次喷射产生的原因二次喷射产生的原因(二二)滴油滴油 在正常喷射结束后，如断油不干脆（油路在正常喷射结束后，如断油不干脆（油路压力下降过慢，针阀不能迅速落座），仍有压力下降过慢，针阀不能迅速落座），仍有少量柴油滴出，称为少量柴油滴出，称为滴油滴油。由于速度、压力。由于速度、压力低，难于雾化，易生成积炭，堵塞喷孔，且低，难于雾化，易生成积炭，堵塞喷孔，且增加排放污染。增加排放污染。(三三)断续喷射断续喷射 由于在某些瞬间喷油泵供油不足，造成喷由于在某些瞬间喷油泵供油不足，造成喷油器针法在喷射过程中周期性跳动，喷油出油器针法在喷射过程中周期性跳动，喷油出现断断续续。现断断续续。燃

52、烧不稳定。燃烧不稳定。(四四)不规则喷射和隔次喷射不规则喷射和隔次喷射供油量过小时，循环喷油量不断变动，甚至供油量过小时，循环喷油量不断变动，甚至不能保证每次循环供油。不能保证每次循环供油。在怠速时容易出现。在怠速时容易出现。 某些工况（低怠速工况）下，当结构参数匹配不某些工况（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当时，循环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异的现象。差异的现象。 测量针阀升程和喷油规律即可加以判定。测量针阀升程和喷油规律即可加以判定。 不齐喷射：针阀开启不足，针阀的跳动无一不齐喷射：针阀开启不足，针阀的跳动无一 定的规律，造成每循环喷

53、油量的变动。定的规律，造成每循环喷油量的变动。 隔次喷射：有的循环针阀不能开启隔次喷射：有的循环针阀不能开启 消除不稳定喷射措施消除不稳定喷射措施 合理选择燃料供给系统的参数合理选择燃料供给系统的参数 具有两级开启压力特性的双弹簧喷油器具有两级开启压力特性的双弹簧喷油器 不稳定喷射原因不稳定喷射原因高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射又采用了较大的出油阀减压力，为防止二次喷射又采用了较大的出油阀减压容积，导致在低怠速工况时，循环供油量少，压容积，导致在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油压低，加之柱塞有

54、效供油行程小，漏油增多，油压低，加之在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压降低并产生周期性的波动，从而使循环喷油量也降低并产生周期性的波动，从而使循环喷油量也相应产生变化。相应产生变化。 (五五) 穴蚀穴蚀在高压油路中压力接近零时，会产生在高压油路中压力接近零时，会产生气穴气穴，它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属表面它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿命。命。当高压油路内压力急剧下降时，溶解在其中的空气先当高压油路内压力急剧下降时，溶解在其中的空气先行析出，随后当压力下降

55、到与其温度相应的饱和蒸气行析出，随后当压力下降到与其温度相应的饱和蒸气压时，高压油路中的燃油开始汽化，两者构成的密集压时，高压油路中的燃油开始汽化，两者构成的密集气泡的现象。气泡的现象。它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿命。表面形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿命。 引起噪声与振动引起噪声与振动; ; 使金属疲劳而剥落，出现穴蚀现象使金属疲劳而剥落，出现穴蚀现象; ; 降低了介质的弹性模数和声速，影响了喷油正时降低了介质的弹性模数和声速，影响了喷油正时与相邻循环的工作稳定性与相邻循环的工作稳定性. .消除穴蚀的措施

56、消除穴蚀的措施 采用等压式出油阀采用等压式出油阀 为为避免异常喷射现象，应尽可能缩短高压避免异常喷射现象，应尽可能缩短高压油管长度，减小高压容积，以减缓压力波动；油管长度，减小高压容积，以减缓压力波动；合理选择喷油系统的参数，如喷油泵柱塞直合理选择喷油系统的参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮型线、出油阀结构及尺寸、出油阀径、凸轮型线、出油阀结构及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷油孔尺减压容积、高压油管内径、喷油器喷油孔尺寸、喷油器开启压力等。如：寸、喷油器开启压力等。如： (1)(1)减少高压油路中的容积减少高压油路中的容积 (2)(2)适当加大喷油器的喷孔直径适当加大喷油器的喷孔直径

57、(3)(3)适当加大出油阀的减压容积适当加大出油阀的减压容积第二节第二节 燃烧与放热燃烧与放热l燃烧过程的特点燃烧过程的特点 1. 1. 高压喷油在高压喷油在气气缸内部形成可燃混合气。缸内部形成可燃混合气。 2. 2. 压缩自燃。压缩自燃。l柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：柴油机的燃烧过程可分为四个阶段： 1 1 着火落后期着火落后期( (又称为滞燃期又称为滞燃期) )； 2 2 速燃期；速燃期； 3 3 缓燃期；缓燃期； 4 4 补燃期补燃期 。一、单油滴燃烧一、单油滴燃烧 Combustion of single dropletCombustion of single droplet Tf

58、 T Ts Y 汽液界面 火焰面 T YO2 T Yfuel Yproducts rs rf r 图图6-1 6-1 单个油滴的着火区域单个油滴的着火区域直径：直径：5 5150um150um( (中间较大中间较大) )T Tc c- -热空气温度；热空气温度；T Tw w- -油滴周围混油滴周围混合气温度；合气温度；C Cu u- -油滴周围混油滴周围混合气浓度；合气浓度；W-W-化学反应速化学反应速度。度。单个油滴的蒸发与燃烧，油滴受周围高温高压空气单个油滴的蒸发与燃烧，油滴受周围高温高压空气的加热，油滴表面被蒸发气化，与空气形成可燃混的加热，油滴表面被蒸发气化，与空气形成可燃混合气。自油

59、滴表面向外，形成很大的混合气浓度和合气。自油滴表面向外，形成很大的混合气浓度和温度梯度。着火始于混合气浓度合适的地方，在油温度梯度。着火始于混合气浓度合适的地方，在油滴周围形成以球状燃烧区，燃油蒸气不断由内侧向滴周围形成以球状燃烧区，燃油蒸气不断由内侧向火焰面扩散，氧气不断有周围向火焰面扩散，在火火焰面扩散，氧气不断有周围向火焰面扩散，在火焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度和氧气浓度均变焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度和氧气浓度均变为为0，而温度达到最高。高温燃烧产物和热量向火焰，而温度达到最高。高温燃烧产物和热量向火焰面两侧扩散，油滴受到火焰传来的热量加速进行蒸面两侧扩散，油滴受到火焰传来的热量加

60、速进行蒸发气化。因此，油滴的扩散燃烧速度完全取决于燃发气化。因此，油滴的扩散燃烧速度完全取决于燃油蒸发和空气向火焰面的扩散速度。这就是为什么油蒸发和空气向火焰面的扩散速度。这就是为什么称为扩散燃烧的原因。称为扩散燃烧的原因。由于火焰面形成的高温气体包围着油滴和油蒸气区，由于火焰面形成的高温气体包围着油滴和油蒸气区，形成了高温缺氧气氛，这是烃燃料裂解反应最有利形成了高温缺氧气氛，这是烃燃料裂解反应最有利的条件，易生成炭烟。的条件，易生成炭烟。形成的燃料蒸气与空气的混合气空燃比要在着形成的燃料蒸气与空气的混合气空燃比要在着火界限内。混合气过浓，氧分子少，混合气过火界限内。混合气过浓，氧分子少，混合