汽车发动机原理6章2(王建昕)

1、Department of Automotive EngineeringTsinghua University第6章 燃烧的基础知识6.1 燃烧现象及其分类燃烧现象及其分类6.2 可燃混合气的着火与着火理论可燃混合气的着火与着火理论6.3 湍流及其在燃烧中的作用湍流及其在燃烧中的作用6.4 均质混合气中的火焰传播均质混合气中的火焰传播6.5 液体燃料的雾化与喷雾特性液体燃料的雾化与喷雾特性6.6 油滴的蒸发与燃烧油滴的蒸发与燃烧6.7 示功图与燃烧放热率示功图与燃烧放热率Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.5 液体燃

2、料的雾化与扩散燃烧液体燃料的雾化与扩散燃烧6.5.1 液体燃料的喷射雾化液体燃料的喷射雾化特征：特征： 高压、高速、高湍流度；高压、高速、高湍流度； 20MPa 200MPa汽油多孔喷射的高速摄影（喷压汽油多孔喷射的高速摄影（喷压10MPa）0.12ms0.63ms0.38ms液体燃料的喷射与雾化液体燃料的喷射与雾化Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.5.1 6.5.1 液体燃料的喷射雾化液体燃料的喷射雾化1 1、喷雾过程：、喷雾过程： 2 2阶段阶段 = = 液柱阶段液柱阶段 + + 分裂雾化阶段分裂雾化阶段 （3

3、 3阶段阶段 = = 液柱液柱 + + 分裂分裂 + + 雾化）雾化）特性指标：特性指标： 喷雾特性（空间特性）喷雾特性（空间特性） 贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径；贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径； 喷油特性（时间特性，见喷油特性（时间特性，见7章）章）液体燃料的喷射与雾化液体燃料的喷射与雾化 喷雾初速度喷雾初速度： （6-10）CF流通系数，流通系数，pj 喷油压力，喷油压力，pc周围周围空气压力，空气压力，f燃油密度燃油密度fcjFj0)(2ppCuDepartment of Automotive EngineeringTsinghua University液体分裂过程液体分裂过程2 2、液滴

4、破碎：、液滴破碎：20audWe液液滴滴内内力力作作用用于于液液滴滴表表面面的的外外力力2ac0maxuWed硶可法、姚强等，硶可法、姚强等，燃烧理论与污染控制燃烧理论与污染控制，机械工业出版社，机械工业出版社，20082008年年外力：外力：推进力、空气阻力、重力推进力、空气阻力、重力内力：表面张力、内力：表面张力、内摩擦力（粘度）内摩擦力（粘度）液滴破裂准则：液滴破裂准则： 维伯（Weber）函数液滴粒径（最大）液滴粒径（最大）液滴破碎条件：液滴破碎条件：外力外力 与与 内力内力 不平衡不平衡6.5.1 6.5.1 液体燃料的喷射雾化液体燃料的喷射雾化Department of Autom

5、otive EngineeringTsinghua University1、贯穿距离、贯穿距离计算方法计算方法（孔式，半经验）孔式，半经验）（基于高压容器模拟结果）（基于高压容器模拟结果） 液柱阶段（液柱阶段（0ttb） 分裂雾化阶段分裂雾化阶段（t tb ） 由于高温导致气体粘性和阻力增大、燃由于高温导致气体粘性和阻力增大、燃油蒸发加快等，实际贯穿距离应更短一些。油蒸发加快等，实际贯穿距离应更短一些。 tppL2/ 1fcjp239. 02/ 104/ 1acjp95. 2tdppL喷雾贯穿距离喷雾贯穿距离6.5.2 6.5.2 喷雾特性喷雾特性Department of Automotiv

6、e EngineeringTsinghua University贯穿率：贯穿率： 喷油持续期内的贯穿距离与喷孔至喷油持续期内的贯穿距离与喷孔至壁面的距离之比。壁面的距离之比。 静止空气，静止空气，1 强涡流，强涡流， 1 撞击喷雾，撞击喷雾， 1液体燃料的喷射与雾化液体燃料的喷射与雾化6.5.2 6.5.2 喷雾特性喷雾特性Department of Automotive EngineeringTsinghua University2、喷雾锥角、喷雾锥角计算方法计算方法（孔式，半经验，基于高压容器模拟结果）（孔式，半经验，基于高压容器模拟结果）液体燃料的喷射与雾化液体燃料的喷射与雾化25. 0

7、2a20acj05. 0dpp6.5.2 6.5.2 喷雾特性喷雾特性喷油压力喷油压力pj pj ， ；喷孔直径喷孔直径d0d0 ， ；空气密度空气密度a a ， 。主要因为，喷孔附近湍流强度升高。主要因为，喷孔附近湍流强度升高。Department of Automotive EngineeringTsinghua University3、喷雾粒径、喷雾粒径 平均粒径：平均粒径： 所有油粒直径的算术平均值，所有油粒直径的算术平均值，索特直径索特直径(Sauter) SMD、D32 所有油粒总体积与总面积之比。所有油粒总体积与总面积之比。 SMD的半经验公式，的半经验公式，粒径分布粒径分布 如

8、图所例如图所例喷雾粒径分布的三种方式喷雾粒径分布的三种方式131. 0b121. 0a135. 0cj23.9SMDgppi2ii3iSMDndnd6.5.2 6.5.2 喷雾特性喷雾特性Department of Automotive EngineeringTsinghua University1 1、静止空气中的液滴蒸发与燃烧、静止空气中的液滴蒸发与燃烧：fv20fvKdT f0mfv4dqK 单个液滴的蒸发与燃烧模型单个液滴的蒸发与燃烧模型6.6 油滴的蒸发与燃烧油滴的蒸发与燃烧喷雾喷雾 蒸发蒸发 混合混合 燃烧燃烧 完全蒸发时间完全蒸发时间蒸发常数蒸发常数q qm m：蒸气向外对流量：

9、蒸气向外对流量着火前，着火前，T T、aa的分布；的分布；燃烧发生在火焰锋面（当量比）燃烧发生在火焰锋面（当量比）锋面上，锋面上，C Cf f和和C Co o为零，为零，T T达到最高达到最高Department of Automotive EngineeringTsinghua University2 2、强迫气流中液滴的蒸发、强迫气流中液滴的蒸发：气流速度对液滴蒸发的影响气流速度对液滴蒸发的影响6.6 油滴的蒸发与燃烧油滴的蒸发与燃烧（强迫对流时的液滴蒸发公式，（强迫对流时的液滴蒸发公式，不要求完全掌握）不要求完全掌握）随气流变强，燃料蒸气区变薄；随气流变强，燃料蒸气区变薄；很强气流时，液

10、滴与蒸气区脱离很强气流时，液滴与蒸气区脱离对燃烧性能的影响：对燃烧性能的影响：静止气流时：静止气流时： 扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟；扩散燃烧特征，高温缺氧燃烧，易生碳烟；强迫气流时：强迫气流时： 预混合燃烧特征，碳烟生成趋势逐渐减弱。预混合燃烧特征，碳烟生成趋势逐渐减弱。Department of Automotive EngineeringTsinghua University6.7 燃烧放热规律燃烧放热规律燃烧过程的研究手段：燃烧过程的研究手段：1、示功图、示功图 p-v图、图、p-图图2、燃烧放热速率、燃烧放热速率 （Rate of Heat Release) 单位单位Kmol

11、混合气在单位时间（或单位混合气在单位时间（或单位曲轴转角）的燃烧放热量称为燃烧放热曲轴转角）的燃烧放热量称为燃烧放热速率；速率；也称为也称为瞬时放热率瞬时放热率示功图测试系统示功图测试系统Department of Automotive EngineeringTsinghua University由：由： U=m Cv T ， pv = m R T， Cv = R/（k-1）得：式（得：式（5-15），）， 应用示功图的应用示功图的P（），逐点迭代，算出），逐点迭代，算出dQB/dwwt2Bdd1VddVddV11ddQTTFkkpkppkwwtWddQTTF6.7 燃烧放热规律燃烧放热规律燃

12、烧放出的热量一部分传给工质，用于增加工质的内能和对外作功，一燃烧放出的热量一部分传给工质，用于增加工质的内能和对外作功，一部分通过燃烧室壁面散失到冷却水中，根据热力学第一定律有：部分通过燃烧室壁面散失到冷却水中，根据热力学第一定律有：wwBQWUQQQd/dd/dd/dwBQQQDepartment of Automotive EngineeringTsinghua University3、累计放热率、累计放热率 由燃烧始点由燃烧始点b至某一时刻至某一时刻i为止，已为止，已发生的全部燃烧放热量与发生的全部燃烧放热量与循环放热量循环放热量QB0之比称为之比称为累积放热率累积放热率X，或称，或称累

13、积放热百累积放热百分比分比；特征值：特征值：放热的放热的始点始点、终点终点、持续期持续期、峰峰值值、形状形状、 x%累计放热的时间累计放热的时间 X = 5%，着火阶段结束，着火阶段结束 X = 50%，前期燃烧结束，前期燃烧结束 X = 95%，主要燃烧过程结束，主要燃烧过程结束-40-20020406080100-20020406080100-40-2002040608010002468-40-20020406080100-20020406080100 累积放热率累积放热率( (% %) )燃烧放热率燃烧放热率( (KJ/KJ/m m3 3deg）deg）TDC压力升高率压力升高率最高爆压

14、最高爆压曲轴转角 (CA)曲轴转角 (CA)缸压缸压(MPa)(MPa)着火始点着火始点 6.7 燃烧放热规律燃烧放热规律Department of Automotive EngineeringTsinghua University第第6章要点章要点1、两种基本燃烧方式、及其特征对比；、两种基本燃烧方式、及其特征对比；2、两种基本着火理论、及其影响因素；、两种基本着火理论、及其影响因素；3、预混合燃烧的火焰传播特性、及其影响因素；、预混合燃烧的火焰传播特性、及其影响因素；4、喷雾过程与喷雾特性（三项指标、油滴破碎机里）；、喷雾过程与喷雾特性（三项指标、油滴破碎机里）；5、 油滴和油滴群的蒸发与

15、燃烧；油滴和油滴群的蒸发与燃烧；6、燃烧放热规律的概念、公式、分析。、燃烧放热规律的概念、公式、分析。Department of Automotive EngineeringTsinghua University第第6章作业章作业题题6-106-10题题6-126-12题题6-136-134. 4. 由热力学第一定律推导燃烧放热速率的计算公式，要注明由热力学第一定律推导燃烧放热速率的计算公式，要注明各计算参数的量纲。各计算参数的量纲。Department of Automotive EngineeringTsinghua University第第5章复习思考题章复习思考题1、为什么说内燃机中燃

16、料的燃烧都是气态燃烧？燃烧的实质是什么？燃烧为什么说内燃机中燃料的燃烧都是气态燃烧？燃烧的实质是什么？燃烧过程由哪几个阶段组成？过程由哪几个阶段组成？2、何谓可燃混合气的着火？自燃着火与点燃着火有哪些差别？何谓可燃混合气的着火？自燃着火与点燃着火有哪些差别？3、利用热着火理论，分析说明：为什么存在不着火区？为什么有可燃混合利用热着火理论，分析说明：为什么存在不着火区？为什么有可燃混合气着火的浓限与稀限？此界限与何种因素有关？气着火的浓限与稀限？此界限与何种因素有关？4、分析、分析说明紊流火焰传播速度大大高于层流火焰传播速度的原因。说明紊流火焰传播速度大大高于层流火焰传播速度的原因。5、描述高压

17、喷雾油束的几何形状与其内油粒大小和分布的特点，并指出贯描述高压喷雾油束的几何形状与其内油粒大小和分布的特点，并指出贯穿特性与雾化特性有哪些评价指标？它们对柴油机性能会产生什么影穿特性与雾化特性有哪些评价指标？它们对柴油机性能会产生什么影响？响？；6、实际柴油机为液滴群着火，其初期着火点在何处？液滴群的两个阶段燃实际柴油机为液滴群着火，其初期着火点在何处？液滴群的两个阶段燃烧指的是什么？属于何种类型燃烧？各有何特点？烧指的是什么？属于何种类型燃烧？各有何特点？7、分析影响最小点火能量分析影响最小点火能量Eb大小的因素；并比较分析过量空气系数对大小的因素；并比较分析过量空气系数对Eb 、着火界限、

18、层流火焰传播速度影响的异同。着火界限、层流火焰传播速度影响的异同。Department of Automotive EngineeringTsinghua University第第5章作业章作业何谓可燃混合气的着火？自燃着火与点燃着火有那些差别？何谓可燃混合气的着火？自燃着火与点燃着火有那些差别？缸径为缸径为100 mm100 mm的四气门进气道喷射汽油机，在转速为的四气门进气道喷射汽油机，在转速为3000 r/min3000 r/min时，时，燃烧过程在上止点前后燃烧过程在上止点前后5050度曲柄转角内完成。请问这时缸内的火焰传度曲柄转角内完成。请问这时缸内的火焰传播速度是多少？是层流火焰还

19、是湍流火焰？播速度是多少？是层流火焰还是湍流火焰？某一某一2.8升的4 4缸柴油机的喷油器喷孔为缸柴油机的喷油器喷孔为4 40.2mm, 0.2mm, 最大转矩最大转矩(1400r/min)(1400r/min)时的平均有效压力为时的平均有效压力为0.75MPa, 0.75MPa, 有效燃油消耗率为有效燃油消耗率为220g/kWh220g/kWh，该工况下喷油时的汽缸压力为，该工况下喷油时的汽缸压力为2.5MPa2.5MPa。试计算喷油压力分。试计算喷油压力分别为别为5050、9090、130MPa130MPa时的喷雾分裂距离和分裂时间，以及喷油后时的喷雾分裂距离和分裂时间，以及喷油后20 C

20、A20 CA时的贯穿距离、喷雾锥角、时的贯穿距离、喷雾锥角、SauterSauter粒径；并分析喷油压力对喷雾特性粒径；并分析喷油压力对喷雾特性的影响。假设此工况条件下，柴油密度为的影响。假设此工况条件下，柴油密度为850 kg/m3850 kg/m3，空气密度为，空气密度为11.85 kg/m311.85 kg/m3，空气粘度为，空气粘度为3.563.5610-5kg/m.s10-5kg/m.s。( (注意公式单位注意公式单位: Lp: Lpm; m; tbtbms; SMDms; SMDm; m; 基于高压容器模拟结果基于高压容器模拟结果) )4. 4. 由热力学第一定律推导燃烧放热速率的计算公式，要注明各计算参数的由热力学第一定律推导燃烧放热速率的计算公式，要注明各计算参数的量纲。量纲。Department of Automotive EngineeringTsinghua University小测验小测验判断以下说法的正确性（错误打判断以下说法