第四章柴油机混合气形成与燃烧第四节柴油机燃烧过程

1、第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程对燃烧过程的要求：对燃烧过程的要求：1.1.完全：完全：燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时改燃烧完全，才能充分利用燃油的热能；同时改善排出废气的成分。善排出废气的成分。2.2.及时：及时：在上止点附近燃烧（即在上止点后在上止点附近燃烧（即在上止点后12121515) )燃燃烧完毕），循环功最多。烧完毕），循环功最多。3.3.正常：正常：正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠的工作正常燃烧，才能保证发动机稳定、可靠的工作一、一、着火条件着火条件 1 1）合适的浓度合适的浓度 在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与

2、空气的比例要在着火界限内。混合气过浓，氧分子少在着火界限内。混合气过浓，氧分子少：混合气过稀混合气过稀，则燃料分子少则燃料分子少。 这两种情况的氧化反应速率都不够，不能着火。着这两种情况的氧化反应速率都不够，不能着火。着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速率增加，反应速率加快，将使着火界限扩大。速率增加，反应速率加快，将使着火界限扩大。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程一、一、着火条件着火条件 2 2）合适的温度）合适的温度 可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，燃料就不能

3、着火。温度，燃料就不能着火。 我们把燃料不用外部点燃而能自已着火的温度称我们把燃料不用外部点燃而能自已着火的温度称为着火温度或自燃温度。不同的燃料其自燃性能是不为着火温度或自燃温度。不同的燃料其自燃性能是不同的。同种燃料在不同的压力下，其自燃性能也是不同的。同种燃料在不同的压力下，其自燃性能也是不同的。同的。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程一、一、着火条件着火条件 第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 第第阶段阶段着火延迟期着火延迟期(AB段段)： 喷入气缸中的雾状柴油并不能喷入气缸中的雾状柴油并不能

4、马上着火燃烧，气缸中的气体温度，马上着火燃烧，气缸中的气体温度，虽然已高于柴油的自燃点，但柴油虽然已高于柴油的自燃点，但柴油的温度不能马上升高到自燃点，要的温度不能马上升高到自燃点，要经过一段物理和化学的准备过程。经过一段物理和化学的准备过程。也就是说，柴油在高温空气的影响也就是说，柴油在高温空气的影响下，吸收热量，温度升高，逐层蒸下，吸收热量，温度升高，逐层蒸发而形成油气，向四周扩散并与空发而形成油气，向四周扩散并与空气均匀混合（物理变化）气均匀混合（物理变化）第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 第第阶段阶段着火延迟期着火延迟期(AB段段)： 随着柴油温度

5、升高，少量的柴油分随着柴油温度升高，少量的柴油分子首先分解，并与空气中的氧分子子首先分解，并与空气中的氧分子进行化学反映，具备着火条件而着进行化学反映，具备着火条件而着火，形成了火源中心，为燃烧作好火，形成了火源中心，为燃烧作好了准备。这一时期很短，一般仅为了准备。这一时期很短，一般仅为 0.00070.00070.003 0.003 秒。秒。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 第第阶段阶段急燃期急燃期（BC阶段）阶段）火源中心已经形成，已准备火源中心已经形成，已准备好了的混合气迅速燃烧，在好了的混合气迅速燃烧，在这一阶段由于喷入的柴油几这一阶段由于喷入的柴

6、油几乎同时着火燃烧，而且是在乎同时着火燃烧，而且是在活塞接近上止点，气缸工作活塞接近上止点，气缸工作容积很小的情况下进行燃烧容积很小的情况下进行燃烧的，因此，气缸内的压力的，因此，气缸内的压力P P迅迅速增加，温度升高很快速增加，温度升高很快。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 第第阶段阶段缓燃期缓燃期（CD段）段） 这一阶段喷油器继续喷这一阶段喷油器继续喷油，由于燃烧室内的温度和油，由于燃烧室内的温度和压力都高，柴油的物理和化压力都高，柴油的物理和化学准备时间很短，几乎是边学准备时间很短，几乎是边喷射边燃烧。但因为气缸中喷射边燃烧。但因为气缸中氧气减少，废

7、气增多，燃烧氧气减少，废气增多，燃烧速度逐渐减慢，气缸容积增速度逐渐减慢，气缸容积增大。所以气缸内压力略有下大。所以气缸内压力略有下降，温度达到最高值，通常降，温度达到最高值，通常喷油器已结束喷油。喷油器已结束喷油。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 第第阶段阶段补燃期补燃期或称后燃期或称后燃期（DE段）段）这一时期，虽然不喷油，但仍这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部分柴油没有燃烧完，有一少部分柴油没有燃烧完，随着活塞下行继续燃烧。后燃随着活塞下行继续燃烧。后燃期没有明显的界限，有时甚至期没有明显的界限，有时甚至延长到排气冲程还在燃烧。后延长到排气冲程还在燃

8、烧。后燃期放出的热量不能充分利用燃期放出的热量不能充分利用来做功，很大一部分热量将通来做功，很大一部分热量将通过缸壁散至冷却水中，或随废过缸壁散至冷却水中，或随废气排出，使柴油机过热，排气气排出，使柴油机过热，排气温度升高，造成柴油机动力性温度升高，造成柴油机动力性下降，经济性下降。因此，要下降，经济性下降。因此，要尽可能地缩短后燃期。尽可能地缩短后燃期。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程二、燃烧过程二、燃烧过程 三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 着火延迟期着火延迟期过长过长，在这个时间内喷入气缸的燃油，在这个时间内喷入气缸的燃油过多，使着火前形成的可燃混合

9、气增多，这些燃料在过多，使着火前形成的可燃混合气增多，这些燃料在第二阶段几乎一起燃烧，使压力升高率和最高燃烧压第二阶段几乎一起燃烧，使压力升高率和最高燃烧压力较高，运动零件受强烈的冲击载荷，发动机运转粗力较高，运动零件受强烈的冲击载荷，发动机运转粗暴。暴。 着火延迟期着火延迟期过短过短，则燃料与空气尚未充分混合即，则燃料与空气尚未充分混合即开始燃烧，燃烧速度缓慢，有不完全燃烧产生。开始燃烧，燃烧速度缓慢，有不完全燃烧产生。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程 为了保证有较好的功率和经济性指标为了保证有较好的功率和经济性指标, ,一般希望一般希望在上止前在上止前10-1510-15开始

10、着火燃烧开始着火燃烧, ,以保证燃烧产生最高以保证燃烧产生最高压力出现于上止点后约压力出现于上止点后约10-1510-15, ,保证燃烧在上止点附保证燃烧在上止点附近完成。近完成。 第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 着火延迟可用延迟角着火延迟可用延迟角i i、延迟时间、延迟时间i i表示。表示。 比如着火延迟角是比如着火延迟角是i i =36=36，而此时转速是，而此时转速是20002000转转/ / 分，请问分，请问 i i= =？ 影响着火延迟期的因素影响着火延迟期的因素： 1. 1.燃油性能燃油性能 十六为烷值是柴油发

11、火性能的重要指标。十六为烷值是柴油发火性能的重要指标。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 2 2. .压缩比压缩比十六烷值为十六烷值为40十六烷值为十六烷值为60第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 2 2. .压缩比压缩比压缩温度的影响压缩温度的影响第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 3.3.喷油提前角喷油提前角 试验发现试验发现, ,某柴油某柴油机在转速机在转速1000rpm1000rpm时

12、时, ,供油提前角为供油提前角为10-1510-15时着火延迟时间最短时着火延迟时间最短. . 供油提前角变化将影供油提前角变化将影响着火延迟时间的变响着火延迟时间的变化化. .第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 同样的发动机同样的发动机, ,怠速怠速300rpm300rpm时时, ,供供油角为油角为5-105-10时着时着火延迟时间最短火延迟时间最短. . 说明不光供油说明不光供油角角, ,转速也会影响转速也会影响着火延迟时间着火延迟时间. . 3.3.喷油提前角喷油提前角第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三

13、、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响提高转速可以增强进气涡流。提高转速可以增强进气涡流。气流运动可提高燃料的蒸发和雾化速度。气流运动可提高燃料的蒸发和雾化速度。由于活塞运动速度加快，循环漏气量减少，传热由于活塞运动速度加快，循环漏气量减少，传热量减少，提高了压缩终了的温度和压力。量减少，提高了压缩终了的温度和压力。 综上所述综上所述, ,转速提高能缩短着火延迟时间转速提高能缩短着火延迟时间i i 。 4.4.转速的影响转速的影响第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响问题来了问题来了: :转速提高了转速提高了, ,i

14、i 缩短了缩短了, , i i变小了变小了吗吗? ? 比如比如:1000rpm:1000rpm时时, , i i = 3ms; = 3ms; i i =? =? 2000rpm 2000rpm时时, , i i = 2ms; = 2ms; i i =? =? 2418iin6 4.4.转速的影响转速的影响第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响随着转速的提高，供油提随着转速的提高，供油提前角应适当加大前角应适当加大。左图是某发动机试验的数据左图是某发动机试验的数据从图中可以看出：随着转速从图中可以看出：随着转速上升，延迟时间缩短，但

15、延上升，延迟时间缩短，但延迟角却增大了。迟角却增大了。但我们还是希望在上止点前但我们还是希望在上止点前10-15着火，怎么办呢？着火，怎么办呢？彩色实线是涡流室式发动机彩色实线是涡流室式发动机的试验数据，情况与直喷式的试验数据，情况与直喷式有不同。对于这个情况又如有不同。对于这个情况又如何处理？何处理？ 4. 4.转速的影响转速的影响 对于柴油机而言，在其某一转速都有对于柴油机而言，在其某一转速都有一个最佳的供油提前角。一个最佳的供油提前角。 在这个角度，才能发出最大的功率，在这个角度，才能发出最大的功率，并具最佳经济性能。这个最佳的角度大小并具最佳经济性能。这个最佳的角度大小是随着转速的变化

16、而变化的。是随着转速的变化而变化的。 所以，柴油机上一般都装供油提前角所以，柴油机上一般都装供油提前角自动调节装置。自动调节装置。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 5.5.负荷的影响负荷的影响 负荷加大，油量加大，放热量负荷加大，油量加大，放热量增加，缸内温度升高，着火延迟将增加，缸内温度升高，着火延迟将缩短。缩短。但当油量增加时，所需要的但当油量增加时，所需要的燃烧时间也会延长，补燃期会相应燃烧时间也会延长，补燃期会相应增加。增加。 最终效果是，燃料烧完的时最终效果是，燃料烧完的时间拖后了。间拖后了。 第四节第四节 柴油机

17、的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 5.5.负荷的影响负荷的影响怎么办呢？怎么办呢？所以应适当加大供油提前，才能使所以应适当加大供油提前，才能使燃烧在规定的时间内完成。燃烧在规定的时间内完成。 通常的柴油机设有负荷调节供通常的柴油机设有负荷调节供油前角的装置。油前角的装置。 第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响 6. 6.增压的影响增压的影响 柴油机增压后，进柴油机增压后，进入气缸的空气密度增加，入气缸的空气密度增加，而且压缩终了的压力和而且压缩终了的压力和温度增加，着火延迟时温度

18、增加，着火延迟时间缩短。间缩短。第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程三、三、着火延迟对着火延迟对燃烧过程的影响燃烧过程的影响1.1.喷油规律喷油规律第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响1.1.喷油规律喷油规律第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响哪些因素对喷油规律有影响？哪些因素对喷油规律有影响？凸轮的形状凸轮的形状喷油器的结构喷油器的结构针阀的惯性（惯量大小）针阀的惯性（惯量大小）高压油管的刚度、长度和弯曲程度高压

19、油管的刚度、长度和弯曲程度1.1.喷油规律喷油规律第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响现代电喷柴油机喷射新技术现代电喷柴油机喷射新技术 随着电控喷油技术的发展，可以对喷油规律进随着电控喷油技术的发展，可以对喷油规律进行更精确的控制。行更精确的控制。 现代电喷柴油机喷射新技术现代电喷柴油机喷射新技术预喷射或先导喷射，预喷射或先导喷射，能够缩短滞燃期并能够缩短滞燃期并提高缸内的局部湍提高缸内的局部湍流，从而能有效降流，从而能有效降低噪声与低噪声与NONOX X的排的排放。放。微量后喷射，其目的微量后喷射，其目的是

20、加速后期燃烧，同是加速后期燃烧，同时提高排气温度，以时提高排气温度，以更好消除更好消除COCO和和HCHC，并，并降低烟度。降低烟度。供油提前角的变化对示供油提前角的变化对示功图的影响如右图：功图的影响如右图：1 1较大；较大；2 2适中；适中；3 3较小较小2.2.供油提前角供油提前角第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响 供油提前角供油提前角过大过大，燃料将喷入压力和温度较低的，燃料将喷入压力和温度较低的压缩空气中，使着火延迟期延长，导致压力升高率压缩空气中，使着火延迟期延长，导致压力升高率及最高压力的上升

21、，柴油机工作粗暴，并增加压缩及最高压力的上升，柴油机工作粗暴，并增加压缩负功，使功率下降，油耗上升，且造成怠速不稳和负功，使功率下降，油耗上升，且造成怠速不稳和难以起动。难以起动。 供油提前角供油提前角过小过小，则补燃增加，导致排气温度，则补燃增加，导致排气温度上升，热损失增加，热效率下降。上升，热损失增加，热效率下降。 2.2.供油提前角供油提前角第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响对每一种柴油机的某种工况，对每一种柴油机的某种工况，均有一最佳的供油提前角，均有一最佳的供油提前角，此时功率最高，燃料消耗率此时功率最高，燃料消耗率最低。最低。 最佳供油提前角不是一最佳供油提前角不是一个常数，它随着发动机的工个常数，它随着发动机的工况（转速、负荷等）的变化况（转速、负荷等）的变化而变化。而变化。2.2.供油提前角供油提前角第四节第四节 柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响四、燃油系统参数及其对柴油机性能的影响（1 1）喷孔尺