柴油机混合气的形成及燃烧

1、第五章 柴油机混合气的形成及燃烧9/22/2022南京航空航天大学金城学院 柴油的特点是较难挥发、较难点燃和较易自燃，因此，适用于压燃式发动机。 柴油机的着火是多点、不受控制的爆炸性燃烧，爆发压力高，燃烧噪声大，工作粗暴。柴油机的混合气形成条件恶劣，除了时间短之外，空间上周向与径向混合不均匀，时间上边混合、边燃烧、交叉进行。9/22/2022南京航空航天大学金城学院1、着火延迟期 一、柴油机燃烧过程概述 5-1 柴油机的燃烧过程 着火延迟期也称为滞燃期。 混合气准备的物理和化学过程。9/22/2022南京航空航天大学金城学院2、速燃期 着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧。 应控制压力升

2、高率，防止工作粗暴。 柴油机p/不大于0.4-0.5MPa/(CA)的范围内。9/22/2022南京航空航天大学金城学院3、 缓燃期 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。9/22/2022南京航空航天大学金城学院4、补燃期 尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。 补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以补燃期应尽可能地缩短。9/22/2022南京航空航天大学金城学院缩短补燃的措施：加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，

3、减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近基本完成。9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院二、 着火延迟期对柴油机性能的影响 期间喷入缸内的燃料量 着火前可燃混合气量 ，Pmax。Pmax 冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 混合气形成欠佳 柴油机性能9/22/2022南京航空航天大学金城学院 当i过大时，前期喷入的燃料量增加，使速燃期内的压力迅速增高，因其发动机工作粗暴，振动噪声增加，燃烧难以控制。 i过小时，对混合气形成不利，性能恶化。总体来说为控制燃烧过程，降低机械负荷使发动机平稳运转，应尽量减小滞燃期。总结：9/

4、22/2022南京航空航天大学金城学院 压缩温度和压力 、 喷油提前角、转速N、 十六烷值、增压三、影响 着火延迟期因素9/22/2022南京航空航天大学金城学院随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。温度压力是影响滞燃期的直接因素，其他一些因素是通过压缩温度和压力而间接影响滞燃期的。1、温度和压力：9/22/2022南京航空航天大学金城学院高转速时最佳喷油角低转速时最佳喷油角2、喷油提前角最大的影响因素。 高转速时最佳喷油角低转速时最佳喷油角 着火时刻推迟，使燃烧 Tc，Pc i （燃料进入气缸时空气温度和压力低）Tc，Pc i 9/22/2022南京航空航天大学金城学院 3、转速： n 漏气、

5、散热损失 Pc，Tc 喷油压力 雾化 i ；n气流运动 蒸发 混合气形成好转 i 。 但n 着火延迟期9/22/2022南京航空航天大学金城学院4、增压增压 Pc ，Tc i 9/22/2022南京航空航天大学金城学院5、 十六烷值 十六烷值 柴油的自燃性 缸内p，T大时， i影响不大； 缸内p，T小时 i 。6、 压缩比 Tc，Pc i 9/22/2022南京航空航天大学金城学院四、燃烧过程中要注意的问题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：1）促进混合气的形成 结构上，促进缸内的涡流运动2）供给较多的空气。 大于1，一般取1.3，但至

6、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。9/22/2022南京航空航天大学金城学院2、工作粗暴，燃烧噪声较大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：缩短着火延迟时间，减少滞燃期内的喷油量，减少滞燃期内形成可燃混合气的数量。但和动力性相矛盾。9/22/2022南京航空航天大学金城学院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，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。3、排气冒黑烟主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。9/22/202

7、2南京航空航天大学金城学院暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。4、排气冒蓝烟、白烟 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出不同的颜色，白烟是由0.61m的颗粒构成，而蓝烟是由0.6m以下的颗粒构成。9/22/2022南京航空航天大学金城学院 为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化规律放热规律。从宏观上分析燃烧组织情况，判断进行的是否完善。 五、燃烧放热规律9/22/2022南京航空航天大学金城学院瞬时放热速率: 在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（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: 从燃烧

8、过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。燃烧放热规律是指瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。9/22/2022南京航空航天大学金城学院汽油机放热速率最大值最高，燃烧持续期较短，但初始放热速率较低，燃烧噪声低，工作平稳。直喷式柴油机初始放热速率最高，燃烧噪声大，工作粗暴。同样压缩比情况下后燃损失较汽油机大，热效率低。分隔式柴油机初始放热率低，燃烧噪声低，工作平稳，但燃烧持续角较长，热效率低，燃油经济性差。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院较理想的柴油机燃烧放热规律 有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。 开始放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压力升高

9、率。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。燃烧持续时间不宜过长。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院燃烧起点、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。9/22/2022南京航空航天大学金城学院一 、供油系统和喷射过程1、 供油系统的组成 油箱 输油泵 滤油器 低压油管 喷油泵 高压油管 喷油器 （喷油嘴） 5-2 燃油喷射和雾化 9/22/2022南京航空航天大学金城学院2、 喷油过程柱塞式喷油泵。9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院3、 喷油延迟时

10、间 从喷油泵内燃油顶开出油阀进入高压油管至油压压开喷油嘴针阀的时间。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院 4、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 9/22/2022南京航空航天大学金城学院 定义： 供油规律：单位时间内喷油泵的供油量随时间的变化关系。 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。5、供油规律和喷油规律 9/22/2022南京航空航天大学金城学院两者的差异： 喷油始点滞后于供油始点 喷油持续时间较长 最大喷油速率较低 曲线的形状有一定的变化 产生差异的原因： 燃油的可压缩性 系统内产生压力波

11、的传播 高压油管的弹性变形9/22/2022南京航空航天大学金城学院6、不正常喷射现象1） 二次喷射 高压油管内压力波引起。 喷射时间 雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污，炭烟，零件过热。解决办法：是增加出油阀的减压容积，但过大会造成高压油管穴蚀；增大出油阀开启压力，但过大会造成低速、小负荷时喷射不正常；缩短高压油管长度等。9/22/2022南京航空航天大学金城学院2）滴油现象 在喷油器针阀密封正常的情况下，由于喷射终了阶段燃油压力下降过慢造成针阀不能快速落座，出现滴油现象，导致碳烟增多，并容易引起喷孔积碳堵塞。解决办法仍是加大出油阀的减压容积，增加针阀的弹簧刚度、减小针阀往复惯性质量、减小

12、喷孔截面积等。3） 断续喷射 进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。 喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。9/22/2022南京航空航天大学金城学院4)不规则喷射和隔次喷射 喷油泵供油量过小时，循环喷油量不断变动，称为不规则喷射，极端情况下出现有的循环不喷油的现象，称为隔次喷射。发动机怠速工况下极易出现这种不正常喷射现象，造成怠速游车。解决办法：有出油阀削扁等措施。9/22/2022南京航空航天大学金城学院正常与不正常喷射比较9/22/2022南京航空航天大学金城学院5）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

13、力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，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。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院7、对喷射系统的要求1）在任一工况下都不出现不正常喷射现象，不产生穴蚀破坏。2）根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量。3）尽可能实现理想的喷油规律。 4）良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求。5）对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，同时注意降低喷射系统的噪声与振动。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院 更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷油持续

14、时间已是技术发展的一个明显趋势。 为避免柴油机工作过于粗暴，又希望实现“先缓后急”的喷油规律。 在所有的工况下都希望在喷射结束阶段能尽可能迅速地结束喷射。理想的喷油规律：9/22/2022南京航空航天大学金城学院二 、喷油泵速度特性及其校正1、 节流作用 理论上 （不存在节流） 实际上 （存在节流） 所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。9/22/2022南京航空航天大学金城学院2、 喷油泵速度特性 每循环供油量随转速n的变化关系。 n 节流作用 循环供油时间 循环供油量 g3、 车用的适应性车用 希望n g 喷油泵速度特性 n g 因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正。9/22

15、/2022南京航空航天大学金城学院正校正车用高速柴油机，首先必须保证高速标定工况时的供油量匹配（不冒黑烟），中间转速时为保证最大扭矩需要多供油，喷油泵随转速降低而使齿秆位移增大，多供油。负校正在低转速工况下，充气效率下降，气缸内空气涡流运动很弱，若为保证最大扭矩而使低速工况供油量过多就容易冒黑烟，必须在低速时减少供油量。即喷油泵随转速降低而使齿秆位移减小，少供油。4、 校正1 出油阀校正2 调速器校正9/22/2022南京航空航天大学金城学院一、柴油机混合气形成特点和方式混合气形成特点混合气形成时间短；燃料的蒸发性差；柴油难以彻底雾化，必须采用较大的过量空气系数，才能燃烧得较完全。（非增压：=

16、1.21.4;增压:=1.72.2）5-3 混合气的形成和燃烧室9/22/2022南京航空航天大学金城学院混合气形成的基本方式（1）空间雾化混合方式将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相对运动和扩散，形成可燃混合气的方法称为空间雾化混合。燃油与空气之间的相对运动速度是影响燃油雾化的主要因素。混合气形成的极度不均匀性。9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院提高空间雾化混合方式可燃混合气形成质量的方法(“油找气”)：提高喷油压力、减小喷孔直径，增加了燃油喷射初速度，改善了燃油雾化特性，改善了径向混合不均匀现象。在每循环喷油量一定的条件下，

17、减小喷孔直径意味着增加了喷孔数目，改善了周向混合不均匀现象。9/22/2022南京航空航天大学金城学院 空间雾化混合方式的优缺点：优：对燃油喷射系统要求高，喷孔数目多，喷射压力高，雾化质量好。发动机冷起动容易，燃油经济性好。缺：着火延迟期内形成的可燃混合气数量多，始燃量大，压力升高率高，燃烧噪声大，发动机工作粗暴。9/22/2022南京航空航天大学金城学院（2）油膜蒸发混合方式9/22/2022南京航空航天大学金城学院 油膜蒸发混合方式的优缺点：缺：着火延迟期内壁面油膜蒸发主要受壁面温度影响，因而冷起动困难。优：1）着火延迟期内形成的均匀可燃混合气数量少，即始燃量少，燃烧噪声小，工作柔和。 2

18、）要求进气道组织强烈的进气涡流。 3）对燃油系统要求不高，一般是单孔或双孔喷油嘴，喷油压力低，喷孔直径较大。9/22/2022南京航空航天大学金城学院二、缸内气流运动涡流挤流滚流湍流9/22/2022南京航空航天大学金城学院（1）进气涡流 在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院进气涡流的作用（“气找油”）扩大了油束与空气的扩散范围，改善了周向混合不均匀性。涡流太弱，油束扩散范围不够；涡流过强，相邻油束出现重叠现象，导致局部严重过浓缺氧燃烧，柴油机排气冒黑烟。9/22/2022南京航空航天大学金城学院进气涡流的“热混合”作用改善了径向混合

19、不均匀性：在空气旋流场中运动的质点受到离心力和压力差的作用；高速摄影表明：火焰呈螺旋状向内卷吸运动； 进气涡流产生的方法有平直气道带导气屏、切向气道和螺旋气道三种方法。9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院进气道的结构类型平直无旋进气道：气门出口速度均布（水平方向速度分量）。 对气缸中心取角动量矩。显然，顺时针方向的角动量矩之和与逆时针方向的角动量矩之和为零，不产生进气涡流。a）平直无旋流进气道9/22/2022南京航空航天大学金城学院带导气屏（注意位置）的进气道：使气门出口速度分布极不均匀，造成对气缸轴线的顺时针方向的角动量矩很大，产生旋转气流。

20、9/22/2022南京航空航天大学金城学院切向气道：气道几何形状比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入气缸，从而造成气门出口处速度分布极不均匀，它相当于在平直无旋流气道速度分布图的基础上加一个沿切向气道方向的速度分量v。9/22/2022南京航空航天大学金城学院螺旋进气道：d）螺旋进气道 在进气道内就形成绕气道轴线旋转的旋转气流，它相当于在平直无旋流气道速度分布图的基础上加一个切向速度分量，因此气门出口处速度分布较均匀。9/22/2022南京航空航天大学金城学院不同进气道的比较：通过改变导气屏的包角和安装位置，可调节涡流强度。因此，带导气屏的进气道适合于试验研究用。螺旋进气道

21、气门出口处速度分布较均匀，在气门升程很小时流量系数就远远高于切向进气道，当进气涡流运动较强时也能保持很高的流量系数，适合于对进气涡流要求高的柴油机。螺旋进气道与切向进气道不同，对气道泥芯位置不敏感（正涡流与反涡流的概念），降低了铸造工艺的要求，但螺旋进气道的设计和模具制造很复杂。9/22/2022南京航空航天大学金城学院（2）挤流 在压缩后期活塞表面的某一部分和缸盖之间挤压气体，产生径向或横向气流运动，称为挤流；9/22/2022南京航空航天大学金城学院 挤流强度由挤气面积和挤气间隙大小决定。 通常采用缩口形燃烧室 利用逆挤流有助于将燃烧室内的混合气流出，使其进一步和气缸内的空气混合燃烧，对改

22、善燃烧和降低排放十分有利。9/22/2022南京航空航天大学金城学院定义：在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织大尺寸空气涡流。 （3）滚流 应用：滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少，当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，提高火焰传播速率，改善发动机性能。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院（4）湍流 基本特征在于其具有随机性质的涡旋结构，以及这些涡旋在流体内部的随机运动，湍流能引起相邻各层流体间动量、温度、浓度等的交换和脉动。 湍流结构十分复杂，内燃机中可燃混合气的湍流特性对燃烧速度和火焰传播有着十分重要

23、的影响.定义：在气缸中形成随机的有旋的三维非定常气体运动； 9/22/2022南京航空航天大学金城学院三、柴油机燃烧室 柴油机燃烧室分为直喷式燃烧室和分隔式燃烧室。（一）直喷式燃烧室 直喷式燃烧室按活塞顶部凹坑（燃烧室）的深浅、口径大小，分为开式燃烧室和半开式燃烧室。（1）开式燃烧室结构特点：燃烧室口径大、深度浅。（大缸径船用低速柴油机）9/22/2022南京航空航天大学金城学院混合气形成特点：最佳油束贯穿率在0.85左右，完全是空间雾化混合方式；对燃油系统要求高（喷油压力高，喷孔直径小，喷孔数目多）。对发动机性能影响：燃油经济性好，冷起动容易。不需组织进气涡流，充气效率高，发动机动力性好。燃

24、烧噪声大，发动机工作粗暴。9/22/2022南京航空航天大学金城学院（2）半开式燃烧室结构特点：燃烧室口径小，燃烧室凹坑较深（缸径小，压缩比一定）。适用于小型高速直喷式柴油机。9/22/2022南京航空航天大学金城学院混合气形成特点：采用空间雾化混合为主、油膜蒸发混合为辅的混合气形成方式；比较理想的油束贯穿率约为1.051.08左右；进气道组织一定强度的进气涡流运动（一般是螺旋进气道） 。进气涡流运动的强度随转速的升高成正比增大对燃油系统的要求较低（孔径较大、喷油压力较低）喷孔数目一般在35孔，喷孔直径一般在0.30.45mm；过量空气系数一般在1.31.5之间。9/22/2022南京航空航天

25、大学金城学院对发动机性能影响（与开式燃烧室相比较）：燃烧噪声较低，柴油机工作较柔和；燃油经济性、冷起动性较差；适用对象：缸径80140mm，转速低于4500r/min的直喷式柴油机。9/22/2022南京航空航天大学金城学院 典型半开式燃烧室介绍：形燃烧室 形燃烧室的底部中心有一凸起，目的是想帮助形成（挤压）涡流，并使燃烧室形状与油束配合，将空气集中在油束附近，以便更好利用燃烧室中空气。9/22/2022南京航空航天大学金城学院 燃烧室的主要尺寸：1）余隙容积Vc尽可能小，余隙距离1mm左右。9/22/2022南京航空航天大学金城学院9/22/2022南京航空航天大学金城学院2）dK/D、 d

26、K/h、要合适： 燃烧室喉口直径与气缸直径之比dK/D=0.40.6，要与油束射程匹配，以保证最佳油束穿透率。燃烧室喉口直径与燃烧室深度之比dK/h=1.53.5，从降低机械负荷和燃烧噪声方面考虑。燃烧室侧面与顶面的夹角一般制造大于90，防止活塞喉口处热裂。9/22/2022南京航空航天大学金城学院3）燃烧室的布置 由于进、排气门的布置，燃烧室、喷油嘴往往不能布置在气缸中心线上，一般e1/D5%， e2/D10%。为便于气缸盖中冷却水道布置，喷油嘴也倾斜1520布置。因此，为保证油束在燃烧室中合适分布，喷孔夹角、倾斜角不均匀分布，油束长度有长有短。9/22/2022南京航空航天大学金城学院4）

27、喷油嘴伸出气缸盖底部的长度h： 一般在13mm左右，可由喷油嘴安装垫片厚度调整。 h过长，则油束落在燃烧室底部，并且喷油嘴热负荷高，容易烧坏卡死 。 h过小，则油束可能落在活塞顶部，造成柴油机冒黑烟。9/22/2022南京航空航天大学金城学院四角形燃烧室（五十铃公司）活塞顶凹坑从纵剖面看与形燃烧室相同，俯视为四角带圆弧的正方形，目的是改变发动机高、低转速时喷孔到燃烧室壁面的距离，保证发动机高、低转速时均维持最佳油束穿透率，解决了高、低转速时柴油机的排气烟度矛盾。四个圆角处的反涡流部分抵消了涡流强度随发动机转速的增长。9/22/2022南京航空航天大学金城学院缩口四方形燃烧室（小松公司）9/22

28、/2022南京航空航天大学金城学院微涡流燃烧室，其活塞顶凹坑的上部为四角形，下部为回转体，连接处经切削加工圆滑过渡。后来的实践证明，缩口四方形燃烧室主要利用了燃烧室喉口的缩短产生了强烈的挤流作用，尤其是逆挤流运动的增强（显著增强了紊流运动，促进了油气混合），有效地降低了柴油机的排气烟度，对燃油消耗率的改善不明显。四个圆角处的作用，与四角形燃烧室一样，为了解决高、低速时的排气烟度的矛盾。9/22/2022南京航空航天大学金城学院球形油膜燃烧室（茅瑞尔S.Meurer或M过程）混合气形成特点：单孔或双孔喷油嘴沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在壁面上，吸热蒸发，形成均匀混合气。主

29、要是油膜蒸发混合。9/22/2022南京航空航天大学金城学院对发动机性能影响：柴油机工作柔和，燃烧噪声低，排烟少，燃油消耗率接近开式燃烧室217g/（kW.h）对燃料适应性强冷起动比较困难（起动时燃烧室壁温低）对负荷突变反应慢（空气涡流跟不上）低负荷时冒蓝烟，HC大量增加（燃烧室壁温低）发动机高、低转速性能矛盾大（空气涡流）对增压适应性差（油膜变厚）在大缸径上应用困难（面容比降低，油膜变厚），一般限于75130mm缸径。9/22/2022南京航空航天大学金城学院（二）分隔式燃烧室 分主、副燃烧室，主燃烧室位于活塞顶部与气缸盖之间，副燃烧室位于气缸盖内，两者之间有连接通道，喷油嘴向副燃烧室内喷射

30、。分隔式燃烧室有涡流室燃烧室和预燃室燃烧室两种结构形式。 9/22/2022南京航空航天大学金城学院1、涡流室燃烧室与直喷式燃烧室相比，具有如下特点：1）不组织进气涡流，平直进气道，因此涡流室柴油机充气效率高，动力性能好。2）由于压缩涡流随转速升高而加强，混合气形成质量对转速变化不敏感，适用于高速柴油机（达5000r/min）。9/22/2022南京航空航天大学金城学院3）由于二次燃烧，主燃烧室中的压力升高率较低，柴油机工作平稳。4）副燃烧室混合气成分偏浓，主燃烧室中最高燃烧温度相对较低，因此NOX排放量较直喷式燃烧室低1/31/2左右、HC和CO排放量也较低。5）对燃油系统要求低，喷油压力低，轴针式喷油嘴。9/22/2022南京航空航天大学金城学院6）由于燃烧持续时间（以曲轴转角计）较长。7）冷起动困难，压缩比较高（=2022）。8）气缸盖底部进、排气门座之间的“鼻梁区”容易热裂。9）燃油消耗率高9/22/2022南京航空航天大学金城学院 涡流室几何形状对发动机性能的影响：分球形、锥形平底（彗星V号）、柱形