第五章柴油机混合气形成与燃烧

第五章

柴油机混合气的形成和燃烧动画演示喷油器的将柴油分散成数以百万计的细小油滴，这些油滴进入气缸内高温高压的空气中，经过受热、蒸发、扩散混合、焰前反应等一系列物理化学准备，然后开始着火。每次燃油喷射要持续一定的时间，一般在着火时喷射尚未结束，故混合气形成过程和燃烧是重叠进行的。

为了保证柴油机良好的性能，燃烧必须在上止点附近迅速完成，为此喷油持续时间也必须极为短促，同时还要采取有效的措施来保证及时形成可以迅速燃烧的混合气。一、燃油的喷射与雾化

燃烧过程中物理化学变化

一、喷油系统1、要求：定时、定量、一定的空间形态。轴针式喷油器和孔式喷油器二、喷射与雾化对喷射系统的要求：1、避免不正常喷射和穴蚀2、供油稳定，均匀一致3、优化喷油规律4、优化油束性能5、增强系统的刚度和强度。三、柴油机电控喷射系统循环喷油量的控制：时间控制，位移控制喷油提前角的控制：随负荷和转速变化压燃式发动机燃油喷射及雾化四、喷雾特性与雾化质量喷雾锥角、贯穿度、喷雾的粒径比1、喷油泵速度特性及其校正节流效应引起的油量变化2、喷射过程3、供油规律和喷油规律几何供油规律是指从几何关系上求出的单位凸轮转角（或单位时间）喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角φc（或时间t）的变化关系。它完全由柱塞的直径和凸轮型线的运动特性决定。

喷油规律是指在喷油过程中，单位凸轮转角（或单位时间）从喷油器喷入气缸的燃油量随凸轮转角的变化关系。五、不正常喷射及系统中的穴蚀二次喷射：发生在主喷射结束之后，喷射终了针阀落座后又第二次开启向气缸内喷油的现象。滴油：针阀落座后喷嘴端滴油和渗油现象。断续喷射：喷射不连续，针阀跳动。不规则喷射和隔次喷射：喷射不稳定。穴蚀

在喷油过程的一个循环中，油压是变动的。当油压达到一定值时，气泡将破裂，气泡连续产生和破裂的过程，将造成能量的骤变。若气泡破裂过程的能量达一定值，将对金属表面形成冲击而导致疲劳损坏，称为穴蚀现象六、电控高压共轨喷油系统第二节燃烧与放热一、柴油机燃烧过程第Ⅰ阶段－着火落后期第Ⅱ阶段－速燃期第Ⅲ阶段－缓燃期第Ⅳ阶段－补燃期根据燃料和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可分成预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段

柴油机燃烧过程示功图1、着火落后期

如果滞燃期过长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就很多，在着火前形成的可燃混合气就多。这些燃料在第Ⅱ阶段（急燃期）几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，使机件收到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴。然而，如果滞燃期过短，又对混合气形成不利，反过来又使柴油机性能恶化。影响滞燃期的因素：压缩温度和压力，喷油提前角，转速以及燃料性质等。2、速燃期

自火化形成到燃烧达到最高压力（或最高温度）。这一阶段将燃烧滞燃期中形成的所有可燃混合气。压力升高率大，产生冲击和噪声。3、缓燃期最高压力点到燃料基本全部烧完。燃烧趋于缓慢，近似于等压过程。4、补燃期又称后燃期，缓燃期结束到排气门打开。该时期越短越好。

二、燃烧放热规律考察燃料燃烧放出的热量，根据热力学第一定律，有QB为燃料燃烧放出的热量；Q为工质吸收的热量；Qw为传给气缸壁面的热量；ΔU为工质内能的变化；W为工质对活塞所作的机械功。QB，Q和Qw均随曲轴转角φ变化，将上式对曲轴转角φ微分，得dQB/dφ为燃料燃烧的瞬时燃烧率（或称放热率），通常将dQB/dφ随曲轴转角的变化关系称为燃烧规律、放热规律或放热率曲线也可用加热规律分析燃烧过程的进展情况

放热规律分析考察几种简单的放热规律。若不论放热规律如何，皆在其最有利时刻放热，则热效率差别很小，只是Δp/Δφ差别较大开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的主要要素它们主要影响循环热效率和最高燃烧压力比较合适的放热规律是燃烧先缓后急，实现有许多困难压燃式发动机燃烧过程中缸内温度分布第三节混合气形成与燃烧一、柴油机的混合气形成特点和方式1、混合气形成特点时间短、柴油的蒸发性和流动性较差、需要较大的过量空气系数。2、混合气形成基本方式在柴油机内混合气形成的主要有两种形式：

1)空间雾化混合2)油膜蒸发混合实际上，在柴油机中这两种混合方式同时存在，兼而有之。二、缸内气流运动1、涡流进气涡流在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流在柴油机上，进气涡流主要用于增强喷油油束与空气的混合，提高燃油空气混合速率。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率进气涡流的强度由进气道形状和发动机转速决定。

进气涡流的产生方法(1)带导气屏的进气门(2)切向气道(3)螺旋气道气道的评定方法采用在稳流气道试验台上进行稳定流动的模拟试验，测定涡流强度和气道的流通能力，采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速，或用测矩仪直接测出涡流的角动量气体流量用流量计测定上图：产生进气涡流的方法a导气屏b切向气道c螺旋气道右图：各类气道气门出口处的速度分布示意图a平直无旋气道b带导气屏的进气门C切向气道d纯螺旋气道2、挤流

在压缩过程后期，当活塞接近上止点时，气缸内的气体被活塞挤压流入燃烧室内，这种气流运动称为挤压流动，又称挤流挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙（活塞顶隙）大小决定当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，称为逆挤流。在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。3、滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气缸的轴线旋转的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流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，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能4、湍流湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。三、柴油机燃烧室直喷式燃烧室1）、开式燃烧室2、半开式燃烧室中的空气运动进气涡流、挤流、滚流、湍流3）、半开式燃烧室浅盆形燃烧室分隔式燃烧室主要特点：

1)对喷雾质量要求不高，可采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低，可降低对燃油系统的要求，

2)混合气形成质量对转速变化不敏感；气门布置的位置充裕，进气门直径可以做得较大，目前发动机转速可高达5000r/min。

3)空气能较充分利用，因此过量空气系数较小，平均有效压力较高；主燃烧室中的压力升高比较小，工作平稳柔和。

4)散热损失较大；节流损失也较大，使冷起动困难，燃油消耗率较高，比直喷式柴油机通常要高出10%~15%。

5)因此可减少NOx排放量，HC和微粒排放量均比直喷式柴油机低，高负荷的烟度一般小于3BSU。

其他燃烧室1、球型燃烧室2、非回转体燃烧室四角形、微涡形、花瓣形空间雾化混合油膜蒸发混合1.大部分燃料喷散雾化，并分布到空气中2.燃料在空气中是细小油滴3.细小油滴与热空气混合，形成不均匀的混合气（液相混合），然后小油滴的高温下蒸发4.在着火延迟期间形成的可燃混合气数量较多，多处着火5.燃烧开始时的放热速度很高，以后逐渐减慢1.利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜受壁温影响在较低温度下蒸发，然后燃料蒸气与空气混合，形成均质混合气（气相混合）4.散布在空气中的少量雾化燃油局部着火5.初期放热速率不高，而随着燃烧进行，火焰辐射使蒸发增强加上热力混合作用，中、后期的燃烧速度很高

直接喷射式分隔式

浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃宝燃烧空形状简单一般一般复杂复杂混合气形成方式空间雾化空间雾化为主油膜蒸发空间雾化为主空间雾化空气运动无涡流或弱进气涡流进气涡流较强进气涡流最强压缩涡流燃烧涡流燃料雾化要求高要求较高一般要求较低要求低喷油嘴多孔6~12多孔4~6单孔或双孔轴针式轴针式针阀开启压力/MPa20~4018~2517.5~1910~158~13热损失和流动损失小较小较小大最大起动容易较易难难最难压缩比12~1516~1817~1916~2018~22φa（全负荷）1.6~2.21.4~1.71.3~1.51.3~1.61.2~1.6pme/MPa1~20.6~0.80.7~0.90.6~0.80.6~0.8be/[g·(kW·h)-1]190218~245218~245231~272245~292燃烧噪声高高较低低低、怠速高适应转速/(r·min-1)＜1500＜4000＜2500＜5000＜3500适应缸径/mm＞200＜15090~130＜100(160~200)第四节燃烧过程的优化一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合三者中任何一个因素如不与其他因素匹配，都会造成燃烧过程恶化。二、影响燃烧过程的运转因素