第五章 柴油机混合气的形成及燃烧

第五章

柴油机混合气的形成和燃烧主要内容第一节燃油的喷射与雾化第二节燃烧与放热第三节混合气形成与燃烧室第四节燃烧过程的优化第一节燃油的喷射与雾化一、喷油系统1、作用：

定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。2、要求：1)产生足够高的喷油压力；2)实现所要求的喷油规律；3)对于确定的运转状况，精确控制喷油量；4)避免出现异常喷射现象。3、工作原理动画4、柱塞式喷油泵泵油原理柱塞式喷油泵泵油原理.doc5、喷油器工作原理：喷油器.doc二、喷射与雾化1.喷射过程:定义：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下约占15°~40°曲轴转角。喷射过程喷射延迟阶段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Ⅱ：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Ⅲ：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5-72.供油规律与喷油规律：供油速率：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；喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量；供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。图5-8差别：始点差别8°~22°曲轴转角；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，循环喷油量也低于循环供油量。两者的差别主要原因：燃油的可压缩性压力波传播滞后压力波动高压容积变化3.喷雾特性与雾化质量：燃油喷入燃烧时后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m／s)便形成如园锥形状的喷注，也称油束。油束的几何形状主要包括油束射程(又称贯穿距离)和喷雾锥角或油束的最大宽度。图5-9a油束射程L

并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L

燃料喷到壁面上多空间混合气太稀。

L

燃料集中混合气分布不均匀，空气利用。b喷雾锥角反映油束的紧密程度。孔式喷嘴—

油束松散，粒细。轴针式喷嘴—

油束紧密，粒粗。c雾化质量（雾化特性）

细微度—油滴平均直径

细：雾化好均匀度—油滴最大直径-油滴平均直径匀：雾化好粒细均匀度好，粒粗均匀度差。一般情况下：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。3.不正常喷射(一)二次喷射二次喷射是主喷射结束针阀落座后，在过大的反射波作用下，针阀再次升起进行喷油的一种不正常现象。二次喷射的出现特使整个喷射延续期拉长，过后燃烧严重，柴油机经济性下降．热负荷增加，应当要力求消除二次喷射。消除二次喷射(1)减少高压油路中的容积(2)适当加大喷油器的喷孔直径(3)适当加大出油阀的减压容积(二)滴油在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有少量柴油滴出，称为滴油。(三)断续喷射(四)不规则喷射和隔次喷射(五)穴蚀第二节燃烧与放热燃烧过程的特点1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2压缩自燃。柴油机燃烧的主要研究方向1喷油雾化2喷油规律3气流运动4燃烧室结构配合要好。

一、燃烧过程

柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期、落后期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。

（一）着火延迟期

从柴油开始喷入燃烧室内(A点)起到着火开始点(B点)为止的这一段时期称为着火延迟期。着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着复杂的物理化学准备过程。物理准备过程：燃油的雾化扩散、蒸发、汽化和混合等；化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。特点：压力没有偏离压缩线。

着火延迟期

影响着火延迟期长短的主要因素：燃烧室内工质的状态：喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。燃烧室的形状和壁温等。图5-1486（二）速燃期

速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线开始急剧上升(B点)）到出现最高压力(C点).

特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）。速燃期

一般用压力升高率λp〔MPa／(º)]表示压力急剧上升的程度。

式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（MPa）;△θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAº）。

影响：

压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。

压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5MPa／(º)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。控制压力升高率的措施减小在着火延迟期内的可燃混合气的量

①缩短着火延迟期的时间；

②减少着火延迟期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油

（三）缓燃期

缓燃期为图中的CD段即从最大压力点至最高温度点。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。缓燃期特点：

（1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。

（2）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20º~35º曲轴转角处出现。

（四）补燃期

从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的95％—99％时，可认为补燃期结束。即整个燃烧过程结束。补燃期

补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为严重。

在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，还使排气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。

二、燃烧放热规律瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻，单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出的热量。累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。图5-1588燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内压力温度的变化进而影响到柴油机的性能。第三节混合气形成与燃烧室一、柴油机混合气形成的特点和方式：1.混合气形成特点：（1）缸内进行，即在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内，时间短，难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化。（2）采用较大的过量空气系数，柴油本身粘度大，蒸发性不好。（3）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。

2.混合气形成基本方式1、空间雾化混合

将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。相对运动速度越高，混合气越均匀。2、壁面油膜蒸发混合（M过程）空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。图5-2092两种混合方式兼而有之目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主，而有些车用球型燃烧室柴油机则以油膜蒸发混合为主。二、空气运动对混合气形成的影响柴油的喷雾是混合气形成的首要步骤，其次是如何使柴油和空气完好地混合。1、使柴油找空气2、合理组织气流运动．使空气去寻找柴油，以改善油、气混合，组织气流运动，加速混合气形成。可加快火焰传播，促使燃烧过程迅速进行。三、缸内气流运动内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡流⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。涡流比：涡流转速与发动机转速之比。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、组合进气系统1.涡流形状最复杂，涡流比为2~4，适用于进气涡流强度较高的发动机。形状简单，涡流比为1~2，适用于进气涡流强度要求不高的发动机。导气屏设置在进气门上，导引进气流以不同角度流入气缸在气缸避免的约束配合下产生涡流，结构简单进气道可不作特殊设计，涡流比为0~4，但阻力最大，一般用于实验研究用发动机。组合进气系统，是指在2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流和流速分布，由于进气涡流，加快了火焰传播速度，提高了燃烧速率，使热效率提高，组织进气涡流的同时会使进气阻力增加，充气效率下降，在低速低负荷时难以获得良好的进气涡流。故只依靠进气涡流的燃烧室非常少，通常配合组织进气挤流。⑵压缩涡流：

在涡流室燃烧室中，气体在进气过程中并不产生涡流，而在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量损失，使循环热效率降低。2.挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向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的大小决定。挤流在汽油机上得到了广泛的应用，汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。图5-2394当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。逆挤流在柴油机上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，对改善燃烧和降低排放十分有利。⑶湍流在气缸内形成的无规则的小尺度气流运动。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。⑷滚流在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流。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。四、柴油机燃烧室直接喷射式燃烧室半开式燃烧室开式燃烧室非直喷式燃烧室（分开式燃烧室）1、直接喷射式燃烧室：

燃烧室布置在活塞顶与缸盖之间所形成的一个统一空间内，燃油直接喷入这一空间，并进行混合燃烧。车用柴油机常用的半开式燃烧室及球型油膜燃烧室属于这类燃烧室。图5-2495直喷式燃烧室的根本持征：燃烧室不分开，大都以凹坑形式出现在活塞或缸盖上，通过喷射(油柬)形成混合气；在进气过程通过切向气道、螺旋气道或导气屏产生的涡