第六章 柴油机混合气的形成及燃烧

第一节燃料喷射与雾化

第二节柴油机的燃烧过程

第三节可燃混合气的形成与燃烧室

第四节影响燃烧过程的运转因素分析

第五节影响燃烧过程的结构因素

第六节工程应用实例(文摘)第六章柴油机混合气的形成与燃烧第一节燃油喷射与雾化喷油系统

1、作用及要求

作用：

定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。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。

2、喷油系统的工作原理图5-1柱塞式喷油泵燃油供给系1—喷油器2—燃油滤清器3—直列柱塞式喷油泵4—喷油提前器5—输油泵6—调速器7—油水分离器8—油箱9—高压油管10—回油管11—低压油管1.柱塞式喷油泵供油系统2.分配式喷油泵供油系统图5-2分配式喷油泵燃油供给系l-油箱2-油水分离器3-一级输油泵4-二级输油泵5-燃油滤清器6-调压阀7-分配式喷油泵传动轴8-调速手柄9-分配式喷油泵体10-喷油器11-回油管12-分配式喷油泵13-喷油提前器14-调速器传动齿轮3、喷油泵图5-3柱塞式喷油泵图5-4分配式喷油泵4、喷油器图5-5喷油器的头部结构(a)单孔(b)多孔(c)标准轴针(d)节流轴针图5-6不同喷油嘴的流通特性二、燃料喷射过程(1)喷油延迟阶段从喷油泵压出燃油(供油始点)到喷油器针阀开始抬起(喷油始点)为止，这一阶段称为喷油延迟阶段。

(2)主喷射阶段从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降时为止，这一阶段称为主喷射阶段。

(3)滴漏阶段从喷油器端压力开始急剧下降到针阀完全落座(喷油终点)为止，这一阶段称为滴漏阶段。图６-８喷油过程

１—喷油泵柱塞２—进、回油孔３—出油阀４—出油阀弹簧

５、７—压力传感器６—高压油管８—针阀弹簧９—喷油器针阀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5-7喷射过程a)喷油泵端压力b)喷油器端压力c)针阀升程三.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。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。图6-8供油规律和喷油规律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四.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5-9油束的几何形状和参数a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)穴蚀柴油机混合气形成的特点和方式：1.混合气形成特点（1）混合气不均匀。（2）过量空气系数较大。（3）混合过程与着火过程和燃烧过程共存。

第二节可燃混合气的形成与燃烧室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。a)静止空气时空间雾化混合

b)空气作旋转运动空间雾化混合

图5-19直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式a)静止空气b)空气作旋转运动2)壁面油膜蒸发混合

燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上形成一层很薄的油膜。

着火前，燃烧室壁温较低下，油膜底层保持液态，表层油膜开始时以较低速度蒸发，加上喷油射束在空间的少量蒸发，形成少量可燃混合气。着火后，随燃烧的进行，油膜受热逐层加速蒸发，使混合气形成速度和燃烧速度加速。图5-20油膜蒸发混合方式柴油机燃烧室直接喷射式燃烧室非直喷式燃烧室（分开式燃烧室）(一)半开式燃烧室的空气涡流运动

(二)以ω型为代表的半开式燃烧室

(三)其他形式半开式燃烧室图６-19直喷式燃烧室

a)开式b)、c)半开式一、直接喷射式燃烧室：

一、直接喷射式燃烧室：

1）浅盆形燃烧室

2）ω形燃烧室

3）挤流口式燃烧室

4）球形燃烧室

各种直喷式燃烧室形式a)浅盆形b)ω形c)挤流口形d)球形(一)半开式燃烧室的空气涡流运动1.进气涡流

2.挤流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⑴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，称为进气涡流。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.涡流涡流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。切向进气道螺旋进气道组合进气系统

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。图６-20切向气道图６-21螺旋气道⑵压缩涡流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。2.挤流当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞顶部的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流)。当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活塞顶部外围的环型空间，与空气进一步混合燃烧，这种流动也称为逆挤流。图６-22挤气涡流

ａ)无进气涡流或涡流不强时的挤流ｂ)进气涡流强时的挤流ｃ)逆挤流⑶湍流在气缸内形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流，也称微涡流。湍流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，也称为纵涡。

滚流(二)以ω型为代表的半开式燃烧室图６-23ω型半开式燃烧室

a)浅坑ω型半开式燃烧室b)深坑ω型半开式燃烧室(三)其他形式半开式燃烧室1.球形油膜燃烧室图６-24球形燃烧室图６-25M燃烧过程放热率

１—直喷式２—M燃烧2.复合式燃烧室这类燃烧室ｄｋ／Ｄ≈０.４，采用中等或强的进气涡流及１～２孔的喷油器，将大部分燃油喷在壁面附近形成混合气层，为空间油膜混合。我国105系列柴油机即是这种类型，如图６-２６所示。燃烧室位于活塞顶上正中心，形状如“Ｕ”字形，采用ZS4S1型轴针式喷油器，喷油方向基本上与空气涡流运动方向垂直，只有一个很小的角度(７°)的顺气流趋向，配有螺旋进气道。图６-26105系列燃烧室

a)105系列复合燃烧室b)FL413斜柱形c)6VD12.5／１２Ｈ过程二、分隔式燃烧室。1）涡流室燃烧室

图６-27ＲＩＣＡＲＤＯ彗星Ｖ涡流燃烧室1.混合气形成

在压缩过程中，活塞迫使空气经过通道流入涡流室，形成强烈的、有组织的压缩涡流运动。这种涡流运动伴随着柴油机转速的提高，其强度也增加。当燃油顺涡流方向喷入燃烧室时，在气流作用下，燃油被带向燃烧室外围。其中部分燃油分布在壁面上，在通道口附近靠近壁面处着火。在强烈的涡流作用下，由于燃烧产物的密度比空气小，所以被卷向涡流室中央，而把在中央较重的新鲜空气不断压向四周形成良好的“热混合”。当涡流室中燃油着火后，涡流室中的气体压力、温度迅速升高，室内燃气带着未燃的燃油、空气一起经通道高速流到主燃烧室中，而且壁面附近的过浓混合气首先从涡流中喷出。2.结构特点图６-28涡流室形状

ａ)ＰｅｒｋｉｎｓＳ４９９ｂ)锥形平底(ＣｏｍｅｔＶ)ｃ)柱形平底图６-29涡流室主燃烧室形状

ａ)双涡流主燃烧室ｂ)铲形主燃烧室

１—导流槽２—双涡流凹坑3.主要优缺点由于强烈的空气涡流运动，保证了较好的混合气质量，空气得到较充分的利用。因此，过量空气系数α较小，平均有效压力较高。一般α＝１.２～１.３，最低可到1.1。这种燃烧室对喷雾质量要求不高，可用单孔轴针式喷油器，孔径为１ｍｍ左右；针阀开启压力较低，约为１２～１４ＭＰａ，降低了对燃油供给系统的要求，减少喷油器堵塞现象。这种燃烧室对转速变化不敏感。转速升高，气流的涡流运动也加强，因此高速性好，最高转速可达５０００ｒ／ｍｉｎ。广泛应用于小型高速柴油机上。由于利用的是压缩涡流和二次涡流，故对进气道没有特殊要求与限制，对减小进气阻力、提高充气系数有利。这种燃烧室的Δｐ／Δφ和ｐｚ较低，运转平稳；排气污染小；易于调试；使用性能稳定。相对散热表面积较大，而且直接与冷却水接触，致使散热损失较大。气体二次经过通道节流，流动损失也较大。因此，这种燃烧室的耗油率较高，经济性不如直喷式燃烧室。采用这种燃烧室的发动机冷起动困难，除要求较高的压缩比外，还需要起动辅助装置。一般压缩比为１８～２３，缸径越小，转速越高，选取的压缩比越大。涡流室通道经常有高温燃气流动，通道口热负荷很高，容易引起热裂等毛病，影响柴油机工作可靠性。（二）预燃室燃烧室图5-31预燃室燃烧室a)倾斜偏置，单孔道；b)中央正置，多孔道；c)侧面正置，单孔道图６-30预燃室燃烧室

１—喷油器２—预燃室３—油束

４—通道５—主燃烧室图６-31由主燃烧室及预燃室测定的示功图

１—主燃烧室的压力２—预燃室的压力1.混合气形成压缩过程中气缸内部分空气被压入预燃室，由于连接通道截面积很小，且不与预燃室相切，所以在预燃室中形成强烈的无组织的紊流。2.主要优缺点由于预燃室与主燃烧室连接通孔的截面积小，气体二次通过产生强烈的节流。使主燃室压力上升缓慢，Δｐ，ｐｚ值低，非增压柴油机一般ｐｚ＝４～６.5ＭＰａ，在相同功率下比直喷式小２５％～３０％，所以工作柔合，噪声小。预燃室燃烧室混合气形成主要依靠燃烧涡流，故对燃油系统的要求低，对转速及燃油品质不敏感，均用轴针式单孔喷嘴，针阀开启压力约为８～１２.５ＭＰａ。所以燃油系统工作比较可靠，喷油器寿命较长，有适应多种燃料的能力。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。柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：

1火落后期(又称为滞燃期)；

2速燃期；

3缓燃期；

4补燃期。第二节柴油机的燃烧过程一、燃烧过程

（一）着火落后期

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落后期。

随压缩过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高，在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处，多点同时着火，随着着火区域的扩展，缸内压力和温度升高，并脱离压缩线。

着火落后期

影响着火落后期长短的主要因素是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。其次因素是燃烧室的形状和壁温等。图5-14温度与压力对着火落后期的影响（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缩短着火落后期的时间；

②减少着火落后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（一）燃烧放热规律的定义

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。图5-15燃烧放热规律1.正确选用燃料2.发火性和蒸发性要兼顾第四节影响燃烧过程的运转因素分析一、燃料性质的影响二、负荷的影响

当负荷增加时，循环供油量增加(空气量基本不变)，过量空气系数α减小，单位容积内混和气燃烧放出的热量增加，引起缸内温度上升，缩短着火延迟期，使柴油机工作柔和。图６-３２为负荷对着火延迟期的影响。但是，由于循环供油量加大，以及喷油延续角增加，使总的燃烧过程加长，并且α减小，不完全燃烧现象也会增加，均引起效率降低。负荷过大，α值太小，因空气不能满足需要，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性会进一步下降。图６-32负荷对着火延迟期的影响转速提高，压缩终了压力提高；雾化质量提高；空气涡流增强，利于混合气的形成与燃烧。但转速不宜过高（充气效率下降，循环供油量增加），使热效率下降、排气污染严重。三、转速的影响图６-336120型柴油机的供油提前角

调整特性(ｎ＝２０００ｒ／ｍｉｎ)四、供油提前角的影响供油提前角对柴油机性能有很大影响。不适宜的增加供油提前角，燃料将被喷入压力和温度都不够高的压缩空气中，使着火延迟期增大，柴油机工作粗暴，并且使得怠速不良，也难于启动。过大的供油提前角还会增加压缩负功，使油耗增高，功率下降。如果供油提前角太小，则燃油不能在上止点附近迅速燃烧，补燃增加，虽然Δｐ值较低，但排气温度增加，冷却系热损失增加，最终热效率显著下降。合理选择并准确控制喷(供)油提前角：喷油提前角θs、供油提前角θ及两者之间的关系：θ=θs+θx；θx（喷油延迟角）-由高压油管长度和转速决定。1）喷油提前角对发动机性能的影响：过大，工作粗暴；功率下降、油耗增加。过小，工作柔和；传热损失增加、排气温度升高，热效率降低。2）喷油提前角对油耗及排气污染的影响：对应每一工况，都有一个最佳喷油提前角，此时动力性、经济性最好，但排气污染和燃烧噪声较严重。如图4-3。喷油提前角范围：15°～35°（CA）。喷油提前角对油耗及排气污染的影响图

柴油机全负荷时动态喷油定时图第五节影响燃烧过程的结构因素一、喷油泵结构对柴油机性能的影响(一)供油提前角

图６-35不同θ角对燃烧过程的影响图６-34油泵转速及油管长度对喷油延迟的影响图６-36凸轮外形对喷油规律的影响(二)油泵凸轮廓线图６-37切线凸轮和凸圆弧凸轮的速度比较(三)柱塞直径图６-38不同柱塞直径对喷油规律的影响

(135型柴油机，ｎ＝１５００ｒ／ｍｉｎ)图６-39不同柱塞直径