发动机原理第三章柴油机混合气形成和燃烧

第三章柴油机混杂气形成和燃烧§3-1柴油机混杂气形成一两种基本形式（一）空间雾化将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混杂。特点:1对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴）燃烧易于完好，经济性好。2对空气运动要求不高后期燃料易被初期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。3但初期空间分布燃料多，燃烧迅速p，p工作粗max暴。（二）油膜蒸发（M过程）空间雾化型混杂气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混杂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，边混杂，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。特点:1对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高。2p，p工作柔和，噪声小，经济性放热先缓后急max较好。但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。二燃料的喷雾（一）喷雾的作用只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混杂气时，才有可能燃烧。接触面积越大，可燃混杂气越多，燃烧越完满。1ml油滴:1个，d=9.7mm，S=245mm2雾化:2.99107个，d=40m，S=15.106mm2面积增大5090倍，燃烧反响机遇大大增加。（二）喷雾的形成油束燃油发射－高压、高速。一级雾化－汽缸中空气的动力作用将油束撕裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。二级雾化－空气动力作用将片、带、泡或大颗粒的油滴再粉碎成微小的油滴。油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。边上油滴松弛，颗粒小。但也有说法正好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。着火条件浓度、温度为着火的必要条件中间油粒大,浓度偏高。外侧混杂气形成快，物理准备快，但初期温度不高，化学准备没有跟上。等温度合适于着火了，油粒又过发散散，也不会着火。要控制好浓度与温度的进程，使之正好配合，方可着火。（三）喷雾特点1油束射程L其实不用然越大越好，这要依照混杂气形成的机理与燃烧室形状详尽解析。LL

燃料喷到壁面上多空间混杂气太稀。燃料集中混杂气分布不平均，空气利用

。喷雾锥角反响油束的亲密程度。孔式喷嘴—油束松弛，粒细。轴针式喷嘴—油束亲密，粒粗。雾化质量（雾化特点）细微度—油滴平均直径细：雾化好平均度—油滴最大直径-油滴平均直径匀：雾化好粒细平均度好，粒粗平均度差。（四）喷油规律单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。喷油延缓角喷油提前角—开始喷油上止点的曲轴转角。’—上止点停止喷油的曲轴转角。喷油延缓角’—开始喷油停止喷油的曲轴转角。喷油延缓角对性能的影响’喷油连续时间长,工作柔和，但油耗增大,排放变差。’喷油连续时间短,油耗下降,排放好，但工作粗暴。喷油延缓角的比较a.’油耗,排放好，但工作粗暴。先急后缓工作粗暴。’油耗,排放差。先缓后急工作柔和。’油耗,排放好,尽量采用，但很难做到。（五）喷油嘴孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:1～5个，=0.25～0.8mm。雾化好，但易拥塞。孔数越少，雾化越好，但也易拥塞。轴针式喷嘴主要用于分开式燃烧室中。=1～3mm，通道缝隙=0.025～0.05mm。雾化差，但有自洁作用，不易拥塞。三气流运动对混杂气形成的影响（一）气流运动的作用（二）气流运动组织气流运动，加速混杂气形成。进气涡流使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。（1）切向气道特点:气道母线与汽缸相切。优点:结构简单，气流阻力小v缺点:涡流强度对进气口地址敏感。（2）螺旋气道特点:进气道呈螺旋型。优点:能产生强烈的进气涡流。缺点:工艺要求高，制造、调试难度较高挤气涡流活塞上行:将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。活塞下行:燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。挤气缝隙挤气涡流强度挤气面积挤气涡流强度挤气涡流诚然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，因此挤气涡流就显得相当重要了。燃烧涡流燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。特别是分开式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混杂气流和火焰高速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。（三）热混杂作用刚性涡流涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。势涡流涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。一般认为涡流为势涡流。3热混杂作用（主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生）涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。若’—质点密度，—空气密度。当’=时，—质点作圆周运动。当’>时，—离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。当’<时，—压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。液体油、燃油蒸汽:’>400，向外运动。燃烧产物:’<0.3，向中心运动。燃烧产物将新鲜空气挤向外面与燃油混杂，并使混杂气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混杂作用。§3-2柴油机的燃烧过程一燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（一）燃烧过程的特点高压喷油在汽缸内部形成可燃混杂气。压缩自燃。（二）柴油机燃烧的主要研究方向喷油雾化喷油规律气流运动燃烧室结构配合要好。二燃烧过程p－示功图曲线下的面积表示适用功的大小。（一）着火延延期i或称滞燃期1－2（着火延缓角i）1—喷油嘴针阀打开向缸高压喷油。此时，缸内温度虽已远远高出柴油的自燃温度（可达400～800℃），但其实不马上着火。燃烧需要:物理准备—雾化、吸热、蒸发、扩散、混杂化学准备—分解、氧化（焰前反响）2—缸内压力走开压缩线开始急骤增高。一般:i=0.0007～0.003[s]；对应的曲轴转角称为着火延缓角i。尽管着火延延期i很短，但却对燃烧过程、特别是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。（二）速燃期2－32点开始着火，压力急骤增高，凑近等容燃烧。连续喷油，即随喷随燃。3—最高压力点。p3pmax。为表示2－3阶段压力高升的急骤程度，引入看法pp3p2[kpa/degCA]压力高升率:32p冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命，pmaxp，pmax做功不利，柴油机性能（三）缓燃期3－44—最高温度点。TT1700～2000℃。放热量达70～4max80%。喷油在这一阶段停止。V，p，凑近等压燃烧。废襟怀，氧气、燃油量燃烧。（四）补燃期4－55—放热量达95～97%。补燃期在膨胀过程中。补燃期t，ge，动力性，冷却水温度，排气温度，排放差。因此，应尽量减少补燃。柴油机由于随喷随燃，混杂时间短，补燃要比汽油机严重。三影响着火延延期i的要素（一）压缩温度Tc和压力pc—直接影响因素pc，Tcilnii（二）压缩比p，Ticc（三）喷油提前角—影响最大的要素诚然喷油时的压力较高，但着火时辰推迟，使燃烧pc，Tcipc，Tci因此，有一个使i为最小的。高速时:低速时:

minmin

10～15[degCA]5～10[degCA]一般:=5～10[degCA]（四）转速nn漏气、散热损失pc，Tc；喷油压力雾化；气流运动蒸发混杂气形成好转i。但n着火延缓角i（五）十六烷值十六烷值柴油的自然性缸内p，T大时，影响不大；缸内p，T小时

。（六）增压增压pc，Tci四着火延延期i对柴油机性能的影响ii时期喷入缸内的燃料量着火前可燃混杂襟怀，pmax。ip，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。i混杂气形成欠佳柴油机性能五放热规律燃烧放热率Q/随曲轴转角变化的关系。由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。（一）放热规律阶段—在速燃期内，约占

3degCA。

Q/

。阶段—放热量约

80%，约占

40degCA。

Q/

。阶段—在膨胀过程内，放热量约

20%。（二）燃烧过程三要素放热开始时辰放热规律放热连续时间（三）希望—先缓后急工作柔和，经济性、动力性好，排放少，补燃少。上止点§3-3柴油机供油系统的工作特点及其对燃烧过程的影响一燃油发射（一）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）（二）喷油过程宽泛采用柱塞式喷油泵。柱塞上行，使喷油泵内压力高升，当压力高升到必然值时，战胜喷油泵上方出油阀弹簧预紧力和高压油管内的节余油压，顶开出油阀，经过高压油管向喷油器供油。上行2点过了4点此后，打开回油口，使泵内油压下降。当泵内油压小于出油阀弹簧预紧力和高压油管内的节余油压力时，出油阀落座，喷油停止。下行2点过了4点此后，回油停止，重新进油。（三）喷油延缓时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。原因—高压油管中燃油压缩+节流作用（四）几何供油规律从几何关系求出的油泵凸轮每转一度（或每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量[ml/degPA或ml/s]随曲轴转角（或时间t）的变化关系。dgpfpwp[ml/s]dtdgpfpwp[ml/degPA]d其中fp—柱塞面积[mm2]；wp—柱塞速度[ml/degPA]。几何供油规律与喷油规律不同样。二喷油泵速度特点及其校正（一）节流作用1理论上（不存在节流）上行—当3点与5点重合时，才开始供油。当2点与4点重合时，既开始回油，停止供油。2实质上（存在节流）上行—当3点不到5点时，由于通道小，节流，已经开始供油。关闭进油口时—供油提前。当2点过了4点今后，通道小，节流，才开始回油，停止供油。开启回油口时—供油连续。因此，实质供油比理论供油时间长，供油量大。（二）喷油泵速度特点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g（三）车用的适应性车用—希望ngMe（比方:低速大负荷工况）喷油泵速度特点—ngMe因此，喷油泵速度特点不合适于车用，必定进行校正。（四）校正出油阀校正可变减压容积和可变减压作用。n节流作用gMe可使循环供油量曲线变得较平坦，但若要合适于车用，还需进行调速器校正。调速器校正ngMe在第六章发动机特点中介绍。三不正常发射现象（一）二次发射高压油管内压力波引起。发射时间雾化不良，燃烧不完好，补燃严重，排污，炭烟，零件过热。（二）断续发射进入喷油嘴燃油量不牢固，压力颠簸引起。喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。（三）隔次发射低速、特别是怠速时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀发射。怠速运转不牢固。§3-4柴油机的燃烧室一燃烧室的分类（一）直喷式1开式—中、大型，中、低速船舶、发电用柴油机不组织进气涡流，空间雾化型混杂气蒸发方式。2半开式—中、小型，中、高速车用柴油机（1）型2）球型3）复合式（U型）（二）分开式1涡流室型—小型高速车用柴油机2预燃室型—小、中、大型，中、高速车用柴油机二直喷半开式燃烧室（一）型应用:黄河JN151，6135Q柴油机；日野ED100，6128柴油机等。混杂气形成方式:空间雾化。主要结构参数dk（1）0.4～0.6D其中dk—燃烧室喉口直径；D—汽缸直径。dk，油束射程燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率D。dk，油束射程，气流运动燃油喷在燃烧室壁面上，D雾化差。V2）k0.75～0.85Vc其中Vk—燃烧室容积；Vc—活塞位于上止点时的压缩容积。Vk空气利用率，散热面积燃烧好。Vc因此，希望Vk尽可能大。Vc主要特点1）长型多孔（3～5个）喷嘴，孔径d=0.25～0.4[mm]。针阀开启压力19.6[Mpa]，喷雾夹角140～160。（2）i工作粗暴。（3）>1.3，大空气利用率空气停留时间NOx（4）结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好。（二）的改进型四角型日本五十铃公司研制。主要特点:1）四孔喷油嘴，燃油在四角从前发射。2）油束沿气流方向下游燃料分布多，上游燃料分布少，使整个燃烧室内雾化平均。挤流口型英国泼金斯公司研制。主要特点:挤气面积挤流强度（三）球型应用:黄河JN150，6120Q-1型柴油机等。混杂气形成方式:油膜蒸发（M过程）主要结构参数dk，Vk对球型燃烧室的影响可参阅型燃烧室。Vc主要特点（1）螺旋进气道，进气涡流强。（2）采用单孔喷嘴=0.5～0.7mm，或双孔喷嘴=0.3～0.4mm。喷嘴与汽缸盖平面成70夹角，沿顺气流方向发射。（3）由于油膜的隔热作用，缸壁温度合适，200～350℃。（4）值较小，=1.1左右，空气利用率。p（5），pmax，工作柔和、平稳，噪声小。经济性、动力性较好。6）冷起动性和低速性差，排污严重。7）限制缸径D不可以太大，一般在140mm之内。Dg油膜厚度蒸发不完好，燃烧恶化。（四）复合式（U型）天津大学史绍熙研制。应用:新105系列，延安6130柴油机等。混杂气形成方式:空间雾化+油膜蒸发主要结构参数:参阅型燃烧室。主要特点（1）喷油基本垂直于气流方向（顺7）（2）采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。（3）低速时，气流弱—空间分布燃料多

雾化好。改进了冷起动性和低速性。高速时，气流强

—壁面分布燃料多

p

，pmax

，工作柔和、平稳，噪声小。气流运动起重要作用。4）高速性能较差，对增压适应性差。5）喉口热负荷高。对进气道、挤气缝隙S0敏感。三分开式燃烧室主要用于高速柴油机。结构特点:整个燃烧室分开成两个空间，主燃烧室设于活塞顶部，副燃烧室位于汽缸盖内，中间用通道连接。（一）涡流室型应用:BJ130，495Q型柴油机等。混杂气形成方式:热混杂主要结构参数涡流室容积Vk50～80%燃烧室容积Vc通道截面积1～3.5%活塞顶面积通道与涡流室相切，产生压缩涡流。喷油器安装在涡流室中，顺气流方向发射。工作原理压缩过程—活塞压迫空气经过通道流入涡流室，在涡流室中形成强烈的、有组织的压缩涡流，涡流流速随转速的提高而增高。燃烧过程—涡流室中喷油后，由于离心力作用，燃油被带到燃烧室外面，部分燃油附着在壁面上，在通道口周边第一着火。在强烈的涡流作用下，燃烧产物（密度小于空气）被卷向涡流室中央，将新鲜空气挤向涡流室外面，形成优异的热混杂。涡流室中混杂气着火后，涡流室中的压力、温度迅速高升，燃油、空气、混杂气和火焰一起经过通道高速喷向主燃烧室，壁面周边的浓混杂气第一从涡流室