第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件2

第四节压燃式内燃机的燃烧

5.4CombustionintheCIengines一、着火与燃烧过程（一）着火现象(ignition)

燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些细小油滴经过加热、蒸发（vaporization）、扩散（diffusion）与空气的混合等物理准备及分解、氧化等化学准备阶段后，一处或几处同时着火，即自行着火燃烧。第四节压燃式内燃机的燃烧

5.4Combust1着火需要具备两个条件：1)浓度条件：在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在一定的范围内，这个范围称作着火范围(或着火界限)。着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着火界限扩大。2)温度条件：可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。着火需要具备两个条件：2)温度条件：可燃混合气必须加热到某一2第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件23（二）燃烧阶段的划分1滞燃期(AB段)

2急燃期BC段

3缓燃期CD段4后燃期DE段（二）燃烧阶段的划分1滞燃期(AB段)2急燃期BC段4燃烧过程划分为四个阶段第1阶段：着火延迟阶段(AB段)(ignitiondelay)。从喷油开始(A点)到压力开始急剧升高时(B点)为止，这一段时间称为滞燃期。第2阶段：压力急剧上升的BC段，称为急燃期(rapidpressurerise)。滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。平均压力升高比不宜超过0.6MPa/º(CA)燃烧过程划分为四个阶段第1阶段：5第3阶段：从压力急剧升高的终点(C点)到压力开始急剧下降的D点为止，称为缓燃期(controlledpressurerise)。加强缓燃期内空气运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用。第4阶段：从缓燃期的终点(D点)到燃料基本上完全燃烧时(E点)为止，称为后燃期(burningontheexpansionstroke)。后燃期所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机经济性下降；增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以应尽量减少过后燃烧。第3阶段：6（三）滞燃期滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气就越多。这些燃料在第2阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使用寿命。（三）滞燃期滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越7影响滞燃期因素：

压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响。1）随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。影响滞燃期因素：8影响滞燃期的因素：2）喷油定时对滞燃期的影响通过压缩温度和压力而起作用。存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。为了保证有较好的功率和经济指标，希望在上止点前5-10°(CA)开始着火燃烧，保证燃烧在上止点附近完成。3）随着增压压力提高，滞燃期显著缩短。影响滞燃期的因素：9影响滞燃期因素：4）转速对滞燃期的影响随着转速增加，以秒计的滞燃期缩短，以曲轴计滞燃期则可能增加或减小。影响滞燃期因素：10二、燃烧放热规律(Heatreleaserate)燃烧规律(放热规律)加热规律传热规律二、燃烧放热规律(Heatreleaserate)燃烧规11由实测的示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：1）瞬时放热速率——在燃烧过程的某一时刻，单位时间内燃烧的燃油放出的热2）累积放热百分比——从燃烧过程开始至某一时刻止，已燃燃油与循环供油量的比值。由实测的示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：12当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律(或加热规律)所决定(公式5-22)，从而燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、燃油消耗、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律(或13

开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。比较合适的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热要适中，压力升高比不超过0.4-0.6MPa／[(CA)]，以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应超过上止点后40º(CA)，以满足经济运转的要求。开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程14三、燃烧噪声(combustionnoise)燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，则产生强烈的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴(或敲缸knock)。降低燃烧噪声的主要途径有：1．缩短滞燃期（如：十六烷值高的燃料）2．减小滞燃期内的喷油量：引导喷射（二级喷射pilotinjection）3．减少滞燃期内形成的可燃混合气数量（油膜蒸发混合）三、燃烧噪声(combustionnoise)15三、燃烧噪声(combustionnoise)怠速敲缸

柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当大，同时低速下喷油提前角偏大，因此压力升高比也较大，产生较强的震音，这种噪声称怠速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。三、燃烧噪声(combustionnoise)怠速敲缸16四、柴油机的冷起动性能(Coldstarting)冷起动困难原因气缸内压缩始点温度下降、气缸壁传热增大以及由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降。低温时燃料粘性增大、起动转速低，使燃料的蒸发和雾化均恶化，从而影响混合气的形成。润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。柴油机顺利起动条件压缩温度必须足够高，起动转速大于200r/min。必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性及增加每循环供油量对起动起着决定性的作用四、柴油机的冷起动性能(Coldstarting)冷起动困17第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件218第五节压燃式内燃机的燃烧室

5.5

CIEngineCombustionChamberDieselenginesaredividedintotwobasiccategoriesaccordingtotheircombustionchamberdesign:1)direct-injection(DI)engines,whichhaveasingleopencombustionchamberintowhichfuelisinjecteddirectly;(2)indirect-injection(IDI)engines,wherethechamberisdividedintotworegionsandthefuelisinjectedintothe“prechamber”whichisconnectedtothemainchamber(situatedabovethepistoncrown)viaanozzle,oroneormoreorifices.IDIenginedesignsareonlyusedinthesmallestenginessizes.Withineachcategorythereareseveraldifferentchambergeometry,air-flowandfuelinjectionarrangements.第五节压燃式内燃机的燃烧室

5.5CIEngine19燃烧室分类：直接喷射式燃烧室、分隔式燃烧室直接喷射式柴油机：浅盆形、深坑形；无涡流直喷式和有涡流直喷式两种。气缸直径越大，燃烧室就越浅。浅盆形燃烧室不组织进气涡流或弱进气涡流，而深坑形燃烧室一般都组织较强的进气涡流。分隔式燃烧室：涡流室、预燃室燃烧室分类：直接喷射式燃烧室、分隔式燃烧室20一、浅盆形燃烧室

（shallowbowlcombustionchambers）一、浅盆形燃烧室

（shallowbowlcombust211)混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾质量要求高，采用多孔喷嘴，6~12个喷孔，直径很小（0.12mm），最高喷油压力高（200MPa），对燃油系统要求较高。2)油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间。3)燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展使燃油与空气混合。1)混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾质量要求高，采用多孔喷22一、浅盆形燃烧室

（shallowbowlcombustionchambers）4)燃烧室形状简单，结构紧凑。经济性好，容易起动。5)因均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作组暴。6)过量空气系数较大。浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，工作过程组织的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间的合理配合。一、浅盆形燃烧室

（shallowbowlcombust23二、深坑形燃烧室

(deepbowlcombustionchambers)

(一)混合气形成特点小型高速柴油机转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。于是出现了有涡流的深坑形燃烧室。采用4~6孔喷油器，喷孔直径较大(0.35mm左右)。混合气形成一方面利用喷雾，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般a＝1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。共轨及泵-喷嘴，国3：140MPa；国4：160MPa，（6-8孔，0.1-0.15mm孔径）二、深坑形燃烧室

(deepbowlcombustion24第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件225三、球形油膜燃烧方式球形油膜燃烧室是深坑型燃烧室的一种，其混合气形成主要是油膜蒸发混合。三、球形油膜燃烧方式球形油膜燃烧室是深坑型燃烧室的一种26将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁温200~350℃，使壁面上的燃料在较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解。从油束中分散出来的一小部分燃料在炽热的空气中首先形成火核，然后靠此火核点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。球形油膜燃烧室发动机工作柔和，燃烧噪声小。将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，27在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化混合是没有的，燃油都或多或少地喷到燃烧室壁面上，实际的混合过程是介于空间雾化混合和油膜蒸发混合之间。在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化混合是没有的，燃油都或多28四、涡流室燃烧室

(swirlcombustionchamber)四、涡流室燃烧室

(swirlcombustioncha29混合气形成

主燃烧室和涡流室之间用一个或数个通道相连，通道方向与活塞顶成一定角度，喷油嘴安装在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射。在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入涡流室中的燃油混合。当涡流室中着火燃烧后，气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流入主燃烧室中(形成二次涡流)，与燃烧室的空气进一步混合燃烧。混合气形成30涡流室柴油机特点1)混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低，这可降低对燃油系统的要求，减少喷孔堵塞等故障。2)由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高时仍保证较好的混合质量。3)因为有强烈的压缩涡流保证较好的混合质量，使空气能较充分利用，过量空气系数较小。由于燃烧初期在涡流室内进行，工作较为平稳。4)涡流室的相对散热面积较大，散热损失较大，在涡流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大，因此，冷起动困难，燃油消耗率较高。5)由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx排放，此外，HC和微粒排放均比直喷式柴油机低。涡流室柴油机特点31五、预燃室式燃烧室（prechambersystems）由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个或数个孔道相连，喷油嘴安装在预燃室中心线附近。不产生有组织的强烈涡流，但空气流过通道产生强烈湍流，空气湍流使一部分燃料雾化混合。由于起动性及经济性较差，基本已不被采用。五、预燃室式燃烧室（prechambersystems）32六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素。在大型柴油机中，不组织空气涡流运动，依靠高压喷射、多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。在中、小型高速柴油机中，组织