柴油机混合气的形成与燃烧

1、第四章 柴油机混合气的形成与燃烧,本章要求 了解：柴油机燃烧室的分类，特点和对燃烧的影响。 理解：影响燃烧的因素、改进措施。 掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油的喷射与雾化。,柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同 1、混合气形成的方法 汽油机：缸外（化油器及进气管中），较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。 2、着火和燃烧的方式 汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、地点均能控制。 柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控制。 3、保证及时、完全燃烧的方法 汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。,第一节 燃油的喷射与雾

2、化,柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便与空气形成可燃混合气。 油滴的着火要满足两个条件 （1）混合气的温度要高于着火临界温度。 （2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。,一、燃烧方式-油滴扩散燃烧,单个油滴的着火区域,直径：5150um (中间较大) Tc-热空气温度； Tw-油滴周围混合气温度； Cu-油滴周围混合气浓度； W-化学反应速度。,着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。,1、对喷油系统的要求： 定时、定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。具体要求： 能产生足够高的喷油压力； 实现所要求的喷油规

3、律； 精确控制每循环的喷油量； 避免出现异常喷射现象。 2、喷油系统构成 喷油泵 提供足够高的喷油压力。柱塞泵或分配泵 调速器 稳定柴油机运行工况 喷油提前角调节器 调节喷油时刻 喷油器 将高压燃油喷入燃烧室并按要求进行分布,二、喷油系统,（一）、喷射过程 1燃油的喷射 燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压力升高，经喷油器喷出的过程。 2分三个阶段 喷射延迟阶段，主喷射阶段，喷射结束阶段。,三、喷射与雾化,燃油的喷射过程,1.燃油的雾化 燃油经喷孔喷出时，在气缸中被破碎成微粒的过程。,喷油横截面上燃油分布,喷油横截面上油粒速度,L:射程 :锥角,喷注的形状,（二）喷雾特性与雾化质量,2喷注的特

4、征 喷注射程L：表示喷注贯穿深度； 喷注锥角：表示喷注紧密程度； 细度和均匀度：表示雾化程度。 细度油注中的平均直径 均匀度油注中最大直径与最小直径之差,3影响喷注质量的主要因素 喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油的粘度等。,四、不正常喷射,二次喷射 针阀落座后，过大的反射波（高压油管内）使针阀再次升起而喷油的现象。,危害： 喷油时间，喷油量，后燃加重发动机过热，排气温度，燃油消耗率, 喷射压力低，雾化不良，燃烧过程中喷入气缸，排气冒黑烟，积碳。 （高速、高负荷时较严重）,隔次喷射发生在怠速运行时，造成柴油机怠速运转不稳。,避免不正常喷射的措施 减少高压容积， 缩短高压油管长度， 合理

5、选择喷射系统参数。,断续喷射、隔次喷射,断续喷射常发生在低速小负荷工况。,一、燃烧过程,-滞燃期 -速燃期 -缓燃期 -补燃期 h-针阀升程 Q-循环放热量 dQ/d-放热速率 dq/d-喷油速率,1)喷油始点 2)缸内压力线偏离纯压缩线始点 3)最高压力点 4)最高温度点,第二节 燃烧与放热,、滞燃期（1-2）,在压缩终点,Tc=450-800,大于柴油的自燃温度（330-350）,但不会立即着火,进行着火前的准备。 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。 化学准备：裂化，着火前的氧化反应。 一般着火延迟时间i0.0007-0.003s 从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点阶段，称为滞

6、燃期或着火延迟期。(图) 喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响i的主要因素。,、速燃期（2-3） （图）,着火后，在滞燃期内形成的混合气此时同时燃烧，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧，平均压力升高率P/=(P3-P2)/(3-2) 升高很快，放热率dQ/d 大。 柴油机P/一般0.4 0.6MPa/A 同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。,、缓燃期（3-4） （图） 速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的7080%。一般在上止点后2035CA，出现循环最高温度，达16002000。大部分燃油在此阶段燃烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。

7、温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于等压燃烧。 由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求a 1。 、补燃期（4-） 从温度最高到燃料燃烧结束。 远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，故应尽量减少补燃。,二、燃烧过程中存在的问题,1.混合气形成困难，燃烧不完全 混合极不均匀混合气形成时间短，边喷油、边混合、 边燃烧。 改进措施 促进混合气的形成 结构上，促进缸内的涡流运动。 供给较多的空气 a大于1，一般取1.3。但是至少30%的空气未被利用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。,

8、2.工作粗暴，燃烧噪音较大 速燃期内,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动,并通过气缸壁传到外部,形成燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的P/有很大关系。为使工作柔和，要求P/400kpa/CA。 P/的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合气的数量有关，缩短着火延迟时间i，减少滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成,可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。,3.排气冒黑烟 主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。 减少黑烟的主要措施 (1)增加过量空气系数a。但与提高柴油机的动力性相矛盾。 （2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔和性相

9、矛盾。,4.排气冒蓝烟、白烟 在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.61微米的颗粒构成，而蓝烟是由0.6微米以下的颗粒构成。 暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。,三、 影响燃烧过程的因素,（一）燃油的影响 1燃油的着火性 是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。 用十六烷值表示。 十六烷值高，着火性好，滞燃期短，P/较小，工作柔和。十六烷值高，起动性好。 十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。 车用柴油机的十六烷值，一般为4550。 2十六烷值对燃烧过程的影响 图 3 蒸发性 蒸发性过好，

10、工作粗暴。 蒸发性差，燃烧不完全。 蒸发性适中,（二）压缩比的影响,Tc、Pc滞燃期缩短，工作柔和，改善柴油机冷起动性。 但过大Pz，机械磨损，使用寿命。 当21时，it的提高不明显。 柴油机合适的压缩比主要是根据冷起动的需要来确定。,（三）喷油规律 1定义：指喷油速率dq/d（每度曲轴转角的喷油量）随曲轴转角的变化关系。 2柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。 理想的喷油持续角为1635CA，喷油速率的变化要先缓后急。 喷油规律可以通过改变喷油泵凸轮轴的凸轮型面加以调整。,（四）供油提前角,1定义 高压油泵柱塞关闭进油孔瞬时到上止点之间的曲轴转角。 与喷油提前角相差喷油延迟角。 2过大

11、、过小的危害 （图） 过大滞燃期柴油机工作粗暴，怠速不稳，冷起动困难。 压缩负功，Pe，be。 过小后燃量，排气温度，it， Pe，be。,3、柴油机的性能指标随供油提前角的变化关系供油提前角调整特性。,4、当柴油机be最低，Pe最大时的供油提前角最佳供油提前角。,（五）转速n,n加速、改善混合气形成 着火延迟时间i。 但着火延迟角 i=6nior ,转速对i及i的影响,对直喷式柴油机,n最佳供油提前角。 故柴油机上通常装有供油提前角自动提前装置。,（六）负荷,负荷循环供油量a放热量喷油时缸内温度着火延迟时间工作柔和性。,但循环供油量喷油持续角燃烧恶化it，bi。 负荷过大时, a过小，燃烧恶

12、化，排气冒黑烟，柴油机经济性进一步下降。,bi,柴油机与汽油机的放热规律,定义：放热率dQ/d(每度曲轴转角的放热量)随曲轴转角的变化关系。 它决定压力升高率(噪音)的变化和热效率。,四、燃烧放热规律,理想的放热规律 曲线要先缓后急。 放热开始时刻要适当提前,持续时间为40CA。,在燃烧期内，放热过程分三个阶段 预混合燃烧阶段对应速燃期，放热率很高，历时 3 7A。 扩散燃烧阶段对应缓燃期，放热率下降，为主放 热阶段，历时40A。 这两个阶段放热达80%。 放热“尾巴”对应补燃期，放热20%。 放热规律三要素 放热始点使最高压力发生在上止点后78 A。 放热规律曲线形状开始放热适中,然后燃烧加

13、快，尾巴尽量短。 放热持续期最佳约为40 A,第三节 混合气形成与燃烧室,柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。 一、混合气形成特点和方式 1、缸内形成 2、时间极短 3、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合 保证燃烧完全、及时靠加快混合气的形成速度（汽油机是提高火焰传播速度）,混合气形成方法 由不同喷雾及气流运动组成了各种混合气形成方式，其基本型式可分为： 空间雾化混合，油膜蒸发混合。 在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。,二、缸内气流运动,缸内空气的涡

14、流运动能加速雾化的油滴与周围空气的混合，促进燃烧过程的进行。,但涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠；涡流过强也使进气阻力加大，充量系数下降。,直喷式燃烧室的空气涡流运动,空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段；也是保证完善燃烧的重要条件。 直喷式燃烧室产生涡流运动的方法有种： 1）进气涡流靠切向进气道和螺旋进气道形成。 切向进气道：气道母线与气缸相切，在气门前强烈收缩，使气流越来越快进入气缸后受缸壁的约束而转向，形成涡流。,螺旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于高速柴油机上。,2

15、）挤气涡流-在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶上方环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的空气的涡流运动。 涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。,逆挤流,三、柴油机燃烧室,1燃烧室分为两大类:直喷式和非直喷式（分隔式）。 直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的 一个统一空间。 （缸径大于100mm，转速大于3000r/min的柴油机基本用直喷式的） 根据凹坑深度分： 开式燃烧室浅坑型，如浅盆形或浅形燃烧室 半开式燃烧室深坑型，如形和球形燃烧室 分隔式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。 如：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室 （高速小缸径柴油机多采用分隔式燃烧室）,2对柴油机

16、燃烧室的要求 a小，但应燃烧完全及时； 适度的P/和Pz值；以保证工作柔和， 平稳，可靠； 排气品质好； 变工况适应好；应在负荷、转速变化时， 柴油机性能稳定； 冷起动性好； 制造、维修方便。,3、直喷式燃烧室,1）开式燃烧室浅坑型 混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分布实现。进气无涡流 特点：结构简单，面容比F/V小，Q放 ，起动性好，经济性好，热负荷低；但a大(1.52.2)，工作粗暴，对燃料要求高。 如：浅型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。,浅型燃烧室,2）半开式燃烧室深坑型 混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠多油注高

17、压喷射。一般有较强的进气涡流。 型燃烧室（典型） 混合气形成：空间雾化混合为主。 一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。 主要特点 面容比F/V小，Q放，经济性好。 低温起动性好 采用多孔喷嘴，高压喷射。 P/和Pz大，工作粗暴。 a大，动力性差。 形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。 多用于3000r/min以下的柴油机（车用柴油机）。,型燃烧室, 球形燃烧室 混合气形成：油膜蒸发。 一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。 主要特点 面容比F/V小，经济性好。 P/和Pz较小，工作柔和。 对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。 冷起动困难。

18、 低速、加速时冒黑烟。 不适于增压，变工况适应性差。,球型燃烧室,5、分隔式燃烧室,1）涡流室燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。 主要特点 喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低) P/较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活塞已下行） 空气利用率高， a值可较小（1.21. 3） 高速性能好。（涡流随转速升高而加强） 排污低（最高燃烧温度低） 变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的流动特性基本不变） 面容比F/V大，经济性较差，起动性差（传热和流动损失大，装电热塞）,涡流室燃烧室,2）预燃室燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。 主要特点 喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃烧涡流形成混合气）