发动机原理第六章柴油机混合气形成与燃烧.ppt

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1、第六章 柴油机混合气形成与燃烧,本章要求：了解：柴油机有害排放物的生成机理与噪声，柴油机燃烧室的分类，特点和对燃烧的影响。理解：影响燃烧的因素和措施。掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油机的喷射与雾化。,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

2、 混合气形成与燃烧过程,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。着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。,一、燃烧方式-油滴扩散燃烧,图6-1 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。,在稀火焰区形成着火核心；稀熄火区是未燃HC的主要来源后喷现象：雾化和贯穿度小，形成CO、碳粒和未燃HC等,二、燃烧

3、过程,-滞燃期-速燃期-缓燃期-后燃期 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,、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i 从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。(图6-2)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6-2）,着火后，在滞燃期内形成的混合气此时

4、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d/d 大。柴油机P/一般0.40.6MPa/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6-2）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。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1。、后燃期（4-）从温度最高到燃料燃烧结束。远离

5、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，故应尽量减少后燃。,三、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。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。,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

6、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。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

7、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。,图6-3 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、燃烧过程的放热规律,理想的放热规律应为：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”对应后燃期，放热20%。放热规律三要素：燃烧始点、放热曲线形状、持续时间。燃烧始点使

8、最高压力发生在上止点后78 A。曲线形状开始放热适中,然后燃烧加快，尾巴尽量短。燃烧持续时间最佳约为40 A,第二节 柴油机混合气的形成,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。混合气形成特点: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。空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流混合。油膜蒸发混合：将燃油喷

9、向燃烧室璧面以油膜蒸发油气与空气涡流混合。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。,1.燃油的雾化 燃油在经喷孔喷出时，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,图6-5 喷注的形状,一、燃油的喷雾,2喷注的特征：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；细微度和均匀度：表示雾化程度。细微度-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。,二、空气运动对混合气形成的影响,缸内空气的涡流运动

10、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。,三、典型燃烧室结构分析,1燃烧室分为两大类:直喷式和分开式。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开式燃烧室：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开式燃烧室）,2对柴油机燃烧室的要求：小，但应燃烧完全及时；适度的P/和

11、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）挤气涡流-在压缩

12、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,4、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，F/V小，Q放，起动性好，经济性好，热负荷低；但大（1.72.2)，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

13、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。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。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、分开式燃烧室,1）涡流室式燃烧室 混合气

14、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，值可较小（1.2.13）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）面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）,涡流室式燃烧室,1）预燃室式燃烧室 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）。P/较小，工作柔和。空

15、气利用率高，值可较小。变工况适应性好，对转速不敏感。NOx排放低启动性差，面容比较大，经济性差低速噪声（惰转噪声）大(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长),预燃室式燃烧室,各种燃烧室的比较,第三节 燃油的喷射,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：喷油延迟阶段，主喷射阶段，滴漏阶段。,图6-17 燃油的喷射过程,二、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

16、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。,三、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。,第四节 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4050。2十六烷值对燃烧过程的影响。图6-19 3 蒸发性 蒸发性过好，工作

17、粗暴。蒸发性差，燃烧不完全。蒸发性适中,二、压缩性的影响,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，i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、使用方面因素的影响,（一）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。,（二）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、过

18、小的危害：（图6-21）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，Ne，ge。过小后燃量，排气温度，i，Ne，ge。,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ge最低，Ne最大时的供油提前角最佳供油提前角。,（三）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,图6-23 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。,（四）负荷,负荷循环供油量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i，gi。当负荷过大时,过小，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性进一步下降。,图6-21 供油提前角对燃烧过程的影响,图6-19 柴油十六烷值对燃烧过程的影响,空间雾化混合及油膜蒸发混合,空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。油膜蒸发混合：将大部分燃油喷向燃烧室璧面，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，与空气形成混合气。,