第五章 柴油機(jī)混合氣的形成及燃燒

第五章

柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒主要內(nèi)容第一節(jié)燃油的噴射與霧化第二節(jié)燃燒與放熱第三節(jié)混合氣形成與燃燒室第四節(jié)燃燒過程的優(yōu)化第一節(jié)燃油的噴射與霧化一、噴油系統(tǒng)1、作用：

定時(shí)定量并按一定規(guī)律向柴油機(jī)各缸供給高壓燃油。2、要求：1)產(chǎn)生足夠高的噴油壓力；2)實(shí)現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律；3)對于確定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，精確控制噴油量；4)避免出現(xiàn)異常噴射現(xiàn)象。3、工作原理動(dòng)畫4、柱塞式噴油泵泵油原理柱塞式噴油泵泵油原理.doc5、噴油器工作原理：噴油器.doc二、噴射與霧化1.噴射過程:定義：噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程，整個(gè)噴射過程在全負(fù)荷下約占15°~40°曲軸轉(zhuǎn)角。噴射過程噴射延遲階段I：從噴油泵柱塞頂封閉進(jìn)回油孔的理論供油始點(diǎn)到噴油器針閥開始升起(噴油始點(diǎn))為止。主噴射階段Ⅱ：從噴油始點(diǎn)到噴油器端壓力開始急劇下降為止。噴油結(jié)束階段Ⅲ：從噴油器端壓力開始急劇下降針閥完全落座(噴油終點(diǎn))為止。圖5-72.供油規(guī)律與噴油規(guī)律：供油速率：單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量；噴油速率：單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量；供油規(guī)律：供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時(shí)間）的變化關(guān)系。噴油規(guī)律：噴油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時(shí)間）的變化關(guān)系。圖5-8差別：始點(diǎn)差別8°~22°曲軸轉(zhuǎn)角；噴油持續(xù)時(shí)間較供油持續(xù)時(shí)間長；最大噴油速率較供油速率低，其形狀有明顯畸變，循環(huán)噴油量也低于循環(huán)供油量。兩者的差別主要原因：燃油的可壓縮性壓力波傳播滯后壓力波動(dòng)高壓容積變化3.噴霧特性與霧化質(zhì)量：燃油噴入燃燒時(shí)后被粉碎分散為細(xì)小微粒的過程，稱為燃油的噴霧或霧化。將燃油噴射霧化，可以大大增加其表面積，加速混合氣形成。當(dāng)燃油高速從噴孔噴出(噴出速度為l00一300m／s)便形成如園錐形狀的噴注，也稱油束。油束的幾何形狀主要包括油束射程(又稱貫穿距離)和噴霧錐角或油束的最大寬度。圖5-9a油束射程L

并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的機(jī)理與燃燒室形狀具體分析。L

燃料噴到壁面上多空間混合氣太稀。

L

燃料集中混合氣分布不均勻，空氣利用。b噴霧錐角反映油束的緊密程度?？资絿娮臁?/p>

油束松散，粒細(xì)。軸針式噴嘴—

油束緊密，粒粗。c霧化質(zhì)量（霧化特性）

細(xì)微度—油滴平均直徑

細(xì)：霧化好均勻度—油滴最大直徑-油滴平均直徑勻：霧化好粒細(xì)均勻度好，粒粗均勻度差。一般情況下：噴霧錐角過大，貫穿距離會(huì)減??；噴霧錐角過小，霧化程度會(huì)變差。3.不正常噴射(一)二次噴射二次噴射是主噴射結(jié)束針閥落座后，在過大的反射波作用下，針閥再次升起進(jìn)行噴油的一種不正常現(xiàn)象。二次噴射的出現(xiàn)特使整個(gè)噴射延續(xù)期拉長，過后燃燒嚴(yán)重，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降．熱負(fù)荷增加，應(yīng)當(dāng)要力求消除二次噴射。消除二次噴射(1)減少高壓油路中的容積(2)適當(dāng)加大噴油器的噴孔直徑(3)適當(dāng)加大出油閥的減壓容積(二)滴油在正常噴射結(jié)束后，如斷油不干脆，仍有少量柴油滴出，稱為滴油。(三)斷續(xù)噴射(四)不規(guī)則噴射和隔次噴射(五)穴蝕第二節(jié)燃燒與放熱燃燒過程的特點(diǎn)1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。2壓縮自燃。柴油機(jī)燃燒的主要研究方向1噴油霧化2噴油規(guī)律3氣流運(yùn)動(dòng)4燃燒室結(jié)構(gòu)配合要好。

一、燃燒過程

柴油機(jī)燃燒過程非常復(fù)雜，為了便于分析和揭示燃燒過程的規(guī)律，通常將這一連續(xù)的燃燒過程分為四個(gè)階段，即著火延遲期（又稱為滯燃期、落后期）、速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃期，如圖所示。

（一）著火延遲期

從柴油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點(diǎn))起到著火開始點(diǎn)(B點(diǎn))為止的這一段時(shí)期稱為著火延遲期。著火延遲期內(nèi)，燃燒室內(nèi)的混合氣進(jìn)行著復(fù)雜的物理化學(xué)準(zhǔn)備過程。物理準(zhǔn)備過程：燃油的霧化擴(kuò)散、蒸發(fā)、汽化和混合等；化學(xué)準(zhǔn)備過程：混合氣的先期化學(xué)反應(yīng)直至開始自燃。特點(diǎn)：壓力沒有偏離壓縮線。

著火延遲期

影響著火延遲期長短的主要因素：燃燒室內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)：噴油時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短。柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。燃燒室的形狀和壁溫等。圖5-1486（二）速燃期

速燃期:從開始著火（即壓力偏離壓縮線開始急劇上升(B點(diǎn))）到出現(xiàn)最高壓力(C點(diǎn)).

特點(diǎn)：形成多個(gè)火焰中心，持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。壓力急劇上升，壓力達(dá)到最高（有可能達(dá)到13MPa以上）。速燃期

一般用壓力升高率λp〔MPa／(o)]表示壓力急劇上升的程度。

式中：△p——速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)的氣體壓力差（MPa）;△θ——速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)相對于上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角差（CAo）。

影響：

壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性會(huì)較好；壓力升高率過大，則柴油機(jī)工作粗暴，燃燒噪音大；同時(shí)運(yùn)動(dòng)零件承受較大的沖擊負(fù)荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。

壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機(jī)的壓力升高率一般應(yīng)不大于0.4~0.5MPa／(o)曲軸。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的壓力升高率較大?？刂茐毫ι呗实拇胧p小在著火延遲期內(nèi)的可燃混合氣的量

①縮短著火延遲期的時(shí)間；

②減少著火延遲期內(nèi)噴入的燃油或可能形成可燃混合氣的燃油

（三）緩燃期

緩燃期為圖中的CD段即從最大壓力點(diǎn)至最高溫度點(diǎn)。當(dāng)緩燃期開始時(shí)，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。緩燃期特點(diǎn)：

（1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。

（2）壓力開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達(dá)到最高。最高溫度可達(dá)2000K左右，一般在上止點(diǎn)后20o~35o曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

（四）補(bǔ)燃期

從最高溫度點(diǎn)起到燃油基本燒完時(shí)為止稱為補(bǔ)燃期。補(bǔ)燃期的終點(diǎn)很難準(zhǔn)確地確定，一般當(dāng)放熱量達(dá)到循環(huán)總放熱量的95％—99％時(shí)，可認(rèn)為補(bǔ)燃期結(jié)束。即整個(gè)燃燒過程結(jié)束。補(bǔ)燃期

補(bǔ)燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時(shí)間短促，混合氣又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負(fù)荷工況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時(shí)間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。

在補(bǔ)燃期中，由于活塞下行了相當(dāng)?shù)木嚯x，氣缸內(nèi)容積增大很多，缸內(nèi)壓力和溫度迅速下降，故燃燒速度很慢，所放出的熱量很難有效利用，還使排氣溫度升高，導(dǎo)致散熱損失增大，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負(fù)荷。因此，應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期，減少補(bǔ)燃期內(nèi)燃燒的燃油量。

二、燃燒放熱規(guī)律瞬時(shí)放熱速率：在燃燒過程中的某一時(shí)刻，單位時(shí)間(單位曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)燃燒的燃油所放出的熱量。累計(jì)放熱百分比：從燃燒過程開始至某一時(shí)刻止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。燃燒放熱規(guī)律：瞬時(shí)放熱速率和累計(jì)放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。圖5-1588燃燒放熱規(guī)律影響到燃燒過程中缸內(nèi)壓力溫度的變化進(jìn)而影響到柴油機(jī)的性能。第三節(jié)混合氣形成與燃燒室一、柴油機(jī)混合氣形成的特點(diǎn)和方式：1.混合氣形成特點(diǎn)：（1）缸內(nèi)進(jìn)行，即在壓縮行程接近終了時(shí)柴油由噴射系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，時(shí)間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內(nèi)的工質(zhì)成分隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化。（2）采用較大的過量空氣系數(shù)，柴油本身粘度大，蒸發(fā)性不好。（3）混合氣在高溫、高壓下多點(diǎn)自燃著火燃燒，且混合過程、著火過程和燃燒過程共存。

2.混合氣形成基本方式1、空間霧化混合

將燃油噴向燃燒室空間進(jìn)行霧化，通過燃油與空氣間的相互運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，在空間形成可燃混合氣。相對運(yùn)動(dòng)速度越高，混合氣越均勻。2、壁面油膜蒸發(fā)混合（M過程）空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速（先緩后急）。圖5-2092兩種混合方式兼而有之目前多數(shù)車用柴油機(jī)仍以空間霧化混合為主，而有些車用球型燃燒室柴油機(jī)則以油膜蒸發(fā)混合為主。二、空氣運(yùn)動(dòng)對混合氣形成的影響柴油的噴霧是混合氣形成的首要步驟，其次是如何使柴油和空氣完好地混合。1、使柴油找空氣2、合理組織氣流運(yùn)動(dòng)．使空氣去尋找柴油，以改善油、氣混合，組織氣流運(yùn)動(dòng)，加速混合氣形成?？杉涌旎鹧?zhèn)鞑?，促使燃燒過程迅速進(jìn)行。三、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)方式渦流擠流滾流湍流進(jìn)氣渦流壓縮渦流⑴進(jìn)氣渦流：在氣缸蓋上采用特殊形狀的進(jìn)氣道,使空氣進(jìn)入氣缸時(shí),形成繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的氣流運(yùn)動(dòng)。渦流比：渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之比。產(chǎn)生進(jìn)氣渦流運(yùn)動(dòng)的方法有:導(dǎo)氣屏、切向進(jìn)氣道、螺旋進(jìn)氣道、組合進(jìn)氣系統(tǒng)1.渦流形狀最復(fù)雜，渦流比為2~4，適用于進(jìn)氣渦流強(qiáng)度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)。形狀簡單，渦流比為1~2，適用于進(jìn)氣渦流強(qiáng)度要求不高的發(fā)動(dòng)機(jī)。導(dǎo)氣屏設(shè)置在進(jìn)氣門上，導(dǎo)引進(jìn)氣流以不同角度流入氣缸在氣缸避免的約束配合下產(chǎn)生渦流，結(jié)構(gòu)簡單進(jìn)氣道可不作特殊設(shè)計(jì)，渦流比為0~4，但阻力最大，一般用于實(shí)驗(yàn)研究用發(fā)動(dòng)機(jī)。組合進(jìn)氣系統(tǒng)，是指在2個(gè)進(jìn)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用不同類型或不同角度的兩個(gè)進(jìn)氣道以組合所需要的渦流和流速分布，由于進(jìn)氣渦流，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高了燃燒速率，使熱效率提高，組織進(jìn)氣渦流的同時(shí)會(huì)使進(jìn)氣阻力增加，充氣效率下降，在低速低負(fù)荷時(shí)難以獲得良好的進(jìn)氣渦流。故只依靠進(jìn)氣渦流的燃燒室非常少，通常配合組織進(jìn)氣擠流。⑵壓縮渦流：

在渦流室燃燒室中，氣體在進(jìn)氣過程中并不產(chǎn)生渦流，而在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進(jìn)入渦流室時(shí)，形成強(qiáng)烈的壓縮渦流。雖然這種產(chǎn)生渦流的方式不會(huì)使進(jìn)氣阻力增大和進(jìn)氣充量下降，但形成壓縮渦流時(shí)會(huì)伴隨著不同程度的能量損失，使循環(huán)熱效率降低。2.擠流在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時(shí)所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動(dòng)稱為擠壓流動(dòng)，又稱擠流。擠流強(qiáng)度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流在汽油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，汽油機(jī)緊湊型燃燒室都利用較強(qiáng)的擠流運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn)混合氣快速燃燒。圖5-2394當(dāng)活塞下行時(shí)，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動(dòng)，稱為逆擠流。逆擠流在柴油機(jī)上有助于將燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使其進(jìn)一步和氣缸內(nèi)的空氣混合燃燒，對改善燃燒和降低排放十分有利。⑶湍流在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的小尺度氣流運(yùn)動(dòng)。湍流在汽油機(jī)上主要用于提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋诓裼蜋C(jī)上組織適當(dāng)?shù)耐牧骺梢愿纳迫加停ㄈ绫诿娓浇娜加停┡c空氣的混合。⑷滾流在進(jìn)氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流。滾流較適宜于在四氣門汽油機(jī)上使用，滾流在壓縮過程中其動(dòng)量衰減較少。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時(shí)，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦，使湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能增加，大大提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩纳瓢l(fā)動(dòng)機(jī)性能。四、柴油機(jī)燃燒室直接噴射式燃燒室半開式燃燒室開式燃燒室非直噴式燃燒室（分開式燃燒室）1、直接噴射式燃燒室：

燃燒室布置在活塞頂與缸蓋之間所形成的一個(gè)統(tǒng)一空間內(nèi)，燃油直接噴入這一空間，并進(jìn)行混合燃燒。車用柴油機(jī)常用的半開式燃燒室及球型油膜燃燒室屬于這類燃燒室。圖5-2495直噴式燃燒室的根本持征：燃燒室不分開，大都以凹坑形式出現(xiàn)在活塞或缸蓋上，通過噴射(油柬)形成混合氣；在進(jìn)氣過程通過切向氣道、螺旋氣道或?qū)馄廉a(chǎn)生的渦