內(nèi)燃機第六章

第六章柴油機混合氣形成與燃燒第六章柴油機混合氣形成與燃燒

柴油機的混合氣形成方式柴油機的燃燒過程柴油機的排放控制柴油機燃燒室柴油的蒸發(fā)性和流動性差，混合氣缸內(nèi)形成過量空氣系數(shù)較大噴油持續(xù)時間極短，只有15~35゜CA,n=1500r/min時只有1.7ms~4ms柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用：一是燃燒室的結構,二是燃料的噴霧，三是適當?shù)目諝膺\動一、柴油機的混合氣形成特點二、混合氣形成的基本方式混合氣形成的主要形式：空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合二、混合氣形成的基本方式空間霧化混合油膜蒸發(fā)混合1.大部分燃料噴散霧化，并分布到空氣中2.燃料在空氣中是細小油滴3.細小油滴與熱空氣混合，小油滴的高溫下蒸發(fā)，形成不均勻的混合氣4.在著火延遲期間形成的可燃混合氣數(shù)量較多，多處著火5.燃燒開始時的放熱速度很高，以后逐漸減慢1.利用強烈的空氣渦流將大部分燃料涂布到壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜受壁溫影響在較低溫度下蒸發(fā)，然后燃料蒸氣與空氣混合，形成均質(zhì)混合氣4.散布在空氣中的少量霧化燃油局部著火5.初期放熱速率不高，而隨著燃燒進行，火焰輻射使蒸發(fā)增強加上熱力混合作用，中、后期的燃燒速度很快實際上，在柴油機中這兩種混合方式同時存在，兼而有之三、柴油機氣缸內(nèi)的空氣運動

分類：渦流、滾流、擠流1）進氣渦流

在進氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運動。進氣渦流的強度由進氣道形狀和發(fā)動機轉速決定。三、柴油機氣缸內(nèi)的空氣運動上圖：產(chǎn)生進氣渦流的方法a導氣屏b切向氣道c螺旋氣道

2）壓縮擠流在壓縮過程后期，活塞頂上方環(huán)形空間中的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室內(nèi)，造成的徑向或橫向的氣流運動。擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙（活塞頂隙）大小決定三、柴油機氣缸內(nèi)的空氣運動膨脹時逆擠流三、柴油機氣缸內(nèi)的空氣運動

3）滾流在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸的軸線旋轉的有組織的空氣旋流動畫演示（點擊動畫即開始播放）第六章柴油機混合氣形成與燃燒

柴油機的混合氣形成方式

柴油機的燃燒過程柴油機的排放控制柴油機燃燒室一、著火的條件和特點著火的基本條件形成的燃料蒸氣與空氣的混合氣空燃比要在著火界限內(nèi)。混合氣過濃，氧分子少，混合氣過稀，則燃料分子少，這兩種情況的氧化反應速率都不夠高，不能形成燃燒。一種燃料的著火界限不是一成不變的，而是隨著溫度的升高，分子運動速率增加，反應速率加快，著火界限也有所擴大?？扇蓟旌蠚獗仨毐患訜岬阶匀紲囟纫陨喜拍苤?，低于這一溫度，燃料就不能著火。不同燃料的自燃溫度是不同的，它反映燃料的自燃性能，但燃料的自燃溫度還與介質(zhì)壓力、加熱條件及測試方法等因素有關。

著火地點在油束核心與外圍之間混合氣濃度和溫度適當?shù)牡胤??；旌蠚鉂舛葴囟葪l件適合的地方不止一個，因此可以是多點同時著火。不同循環(huán)的火核形成點也不一定相同，但由于多點著火，循環(huán)變動小?；旌蠚膺^濃或過稀火焰?zhèn)鞑⒅袛啵c此同時新的火核和火焰前鋒不斷形成。一、著火的條件和特點

特點：二、燃燒過程根據(jù)燃料和空氣混合氣形成的特點，柴油機燃燒過程又可分成預混燃燒階段和擴散燃燒階段1滯燃期(AB段)

2急燃期BC段

3緩燃期CD段4后燃期DE段

從燃料噴入氣缸到壓力線脫離壓縮線，開始急劇升高這一段燃前準備時間。形成可燃混合氣滯燃期過長，壓力升高率和最高燃燒壓力高，柴油機工作粗暴。滯燃期過短，擴散燃燒增加，易惡化柴油機性能和顆粒排放。影響因素：壓縮溫度，壓力，噴油提前角，轉速以及燃料性質(zhì)等。二、燃燒過程著火延遲期（滯燃期）預混合燃燒期，大面積多點著火，燃燒極快，壓力陡升壓力升高率dp/dφ平均壓力升高率不宜超過0.4MPa/CA

控制對策：滯燃期中的混合氣生成量和著火時間，亦即噴油速率和混合速率二、燃燒過程急燃期擴散燃燒期，燃料邊蒸發(fā)混合邊燃燒，從壓力急劇升高的終點C到壓力急劇下降的始點D

缸內(nèi)溫度和壓力高，擴散燃燒速率取決于混合物形成速率，相對緩慢，氣缸工作容積不斷增加，缸壓變化緩。

出現(xiàn)柴油機燃燒特有的“雙峰”現(xiàn)象控制碳煙排放的重要環(huán)節(jié)二、燃燒過程緩燃期少量柴油的后續(xù)燃燒膨脹行程的中后期，膨脹比低，做功能力小。增加排溫和向冷卻水的散熱損失，使發(fā)動機的熱負荷增加，經(jīng)濟性下降。二、燃燒過程后燃期縮短后燃：燃油充分霧化，加速混合，以加快緩燃期內(nèi)的燃燒氣缸內(nèi)良好的著火條件保證可靠著火（可燃混合氣適合著火的濃度和溫度）盡量縮短著火延遲期，減小著火延遲期內(nèi)的噴油量和混合氣形成量，降低急燃期內(nèi)的放熱速率，降低急燃期的壓力升高率和最高壓力盡量改善和加速緩燃期中燃料與空氣的混合，提高擴散燃燒速率，使燃燒盡量在上止點附近完成，減少后燃理想放熱規(guī)律：先緩后急二、燃燒過程1）燃料性質(zhì)柴油十六烷值越高，自燃性越好，滯燃期越短2）噴油規(guī)律：噴油提前角和不同時期的噴油量三、影響燃燒過程的因素3）轉速

燃燒室內(nèi)的空氣運動對滯燃期的影響（右圖）最佳噴油提前角隨轉速的升高增大低，混合氣質(zhì)量差；高，充量效率低4）負荷柴油機功率調(diào)節(jié)是“質(zhì)調(diào)節(jié)”負荷增加滯燃期縮短，工作柔和，但噴油持續(xù)時間延長，后燃增加三、影響燃燒過程的因素－－－直接噴射(無渦流)----渦流室燃燒噪聲（機械噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲）四、著火延遲與燃燒噪聲

燃燒噪聲的大小與氣缸壓力升高率dp/dφ成正比，

dp/dφ大則表示急燃期預混合燃燒量多降低柴油機的燃燒噪聲合適的壓力升高率dp/dφ

滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣適量

優(yōu)化燃油噴射方式（如二次噴射）選用十六烷值高的燃料，縮短滯燃期

五、柴油機的冷啟動

氣缸內(nèi)壓縮始點溫度下降，氣缸壁傳熱增大以及由于起動轉速低而引起漏氣量增加，從而使壓縮終點溫度、壓力下降。在低溫時燃料粘度增大以及起動轉速低從而使燃料的蒸發(fā)和霧化惡化，影響混合氣的形成。冷起動的難易也是柴油機的一個重要性能指標。柴油機冷起動困難主要原因：

柴油機順利起動條件：

壓縮溫度必須足夠高,≥

－自燃溫度。

－壓縮終點溫度。必須形成易于著火的混合氣五、柴油機的冷啟動改善措施：盡可能提高壓縮比，或采用進氣加熱高壓噴射強制霧化第六章柴油機混合氣形成與燃燒

柴油機的混合氣形成方式柴油機的燃燒過程

柴油機的排放控制柴油機燃燒室CO、HC、NOx、碳煙一、柴油機有害排放物的生成機理一、柴油機的排放特點CO和HC相對均燃的汽油機來說要少得多。碳煙soot/微粒PM排放高。NOX排放與汽油機在同一數(shù)量級。

NOx與PM排放存在Trade–off關系。瞬時NO的形成：在較濃混合氣條件下，燃料分解成CH、CH2和C2等基團，與N2反應：火焰中存在大量O、OH基團，與上述產(chǎn)物反應：一、柴油機有害排放物的生成機理一、柴油機有害排放物的生成機理局部過量空氣系數(shù)α>1，主要生成熱力NO局部過量空氣系數(shù)0.7<α<1,兩種NO共存局部過量空氣系數(shù)α<0.7，主要生成瞬時NO抑制瞬時NO措施：改善混合一、柴油機有害排放物的生成機理2.碳煙生成機理：微粒：由在燃燒時生成的含碳粒子（碳煙）及其表面上吸附的多種有機物組成，后者稱為有機可溶成分（SolubleOrganicFractions,SOF）（1）碳煙的生成過程起始階段（形成PAH和生成組分）生長階段（表面生長和凝結生長）氧化階段（碳粒，前驅(qū)物以及生長組分在適當條件下氧化成惰性產(chǎn)物）一、柴油機有害排放物的生成機理（2）碳煙的生成條件：缺氧（局部α<0.6）高溫（1700~2200K）排氣中碳煙濃度：生成和氧化綜合作用的結果一、柴油機有害排放物的生成機理（3）碳煙生成的特點：（4）碳煙的控制：提高火焰溫度控制火焰區(qū)內(nèi)的混合氣濃度二、柴油機排放的機內(nèi)控制降低預混合燃燒階段的放熱速率加快擴散燃燒速率（1）電控高壓噴射技術：改善燃油霧化及其與空氣的混合

二、柴油機排放的機內(nèi)控制初期緩慢、中期急速、后期快斷預噴射、主噴射、后噴射（2）推遲噴油：縮短著火延遲期，并配合高壓噴射、氣流運動，縮短燃燒持續(xù)期，降低NOx（3）燃燒室設計：二、柴油機排放的機內(nèi)控制小型高速柴油機燃燒室：：重載柴油機燃燒室

（4）排氣再循環(huán)（EGR）：降低燃燒溫度，控制NOx二、柴油機排放的機內(nèi)控制二、柴油機排放的機內(nèi)控制

（5）增壓中冷技術：NOx和碳煙排放降低二、柴油機排放的機內(nèi)控制

（6）新概念燃燒微粒捕集器的關鍵技術是過濾材料的選擇與過濾體的再生

柴油機微粒捕集器（1）微粒捕集器（DieselParticulateFilter,DPF）目前公認的有效的柴油機微粒后處理技術,它利用過濾體對排氣中的PM進行過濾處理。

三、尾氣排放的后處理過濾材料：宜采用多孔介質(zhì)或纖維過濾材料對排氣進行過濾，目前應用最多的是壁流式蜂窩陶瓷。三、尾氣排放的后處理除去微粒捕集器內(nèi)沉積的微粒的過程稱為再生。三、尾氣排放的后處理主動再生系統(tǒng)是通過外加能量將氣流溫度提高到微粒的起燃溫度使捕集的微粒燃燒，達到再生過濾的目的。被動再生系統(tǒng)利用柴油機排氣自身的能量使微粒燃燒，達到在生微粒捕集的效果。三、尾氣排放的后處理（2）氧化催化后處理（DieselOxidationCatalyst，DOC）可以氧化微粒中大部分的SOF，使SOF下降40％～90％。柴油機氧化催化器(DOC)以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑。三、尾氣排放的后處理催化劑的表面活性作用是利用排氣熱量激發(fā)；當排氣溫度低于150℃時，催化劑基本上不起作用；隨著負荷增加，排氣溫度升高，SOF被氧化，使微粒排放下降,CO和HC凈化率也增加;只要不超過催化劑允許的最高溫度，凈化反應就能順利進行三、尾氣排放的后處理（3）NOx還原催化轉化器第六章柴油機混合氣形成與燃燒

柴油機的混合氣形成方式柴油機的燃燒過程柴油機的排放控制

柴油機燃燒室直噴式燃燒室1）開式燃燒室－淺坑型混合氣形成方式以空間混合為主。形成質(zhì)量依靠燃油噴霧的細微度及油束在燃燒室內(nèi)的分布程度,進氣無渦流或弱渦流;采用多孔噴嘴和較高的噴油壓力;噴霧與燃燒室形狀相配合α=1.6~2.2特點：結構簡單，F(xiàn)/V小，熱損失小，節(jié)流損失小，起動性好，經(jīng)濟性好，熱負荷低；但工作粗暴，NOx高，碳煙高。如：淺ω型燃燒室。大缸徑柴油機多采用開式燃燒室。2）半開式燃燒室－深坑型a.

ω型燃燒室（典型）混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用多孔噴嘴（4~6孔），并組織一定的進氣渦流和擠氣渦流，以加速混合氣的形成，α=1.3~1.8。主要特點：面容比小，Q放↓，經(jīng)濟性好；低溫起動性好；采用多孔噴嘴，高壓噴射；ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴；形成碳煙多，氮氧化物多、排放差多用于小型高速柴油機。直噴式燃燒室b.球形燃燒室

混合氣形成：油膜蒸發(fā)。一般采用單孔噴嘴，配有螺旋進氣道以產(chǎn)生強進氣渦流。主要特點：面容比小，經(jīng)濟性好。ΔP/ΔΦ和Pz較小，工作柔和；對燃油的品質(zhì)及霧化質(zhì)量要求低；冷起動困難；低負荷時HC排放增加負荷突變反應慢，加速時冒黑煙。直噴式燃燒室1-螺旋進氣道；2-噴油器；3-四角形燃燒室；S-渦流直噴式燃燒室c.四角形燃燒室主要特點：燃燒室內(nèi)主渦流，四角部分微渦流，促進混合；邊角和凹凸等特殊設計所產(chǎn)生的阻尼作用對改善半開式燃燒室中低速渦流太弱，高速渦流太強有利；通常采用四孔噴油器向燃燒室四個角噴油在從低速到高速的轉速范圍內(nèi)都能獲得較好的燃燒性能；四角流動阻力大，影響充氣效率分隔式燃燒室1）預燃室燃燒室混合氣形成靠壓縮行程中氣缸內(nèi)部分空氣被壓入預燃室，不產(chǎn)生強烈的渦流；部分燃油在預燃室燃燒，使溫度和壓力升高，已燃燒的燃油和未燃燒的燃油和空氣高速噴入主燃室分隔式燃燒室由兩個部分組成，一部分位于活塞頂與氣缸底面之間，稱為主燃燒室；另一部分在氣缸蓋中，稱為副燃燒室。兩部分由一個或幾個孔道相連。分隔式燃燒室2）渦流室燃燒室混合氣形成靠壓縮行程中氣缸內(nèi)部分空氣被推擠入渦流室，形成強烈的渦流，促進燃油與空氣的混合高速性能比預燃室更佳，應用較