第五章-內(nèi)燃機(jī)混合氣的形成與燃燒課件2

第四節(jié)壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒

5.4CombustionintheCIengines一、著火與燃燒過程（一）著火現(xiàn)象(ignition)

燃料噴入燃燒室后，分散成許多細(xì)小油滴，這些細(xì)小油滴經(jīng)過加熱、蒸發(fā)（vaporization）、擴(kuò)散（diffusion）與空氣的混合等物理準(zhǔn)備及分解、氧化等化學(xué)準(zhǔn)備階段后，一處或幾處同時(shí)著火，即自行著火燃燒。著火需要具備兩個(gè)條件：1)濃度條件：在形成的可燃混合氣中，燃料蒸氣與空氣的比例要在一定的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍稱作著火范圍(或著火界限)。著火界限不是一成不變的，隨著溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)速度增加，反應(yīng)速度加快，將使著火界限擴(kuò)大。2)溫度條件：可燃混合氣必須加熱到某一臨界溫度，低于這一溫度，燃料就不能著火，我們把燃料不用外部點(diǎn)燃而能自己著火的最低溫度稱為著火溫度或自燃溫度。它與介質(zhì)壓力、加熱條件及測(cè)試方法等因素有關(guān)。（二）燃燒階段的劃分1滯燃期(AB段)

2急燃期BC段

3緩燃期CD段4后燃期DE段燃燒過程劃分為四個(gè)階段第1階段：著火延遲階段(AB段)(ignitiondelay)。從噴油開始(A點(diǎn))到壓力開始急劇升高時(shí)(B點(diǎn))為止，這一段時(shí)間稱為滯燃期。第2階段：壓力急劇上升的BC段，稱為急燃期(rapidpressurerise)。滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料幾乎一起燃燒，而且是在活塞靠近上止點(diǎn)、氣缸容積較小的情況下燃燒，因此氣缸中壓力升高特別快。平均壓力升高比不宜超過0.6MPa/o(CA)第3階段：從壓力急劇升高的終點(diǎn)(C點(diǎn))到壓力開始急劇下降的D點(diǎn)為止，稱為緩燃期(controlledpressurerise)。加強(qiáng)緩燃期內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)，加速混合氣形成，對(duì)保證在上止點(diǎn)附近迅速而完全燃燒有重要作用。第4階段：從緩燃期的終點(diǎn)(D點(diǎn))到燃料基本上完全燃燒時(shí)(E點(diǎn))為止，稱為后燃期(burningontheexpansionstroke)。后燃期所放出的熱量不能有效利用，并增加了散往冷卻水的熱損失，使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降；增加活塞組的熱負(fù)荷以及使排氣溫度增高，所以應(yīng)盡量減少過后燃燒。（三）滯燃期滯燃期越長(zhǎng)，則在滯燃期內(nèi)噴入燃燒室的燃料就越多，在著火前形成的可燃混合氣就越多。這些燃料在第2階段中幾乎一起燃燒，使壓力升高比和最高燃燒壓力較高，運(yùn)動(dòng)零件受到強(qiáng)烈的沖擊負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)粗暴，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。影響滯燃期因素：

壓縮溫度和壓力是影響滯燃期的主要因素。噴油提前角、轉(zhuǎn)速以及燃料性質(zhì)等對(duì)滯燃期也有較大影響。1）隨著壓縮溫度和壓力提高，滯燃期減小。影響滯燃期的因素：2）噴油定時(shí)對(duì)滯燃期的影響通過壓縮溫度和壓力而起作用。存在一個(gè)使滯燃期最短的噴油提前角。為了保證有較好的功率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，希望在上止點(diǎn)前5-10°(CA)開始著火燃燒，保證燃燒在上止點(diǎn)附近完成。3）隨著增壓壓力提高，滯燃期顯著縮短。影響滯燃期因素：4）轉(zhuǎn)速對(duì)滯燃期的影響隨著轉(zhuǎn)速增加，以秒計(jì)的滯燃期縮短，以曲軸計(jì)滯燃期則可能增加或減小。二、燃燒放熱規(guī)律(Heatreleaserate)燃燒規(guī)律(放熱規(guī)律)加熱規(guī)律傳熱規(guī)律由實(shí)測(cè)的示功圖進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可得到燃燒放熱規(guī)律：1）瞬時(shí)放熱速率——在燃燒過程的某一時(shí)刻，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃油放出的熱2）累積放熱百分比——從燃燒過程開始至某一時(shí)刻止，已燃燃油與循環(huán)供油量的比值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，氣缸壓力變化特性主要由燃燒規(guī)律(或加熱規(guī)律)所決定(公式5-22)，從而燃燒放熱規(guī)律強(qiáng)烈影響平均有效壓力、燃油消耗、最高燃燒壓力、燃燒噪聲等性能指標(biāo)。

開始放熱的時(shí)刻、放熱規(guī)律和放熱持續(xù)時(shí)間是燃燒過程的三個(gè)主要要素，它們對(duì)性能的影響主要表現(xiàn)在循環(huán)熱效率和最高燃燒壓力兩個(gè)方面。比較合適的放熱規(guī)律是希望燃燒先緩后急，即開始放熱要適中，壓力升高比不超過0.4-0.6MPa／[(CA)]，以滿足運(yùn)轉(zhuǎn)柔和的要求；隨后燃燒要加快，使燃料盡量接近上止點(diǎn)附近燃燒，一般燃燒持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過上止點(diǎn)后40o(CA)，以滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。三、燃燒噪聲(combustionnoise)燃燒噪聲與壓力升高比有密切的關(guān)系，如果壓力升高比過大，則產(chǎn)生強(qiáng)烈的震音，我們稱這種現(xiàn)象為柴油機(jī)的工作粗暴(或敲缸knock)。降低燃燒噪聲的主要途徑有：1．縮短滯燃期（如：十六烷值高的燃料）2．減小滯燃期內(nèi)的噴油量：引導(dǎo)噴射（二級(jí)噴射pilotinjection）3．減少滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量（油膜蒸發(fā)混合）三、燃燒噪聲(combustionnoise)怠速敲缸

柴油機(jī)冷起動(dòng)或怠速時(shí)，溫度較低，滯燃期較長(zhǎng)，潤滑油粘度較高，摩擦損失較大，盡管無負(fù)荷，每循環(huán)的噴油量仍相當(dāng)大，同時(shí)低速下噴油提前角偏大，因此壓力升高比也較大，產(chǎn)生較強(qiáng)的震音，這種噪聲稱怠速敲缸；隨著轉(zhuǎn)速升高及帶負(fù)荷運(yùn)行，怠速噪聲即自行消失。四、柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能(Coldstarting)冷起動(dòng)困難原因氣缸內(nèi)壓縮始點(diǎn)溫度下降、氣缸壁傳熱增大以及由于起動(dòng)轉(zhuǎn)速低而引起漏氣量增加，從而使壓縮終點(diǎn)溫度、壓力下降。低溫時(shí)燃料粘性增大、起動(dòng)轉(zhuǎn)速低，使燃料的蒸發(fā)和霧化均惡化，從而影響混合氣的形成。潤滑油粘度增加，蓄電池性能下降等。柴油機(jī)順利起動(dòng)條件壓縮溫度必須足夠高，起動(dòng)轉(zhuǎn)速大于200r/min。必須形成易于著火的混合氣。燃料本身的蒸發(fā)性及增加每循環(huán)供油量對(duì)起動(dòng)起著決定性的作用第五節(jié)壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室

5.5

CIEngineCombustionChamberDieselenginesaredividedintotwobasiccategoriesaccordingtotheircombustionchamberdesign:1)direct-injection(DI)engines,whichhaveasingleopencombustionchamberintowhichfuelisinjecteddirectly;(2)indirect-injection(IDI)engines,wherethechamberisdividedintotworegionsandthefuelisinjectedintothe“prechamber”whichisconnectedtothemainchamber(situatedabovethepistoncrown)viaanozzle,oroneormoreorifices.IDIenginedesignsareonlyusedinthesmallestenginessizes.Withineachcategorythereareseveraldifferentchambergeometry,air-flowandfuelinjectionarrangements.燃燒室分類：直接噴射式燃燒室、分隔式燃燒室直接噴射式柴油機(jī)：淺盆形、深坑形；無渦流直噴式和有渦流直噴式兩種。氣缸直徑越大，燃燒室就越淺。淺盆形燃燒室不組織進(jìn)氣渦流或弱進(jìn)氣渦流，而深坑形燃燒室一般都組織較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流。分隔式燃燒室：渦流室、預(yù)燃室一、淺盆形燃燒室

（shallowbowlcombustionchambers）1)混合氣形成主要靠燃油的噴霧，對(duì)噴霧質(zhì)量要求高，采用多孔噴嘴，6~12個(gè)噴孔，直徑很?。?.12mm），最高噴油壓力高（200MPa），對(duì)燃油系統(tǒng)要求較高。2)油束與燃燒室形狀相配合，燃料要盡可能地分布到整個(gè)燃燒室空間。3)燃燒室中一般不組織空氣渦流運(yùn)動(dòng)，依靠油束的擴(kuò)展使燃油與空氣混合。一、淺盆形燃燒室

（shallowbowlcombustionchambers）4)燃燒室形狀簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)濟(jì)性好，容易起動(dòng)。5)因均勻的空間混合，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣較多，因此最高燃燒壓力及壓力升高比較高，工作組暴。6)過量空氣系數(shù)較大。淺盆形燃燒室一般不組織氣流運(yùn)動(dòng)，工作過程組織的關(guān)鍵是燃油噴射和燃燒室形狀之間的合理配合。二、深坑形燃燒室

(deepbowlcombustionchambers)

(一)混合氣形成特點(diǎn)小型高速柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高，為了獲得較好的性能指標(biāo)，就要求在較小的過量空氣系數(shù)時(shí)有較好的燃燒過程。于是出現(xiàn)了有渦流的深坑形燃燒室。采用4~6孔噴油器，噴孔直徑較大(0.35mm左右)?；旌蠚庑纬梢环矫胬脟婌F，一方面組織進(jìn)氣渦流及形成擠流促進(jìn)混合氣形成和燃燒。深坑形燃燒室利用進(jìn)氣渦流加強(qiáng)混合氣的形成，使空氣利用率大大提高，一般a＝1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起動(dòng)容易的優(yōu)點(diǎn)，所以在小型高速柴油機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。共軌及泵-噴嘴，國3：140MPa；國4：160MPa，（6-8孔，0.1-0.15mm孔徑）三、球形油膜燃燒方式球形油膜燃燒室是深坑型燃燒室的一種，其混合氣形成主要是油膜蒸發(fā)混合。將燃油順氣流方向沿燃燒室壁面噴射，在強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流作用下，將燃油攤布在燃燒室壁上，形成一層很薄的油膜。燃燒室壁溫200~350℃，使壁面上的燃料在較低的溫度下蒸發(fā)，以控制燃料的裂解。從油束中分散出來的一小部分燃料在熾熱的空氣中首先形成火核，然后靠此火核點(diǎn)燃從壁面蒸發(fā)形成的可燃混合氣。隨著燃燒進(jìn)行，大量熱量輻射在油膜上，使油膜加速蒸發(fā)，不斷提供新鮮混合氣，保證迅速地燃燒。球形油膜燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)工作柔和，燃燒噪聲小。在小型高速柴油機(jī)中，純粹的空間霧化混合是沒有的，燃油都或多或少地噴到燃燒室壁面上，實(shí)際的混合過程是介于空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合之間。四、渦流室燃燒室

(swirlcombustionchamber)混合氣形成

主燃燒室和渦流室之間用一個(gè)或數(shù)個(gè)通道相連，通道方向與活塞頂成一定角度，噴油嘴安裝在渦流室內(nèi)，燃油順渦流方向噴射。在壓縮過程中，氣缸中的空氣被活塞推擠，經(jīng)過通道流入渦流室，形成強(qiáng)烈的有組織的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，促使噴入渦流室中的燃油混合。當(dāng)渦流室中著火燃燒后，氣體壓力、溫度迅速升高；在膨脹行程期間，渦流室中末燃燒的燃料、空氣及燃?xì)庖黄鸾?jīng)過通道流入主燃燒室中(形成二次渦流)，與燃燒室的空氣進(jìn)一步混合燃燒。渦流室柴油機(jī)特點(diǎn)1)混合氣形成和燃燒主要是利用有組織的強(qiáng)烈的壓縮渦流，因此對(duì)噴霧質(zhì)量要求不高，一般采用軸針式噴油嘴，噴油壓力較低，這可降低對(duì)燃油系統(tǒng)的要求，減少噴孔堵塞等故障。2)由于壓縮渦流隨轉(zhuǎn)速升高而加強(qiáng)，所以在轉(zhuǎn)速較高時(shí)仍保證較好的混合質(zhì)量。3)因?yàn)橛袕?qiáng)烈的壓縮渦流保證較好的混合質(zhì)量，使空氣能較充分利用，過量空氣系數(shù)較小。由于燃燒初期在渦流室內(nèi)進(jìn)行，工作較為平穩(wěn)。4)渦流室的相對(duì)散熱面積較大，散熱損失較大，在渦流室發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣體經(jīng)過通道流動(dòng)，節(jié)流損失也較大，因此，冷起動(dòng)困難，燃油消耗率較高。5)由于主燃燒室最高溫度相對(duì)較低，因此可減少NOx排放，此外，HC和微粒排放均比直噴式柴油機(jī)低。五、預(yù)燃室式燃燒室（prechambersystems）由位于氣缸蓋內(nèi)的預(yù)燃室和活塞上方的主燃燒室所組成，兩者之間由一個(gè)或數(shù)個(gè)孔道相連，噴油嘴安裝在預(yù)燃室中心線附近。不產(chǎn)生有組織的強(qiáng)烈渦流，但空氣流過通道產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，空氣湍流使一部分燃料霧化混合。由于起動(dòng)性及經(jīng)濟(jì)性較差，基本已不被采用。六、空氣運(yùn)動(dòng)、燃油噴射及燃燒室的匹配壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)良好的性能和排放指標(biāo)取決于燃燒過程的完善程度，空氣運(yùn)動(dòng)、燃油噴射和燃燒室結(jié)構(gòu)是最重要的影響因素。在大型柴油機(jī)中，不組織空氣渦流運(yùn)動(dòng)，依靠高壓噴射、多孔噴嘴等燃油系統(tǒng)參數(shù)就能達(dá)到較好的性能。在中、小型高速柴油機(jī)中，組織進(jìn)氣渦流，促進(jìn)混合氣的形成和燃燒過程。對(duì)于一定缸徑和轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)燃油系統(tǒng)參數(shù)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)確定一個(gè)最佳渦流比。最佳渦流比隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，在低速時(shí)應(yīng)為高渦流比，在高速時(shí)應(yīng)為低渦流比?？勺儨u流進(jìn)氣系統(tǒng)。由于直噴式柴油機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性好的明顯特點(diǎn)，柴油機(jī)向直噴化方向發(fā)展。第六節(jié)均質(zhì)充量壓縮著火燃燒內(nèi)燃機(jī)

5.6

HCCI(HomogeneousChargeCompressionIgnition)一、傳統(tǒng)燃燒方式的局限性CI：質(zhì)調(diào)節(jié)，擴(kuò)散燃燒，混合氣濃度、溫度分布極不均勻，局部高溫區(qū)（預(yù)混燃燒部分）產(chǎn)生NOx，高溫缺氧區(qū)（擴(kuò)散