发动机原理-第六章_柴油机混合气的形成与燃烧

发动机原理讲授内容：第六章柴油机混合气的形成与燃烧主讲人：邓晓亭讲师Email：[e-mail]电话：[phone]第六章柴油机混合气形成与燃烧本章要求：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。第六章柴油机混合气形成与燃烧柴油机混合气的形成方式：1、空间雾化混合形成雾状混合物的要求：喷雾与燃烧室形状配合，并利用气流运动。2、油膜蒸发混合混合气形成的特点：气缸内部形成混合气混合气形成时间短混合气形成不均匀混合气形成与燃烧紧密相连柴油机燃烧过程特点：以油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环。柴油机燃烧的缺点：有碳烟的生成，碳烟聚集吸附碳氢，形成微粒。第一节柴油机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。注：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--油滴扩散燃烧单个油滴的着火区域直径：5~150um(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。二、燃烧过程Ⅰ-滞燃期Ⅱ-速燃期Ⅲ-缓燃期Ⅳ-后燃期h-针阀升程Q-循环放热量dQ/dφ-放热速率dq/dφ-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Ⅰ、滞燃期（1-2）从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点所占的曲轴转角，称为滞燃期或着火延迟期。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。一般着火延迟时间τi≈0.7-3ms，所占曲轴转角8°-12°CA。着火延迟期的作用：在着火延迟期内，燃烧室内进行混合气准备的物理和化学过程。物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。化学准备：可燃混合气通过裂解产生醛类（过氧化物蓝焰）和CO，其蓝焰产物主要是CO、O、OH-1、H+1等活性中心，当达到一定着火条件时会发生热爆炸。影响着火延迟期的主要因素：燃烧室内工质的状态，如T、P和燃料种类。Ⅱ、速燃期（2-3）从压力脱离压缩线开始急剧上升到缸内最大压力点，称为速燃期。速燃期的作用：速燃期内，在滞燃期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧，活塞在上止点附近，使缸内压力急剧上升，接近于等容燃烧。评价速燃期的参数：平均压力升高率ΔP/ΔΦ=(P3-P2)/(Φ3-Φ2)和最大压力升高率(ΔP/ΔΦ)max柴油机(ΔP/ΔΦ)max一般0.4~0.6MPa/℃A以下。最大压力升高率的大小主要与着火延迟期内准备好的可燃混合气的数量有关。Ⅱ、速燃期（2-3）速燃期的要求：在适宜的压力升高率下，速燃期的燃烧量越多越好。速燃期的影响因素：•滞燃期内形成的混合气量•缸内温度、压力和十六烷值•喷油规律、蒸发速率决定在滞燃期内形成的混合气量速燃期内，燃料燃烧释放的热量约为循环总热量的20%-30%。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。Ⅲ、缓燃期（3-4）从缸内最大压力点到最高温度点所对应的曲轴转角，称为缓燃期。缓燃期的作用：速燃期内未燃烧的燃油和后喷入的燃油，在具有大量废气的环境中缓慢的定压燃烧。缓燃期的特点：一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压过程），放热量达70%-80%。燃烧室的最高温度可达1700～2000℃左右，最高温度点一般在上止点后20～35°CA左右。缓燃期的燃烧特点：由于缸内废气量增加，导致氧气不足，燃烧条件不利，所以边混合边燃烧，存在局部高温缺氧，燃料裂解形成碳烟，使经济性变差。由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求φa1。Ⅳ、后燃期（4--）从最高温度点到燃油基本燃烧完全，称为后燃期。一般当放热量达到循环总放热量的95%-99%时，就可以认为是补燃期结束，也就是整个燃烧过程的结束点。后燃期的特点：燃烧时间短促，混合气不均匀，燃烧放出的热量得不到有效利用，排气温度提高，散热损失增大，对柴油机的经济性不利。后燃期的缺点：后燃增加了相关零件的热负荷。后燃期的优点：将燃烧产生的中间排放污染物进一步处理掉。后燃期的影响因素：燃料重烃成分所占的比例（T90、T95）应尽量减少后燃。瞬时放热速率：燃烧过程中的某一时刻，单位时间（曲轴转角）内（单位质量混合气）所放出的热量，单位是KJ/(kg·°CA)或KJ/(kg·s)。它决定压力升高率(噪音)的变化和热效率。累计放热率（累计放热百分比）：从燃烧过程开始至某一时刻为止，单位质量混合气所放出的热量与每循环单位质量混合气放热量的比值。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。三、燃烧过程的放热规律三、燃烧过程的放热规律Ⅰ预混合燃烧阶段，对应速燃期，放热率很高，历时3-7°CA。Ⅱ扩散燃烧阶段，对应缓燃期，放热速率下降，为主放热阶段，历时40°CA。这两个阶段放热达80%。Ⅲ燃烧放热的拖尾阶段，对应后燃期，放热20%。燃烧放热规律三要素：燃烧放热始点、放热规律形状和燃烧持续期。燃烧放热始点最佳的情况下，将使Pmax出现在上止点后10-15°左右。燃烧持续时间最佳为40°左右。曲线形状—开始放热适中，然后燃烧加快，尾巴尽量短。柴油机与汽油机的放热规律四、燃烧过程中存在的问题1、空气利用率低•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：①促进混合气的形成。结构上，促进缸内的涡流运动。②供给较多的空气。φa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、燃烧噪声（工作粗暴）产生原因：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ΔP/ΔΦ有很大关系。为使工作柔和，要求ΔP/ΔΦ≤0.4MPa/°CA。降低工作粗暴的根本措施：降低压力升高率。降低工作粗暴的主要途径：•缩短着火延迟期•减少滞燃期内的喷油量，选择合适的喷油规律。好的喷油规律要求：先缓、后急、速断。•减少着火延迟期内形成的可燃混合气量（油膜蒸发缓和）四、燃烧过程中存在的问题3、排气冒黑烟排气冒烟的原因：缓燃期内燃油被高温废气包围，存在局部过浓和高温缺氧，使燃料裂解、脱氢，最后聚合形成碳烟。主要发生在大负荷工况时，如加速、爬坡或超载时。减少冒烟的主要措施:(1)增加过量空气系数。但与提高柴油机的动力性相矛盾。(2)合理组织的空气运动。与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。空气运动的作用：•促使油束分散增大混合范围•热混合作用四、燃烧过程中存在的问题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0.6～1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。四、燃烧过程中存在的问题五、控制噪声与振动的措施噪声的来源•燃烧噪声（主要部分）•机械噪声•空气动力学噪声控制噪声的措施•燃烧噪声：与减少发动机工作粗暴的措施相同。•机械噪声：取决于运动件的质量、零部件的配合间隙、防止共振、采用吸振材料。•气流噪声：通过优化进排气道结构，防止截面突变；优化风扇；优化消音器；合理匹配配气相位。第二节燃油喷射和雾化一、喷油系统喷油泵的作用•定时、定量的经高压油管向各缸的喷油器周期性的供给高压燃油。喷油器的作用•将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，利用喷油器的多孔结构，使燃油雾化成微小油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。喷射过程从供油开始至喷油停止所占的曲轴转角，约占15°-40°。喷射过程分三个阶段：喷射延迟阶段，主喷射阶段，喷射结束阶段。燃油的喷射过程凸轮柱塞泵柱塞腔出油阀针阀1、喷射延迟阶段从喷油泵的柱塞顶封闭进回油口的理论供油起始点，到喷油器针阀开始升起（喷油始点）为止。出油阀升起后，受压缩的燃油进入高压油管，使喷油泵端的压力上升，产生压力波并以声速沿高压油管向喷油器端传播。当传播到喷油器端的压力超过针阀开启压力时，针阀升起，开始喷油。供油提前角——供油始点到上止点之间的曲轴转角；喷油提前角——喷油始点到上止点之间的曲轴转角；喷油延迟角——供油提前角和喷油提前角的差值。影响喷油延迟期的因素•转速升高，喷油延迟角加大。•高压油管较长，压力波传播时间较长，喷油延迟角也会较大。2、主喷射阶段从喷油开始到喷油器端的压力开始急剧下降所对应的时间或曲轴转角。针阀升起过程中，针阀上升让出容积以及一部分燃油喷入燃烧室内，喷油器端的压力有一短暂下降。喷油泵柱塞持续供油，喷油泵端压力和喷油器端压力都保持在高的水平而不下降，绝大部分燃油以高的喷射压力和良好的雾化质量喷入燃烧室内，其持续时间主要取决于循环供油量和喷油速率。主喷射阶段的影响因素：负荷增加，主喷射阶段变长。3、喷射结束阶段从喷油器端的压力开始急剧下降到喷油器的针阀完全落座停止喷油为止。喷油泵的回油孔打开和出油阀减压容积的卸载作用，泵端压力带动喷油器端压力急剧下降，当喷油器端压力低于针阀开启压力时，针阀开始下降。喷射结束阶段的特点：压力降低、所喷燃油雾化不好，造成燃烧恶化。供油规律和喷油规律•几何供油规律（供油规律）单位时间（凸轮轴转角）内油泵的供油量随时间（或凸轮轴转角）的变化关系。•喷油规律（喷油速率）单位时间（凸轮轴转角）内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间（或凸轮轴轴转角）的变化关系。•供油规律和喷油规律的区别•喷油始点迟于供油始点。•喷油持续时间较供油持续时间长。•喷油规律的峰值低于供油规律的峰值•造成供油规律和喷油规律区别的主要原因•燃油的可压缩性，使系统内产生压力波的传播；高压油管的弹性变形引起容积的变化。•压力波的往复反射和叠加的作用。柴油机供油系统的不正常喷射现象•二次喷射现象•滴油现象•断续喷射•不规则喷射和隔次喷射•穴蚀•二次喷射在喷射终了喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次升起而喷油的现象。•危害：（1）喷射压力低，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，易引起喷孔堵塞。（高速大负荷工况）（2）时间长燃烧不及时，经济性下降，零部件过热。•解决措施•尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动。•合理选择参数•滴油现象在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。•危害喷射压力极低，雾化奇差，使发动机排烟增加。•解决措施：合理匹配减压容积，使得压力下降迅速、降低残余压力。•解决措施•合理匹配供油规律、喷油规律及管路结构。•断续喷射的原因由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。•危害：喷射压力低，燃烧恶化，多次起落磨损偶件。•不规则喷射和隔次喷射供油量过小时，循环喷油量不断变动，甚至出现有的循环不喷油的现象。主要发生在怠速和小负荷工况。•危害循环波动增加、怠速不稳、限制最低稳定转速。•解决措施减少高压油管的容积并提高其刚度。•穴蚀由于在高压容积内的压力波动，当高压油路中的压力极低（低于燃油的蒸气压）时，会产生油蒸气和空气的气泡，称为气穴。气泡在随后的高压下爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，这种现象多次出现会导致金属表面的疲劳破坏，称为穴蚀。穴蚀会影响到喷油系统的工作可靠性和寿命。1.燃油的雾化燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在高压（20-180MPa）、高速的作用下，以雾状形式从喷油器喷入燃烧室。2、油束燃油与燃烧室中高压空气的相对运动