汽车发动机原理与汽车理论第6章柴油机混合气的形成和

汽车发动机原理与汽车理论第6章柴油机混合气的形成和燃烧6.1柴油机混合气的形成6.1.1柴油机混合气的形成特点和方式6.1.2影响混合气形成的主要因素6.2柴油机燃烧过程及影响因素6.2.1柴油机燃烧过程6.2.2影响燃烧过程的主要因素6.1柴油机混合气的形成背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机。6.1.1柴油机混合气的形成特点和方式1、混合气形成特点：（1）缸内进行：在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内。（2）混合时间短：难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化。（3）采用较大的过量空气系数：柴油本身粘度大，蒸发性不好。（4）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。2、混合气形成过程空间雾化混合雾化→蒸发→扩散混合油膜蒸发混合蒸发→扩散混合因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。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。3、混合气形成的基本方式1）空间雾化混合将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。相对运动速度越高，混合气越均匀。采用多孔喷嘴，燃烧完全，经济性好。初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。2）油膜蒸发混合空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急,工作柔和，噪声小，经济性较好，但冷起动困难。，目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。工作柔和工作粗暴滞燃期形成的可燃混合气数量少滞燃期形成的可燃混合气数量多混合气是气相混合气混合气是气液两相混合气燃料在壁面上形成油膜燃料在空气中是细小油滴大部分燃料涂布到壁面上大部分燃料喷射雾化油膜蒸发混合空间雾化混合4、两种混合方式的对比6.1.2影响混合气形成的主要因素影响混合气形成的主要因素:燃料喷雾、气流运动、燃烧室结构1、燃料喷雾对混合气形成的影响:燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m／s)便形成如园锥形状的喷注，也称油束。（1）油束的形成油束射程L(又称贯穿距离)：反映油束的穿透能力。雾化质量：液滴的细度、均匀度喷雾锥角β：反映油束的紧密程度。孔式喷嘴的大，油束松散，颗粒细小；轴针式喷嘴的小，油束紧缩，颗粒较粗大。油束的最大宽度B：反映油束的分布特性。（2）衡量油束雾化质量的三个因素（3）影响油束的特性因素A．喷油结构：燃油的雾化质量主要由平均直径决定。平均直径的影响因素有：喷射压力；喷油嘴喷孔直径；油束流速；空气压力与密度；燃油粘度。B．喷油压力C．缸内介质反压力（4）喷油泵凸轮形状（5）发动机转速转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。（6）燃油粘度2、空气运动对混合气形成的影响内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡流⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。产生进气涡流运动的方法有:切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统。1）涡流包括进气涡流和压缩涡流（2）压缩涡流：在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并不产生涡流，而在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量损失，使循环热效率降低。2）挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。6.2柴油机燃烧过程及影响因素柴油机燃烧过程的特点：一、高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。二、通过压缩使燃料自燃柴油机燃烧方式--油滴扩散燃烧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。6.2.1柴油机燃烧过程一、燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段.A—喷油开始B—着火开始着火延燃期C—最大压力速燃期缓燃期D—最高温度E—燃料燃烧完毕补燃期供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲轴转过的角度称为供油提前角。喷油提前角：喷油器开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。1、着火延迟期（滞燃期）从A点到B点---自开始喷油到开始着火的这一段时期。在压缩终点,温度达到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。着火延迟期一般着火延迟时间τi≈0.0007-0.003s，对应的曲轴转角称为着火延迟角。滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含了物理滞燃期和化学滞燃期。着火前的物理化学过程：物理过程—从开始喷油到形成可燃混合气为止，涉及了燃料的喷射、雾化、分布于燃烧室中、吸热、汽化、扩散、混合、升温等一系列过程。化学过程—燃料的重烃成分裂解为轻烃成分、与氧气反应形成中间物；经冷焰、蓝焰和热诱导期而着火过程。两过程相互重叠交叉进行。2、速燃期速燃期:B点到C点。从开始着火到出现最高压力。特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力急剧上升而达到最高（有可能达到13MPa以上）。速燃期•压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；•压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。为此，压力升高率应限制在一定的范围之内：柴油机0.4~0.5MPa／ºCA。汽油机的压力升高率为0.175~0.25Mpa/ºCA。控制压力升高率的措施：1）控制燃烧前期的放热，促进后期放热---减少着火延迟期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油（涡流室式燃烧室）；2）缩短着火延迟期。。3、缓燃期缓燃期为图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。缓燃期4、补燃期从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期，即图中DE段。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的95％—99％时，可认为补燃期结束。即整个燃烧过程结束。应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。补燃期补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以补燃期应尽可能地缩短。缩短补燃的措施：加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近完成。6.2.2影响燃烧过程的主要因素柴油机的燃烧过程定义是指燃料的汽缸中与压缩空气中的氧化而放出热能的过程。1、燃油性质的影响1）柴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，ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。起动性也好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，会产生排气冒烟。车用柴油机的十六烷值，一般为40～50。2）柴油的蒸发性蒸发性要适中，蒸发性过强，工作粗暴。蒸发性差，启动性不好、燃烧不完全。3）柴油的黏度粘度大:雾化质量差,冒烟,但润滑性好(柱塞,针阀)。粘度小:雾化质量好,不冒烟,但润滑性差(柱塞，针阀易磨损)4）柴油的凝点柴油冷却到失去流动性的温度点。注意：选用柴油时，牌号应比当地最低环境温度高出凝点５°C。例如：－２０＃的柴油应在－１５°C的环境条件下应用。柴油规格按凝点分为10、0、-10、-20、-35和-50六个牌号，分别表示凝点不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃、-35℃和-50℃；牌号越高，凝点越低。2、喷油泵结构参数的影响1）供、喷油提前角的影响过大，喷油时缸内压力、温度较低，着火延迟期长，导致工作粗暴，过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性；过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利。2）柱塞直径的影响过大，喷油持续时间小。3）喷油泵凸轮轮廓的影响：喷油泵凸轮轮廓柱塞的运动规律3、喷油器结构参数的影响作用：将喷油泵供给的柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。喷油器有孔式和轴针式两种。喷孔、压力室、针阀升程和式和喷射压力的影响。燃烧室的分类开式燃烧室半开式燃烧室球形油膜燃烧室直喷式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室分隔式燃烧室柴油机燃烧室4、燃烧室结构及进气系统的影响燃油喷射、气流运动和燃烧室形状的配合：三者的良好配合是满意的混合气形成和燃烧过程的基本保证；直接喷射式分隔式浅盆形深坑形球形油膜涡流室预燃室燃烧室形状简单一般一般复杂复杂混合气形成空间雾化空间雾化油膜蒸发空间雾化空间雾化空气运动无涡流进气涡流强涡流最强压缩涡流燃烧涡流燃料雾化高较高一般较低低喷油嘴多孔6~12多孔4~6单孔或双孔轴针式轴针式针阀开启压力20~4018~2518~1910~158~13损失小较小较小大最大起动性易较易难难最难5、汽缸密封性能的影响6、配气相位的影响7、三大精密偶件的影响8、冷却效果的影响9、转速与负荷的影响转速：转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。负荷：负荷增大，循环供油量增大，混合气浓度加大，单位容积混合气燃烧热增加，缸内温度上升，缩短着火延迟期，降低了工作粗暴。