0602第六章第二节柴油机混合气形成与燃烧室-文字

2020/1/201第六章机械与车辆工程学院BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY北京理工大学柴油机燃烧与燃油供给2020/1/202第二节柴油机混合气形成与燃烧室一.喷油器二.燃油喷雾三.缸内油滴运动四.柴油机燃烧室第六章柴油机燃烧与燃油供给目的与要求：1.明确燃油喷射、缸内气流、燃烧室形状匹配的重要性及匹配关系2.掌握各种燃烧室的特点3.掌握燃油喷雾特征、油气主要混合方式及缸内流动的作用2020/1/203柴油机非均值压燃燃烧的缺点（以扩散燃烧为主）第二节柴油机混合气形成与燃烧室平均燃烧速度低，对提高效率不利。空气利用率低。远端气体难利用。易在局部形成过浓、缺氧的状况，进而形成碳烟。着火延迟期长，初期燃烧速率过高，Pzmax、dp/dφ、噪音高；热损失高。关键问题：促进油、气快速混合与快速燃烧关键点：喷油雾化、缸内气流与燃烧室的匹配。在各种工况2020/1/204一喷油器第二节柴油机混合气形成与燃烧室作用与目的作用：（1）使油雾化；（2）形成与燃烧室等相匹配的油束目的：获得匹配良好的可燃混合气要求：供油压力保证的情况下（1）一定的燃油喷射压力（喷雾质量）（2）一定的射程（3）一定的喷雾形状与雾化状况（4）喷油及时（5）断油迅速（减少后燃）（6）避免异常喷射（燃油喷射节讲）2020/1/2051.结构第二节柴油机混合气形成与燃烧室一喷油器型式：(1)孔式；(2)轴针式2020/1/206（1）孔式喷油器第二节柴油机混合气形成与燃烧室一喷油器（适用于直喷式燃烧室）工作原理(a)喷雾状况：与喷孔大小、方向、数量密切相关；(b)喷孔的确定：油压、油量、燃烧室、安装位置、气流…2020/1/207（2）轴针式喷油器第二节柴油机混合气形成与燃烧室一喷油器特点：自洁、不积碳、不堵塞、可靠性高；加工易、成本低；喷压低10~12MPa；2020/1/208（2）轴针式喷油器第二节柴油机混合气形成与燃烧室一喷油器2020/1/209（2）轴针式喷油器第二节柴油机混合气形成与燃烧室一喷油器冷起动用的辅助喷孔：30o夹角，φ0.2mm；逆喷2020/1/2010二燃油喷雾第二节柴油机混合气形成与燃烧室不是雾化越好对燃烧越有利，（工作粗暴）泵压一定，喷孔D小，雾化好，但油的射程减小，喷雾太细（10μm），缸径较大时喷油器附近汽化，不能很好利用远离喷油器处的空气。一般油粒尺寸约在5~40μm，并且要与燃烧室形状、缸内气体流动情况等配合好。我们用喷雾特性评价喷雾状况。kiikiidNdNSMD1213Ricardo公司提出的经验公式：351.0416.06.207pdSMDc1.喷雾特性（不同直径油滴数量的分布曲线）量化指标：索特平均直径SMD→单位体积油量汽化表面积的倒数；2020/1/20112.油束结构第二节柴油机混合气形成与燃烧室二燃油喷雾（1）结构参数：(a)油束锥角αf；(b)射程，穿透距离Lf（2）油束穿透率Lf/L0；有涡流=1.05；无涡流=0.95~12020/1/20123.影响燃油喷雾的因素第二节柴油机混合气形成与燃烧室二燃油喷雾（1）燃料蒸发、雾化特性：（2）喷孔直径dc；（3）喷孔内外压差Δp←喷油压力，喷油泵凸轮型线（4）缸内工质密度ρa大，雾化好，但Lf变小。（5）喷油期间喷雾质量的变化。2020/1/2013三缸内油滴运动第二节柴油机混合气形成与燃烧室1.缸内空气运动的形式涡流、滚流、压缩挤流、膨胀逆挤流、副燃烧室向主燃烧室的喷流与紊流、局部微涡流2020/1/2014三缸内油滴运动第二节柴油机混合气形成与燃烧室1.缸内空气运动的形式涡流、滚流、压缩挤流、膨胀逆挤流、副燃烧室向主燃烧室的喷流与紊流、局部微涡流2020/1/2015三缸内油滴运动第二节柴油机混合气形成与燃烧室缸内油滴的运动取决于：初速，受阻减速，缸内气体流动的牵连速度。2.油滴运动3.热分层效应4.热束缚效应2020/1/2016四柴油机燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室（1）要求(a)Pe↗，pme↗，be↘；be平坦，对n和负荷不敏感。（功率、经济性）(b)工作柔和、噪音低。dp/dφ↘（振动、噪声）(c)热负荷低，工作可靠；（可靠性）(d)（冷）起动和加速性能好；（运转性）(e)排放低，主要排C低；（排放）(f)工艺性好，适于大量生产；（工艺性）(g)多燃料[军用车辆]；（适应性）2020/1/2017（2）类型第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室直接喷射式燃烧室：开式（浅坑型）半开式（深坑型）间接喷射式燃烧室：（分开式）涡流室式；预燃室式2020/1/20181.开式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（1）特点a.燃烧室半径大而浅，射程Lf↗。Lf/L0=1，以便提高空气利用率，喷射角φ=140~160o；b.混合物形成：以空间混合为主；如果部分喷射到壁面上→燃烧室边→T高c.喷油雾化要求高。要求喷压高(20~150MPa)，孔式喷油器，孔小dc=0.15~0.35mm，i=6~12d.（一般）无进气涡流；雾化混合主要靠喷油；e.一般适用于中、低速大D发动机、四气门。①大D，通过加大燃烧室半径、提高射程，喷油覆盖率大，利于提高空气利用率；②低速，燃时长，蒸发混合时间可以保证，燃烧好，对涡流要求低；③低速、大缸径、四气门相对不易组织强进气涡流。2020/1/20191.开式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（2）优点a.结构简单；b.相对冷却面积F/V小，传热损失小；c.起动性能好；由于bd.混合物形成过程稳定（靠供油、喷油、可调节，与工况关系相对小）e.经济性好；be=(190)205～230g/(kw.h)；喷油雾化好、流动损失小；f.热负荷低（F/V小、缸内流速低、传热损失小，尖角少），利于增压；g.充量系数фc高；无进气涡流、阻力小。2020/1/20201.开式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（3）缺点a.过量空气系数фa大（1.6～2.2）；无分层效应、空气利用率低；b.工作粗暴dp/dφ高，NOx高；但C烟低；c.对供油系统要求高，喷压要高；d.对燃料的质量要求高。喷油器孔小、易结焦。2020/1/20212.半开式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室常用于现代汽车柴油机，但有向高喷压、开式燃烧系统发展的趋势；形式很多，但典型的是深ω型；a.燃烧室半径小，燃烧室深；（压缩挤流与膨胀逆挤流强）b.一般要组织较强的进气涡流；c.喷油压力可较低；孔式喷油器孔少2～4；d.以空间混合为主+油膜蒸发混合；部分油会喷射到相对温度较高的燃烧室壁面上。（1）主要区别（与开式）与开式燃烧室式相比，一般优点有所劣化、缺点有所优化。（2）优点与缺点2020/1/20222.半开式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（3）典型ω燃烧室设计a.收口与β角；热负荷与改善燃烧（经济性）b.底部突起有助于稳定涡流、排放好；c.d/D=2.5～4、d/h=0.5～0.7↗开式d.燃烧室容积Vk/压缩室容积Vc=0.75～0.85↗功率Pe↗，但受间隙S0限制e.间隙S0↗混合变差，空气利用率低，S0↘有利，但应保证气门不碰活塞顶f.喷油器位置。伸出、位置、安装角φ与喷射角。2020/1/20233.油膜蒸发混合理论第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（1）原理德国MAN公司1954年提出了油膜蒸发混合（球型）燃烧室。工作原理：双孔或单孔喷嘴→喷油→壁→专门螺旋进气道、强烈进气涡流→壁与热空气中吸热→分层汽化→分批从外投入燃烧→热分层效应高、空气利用率高。2020/1/20243.油膜蒸发混合理论第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（2）优点a.工作柔和；b.空气利用率高；c.对喷油压力要求很低。（3）缺点a.低速性能差；低速时，涡流低、壁温低。低负荷时排烟大、冷起动差；空气利用率高；b.活塞热负荷高、喉口易裂；c.对n、负荷变化宽广时、性能不如ω等型；d.增压度不能高。油量大，油膜厚，不易蒸发。目前已经不直接用，但具有学术价值和理论实用价值。如对未来的“绝热发动机”2020/1/20254.涡流室式燃烧室(喷油器、电热塞、镶块)第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（1）结构主燃烧室、副燃烧室（涡流室）→球型或柱形；涡流室容积Vk=48%~52%燃烧室压缩容积Vc→1或数个窄小通道（面积1.2%~3.5%活塞面积）与主燃烧室相连→方向向切涡流室与活塞顶成一定角度；喷油器顺气流方向喷油利于热分层、混合。（2）原理2020/1/20264.涡流室式燃烧室(喷油器、电热塞、镶块)第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室2020/1/20274.涡流室式燃烧室(喷油器、电热塞、镶块)第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（3）优点a.对喷油压力（10～12MPa）、喷油器(轴针式)、喷雾、燃料要求低。副燃烧室内强的压缩涡流，涡流比≈25～40；b.高速性好。无需进气涡流，进气阻力小，转速n增加不致引起进气大幅度减小，涡流室内的涡流随转速n的变化相对小；4000～5000r/min；受限于惯性及机械载荷。c.涡流室偏置，利于两气门机；d.空气利用率高。过量空气系数фa（1.2～1.3）e.噪音低。dp/dφ约＝0.25MPa/oCA。Pmax、Tmax小；轴针式喷油器可控制初期喷油。f.排放低。Tmax小，燃烧完全；g.对燃料不敏感、可多燃料。热负荷高、轴针式喷油器、涡流强。2020/1/20284.涡流室式燃烧室(喷油器、电热塞、镶块)第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（4）缺点a.经济性差。be=230～270g/(kw.h),流动损失；b.起动性差；散热面积。解决：加电热塞、镶块上的起动孔、喷油器上的冷起动用的辅助喷油孔c.热负荷高，涡流室通道口易热裂；增压度较低；d.结构复杂；e.废气系数高，涡流室扫气难。2020/1/20295.预燃室式燃烧室第二节柴油机混合气形成与燃烧室四柴油机燃烧室（1）结构区别，Vk／Vc=25%～40%，连通相对面积更小（2）原理（3）优点与缺点a.预燃室可在中央，可采用4气门b.紊流度更强、损失会更大，经济性更差。2020/1/2030柴油机各种燃烧室比较直喷式分隔式开式(增压)M涡流室预燃室燃烧室形状简单一般一般复杂复杂工艺性混合气形成方式空间混合空间混合为主油膜蒸发混合空间混合为主空间混合空气运动无或弱涡流进气涡流较强进气涡流最强压缩涡流燃烧涡流（挤流）燃料雾化要求高较高一般较低低工艺性喷油器多孔6～103～51～2轴针式轴针式工艺性针阀开启压力20～40mPa18～2517～1910～158～13工艺性热损失和流动损失最小小较小大最大经济性起动性容易较易较难难利用辅助措施最难利用辅助措施机动性压缩比增压12~15非增压15~18增压14~17非增压17~19增压15~17非增压16~20非增压18~22增压~14过量空气系数1.6~2.21.4~1.71.3~1.51.3~1.61.2~1.62020/1/2031柴油机各种燃烧室比较Pe(mPa)1~2非增压0.6~0.8增压1.0~1.4非增压0.7~0.9增压~1非增压0.6~0.8非增压0.6~0.8增压~1.8动力性be(g/kw.h)205~230(190)218~245218~245231~272245~292经济性Pmax(mPa)~127~86.5~86.5~7.55.5~7可靠性燃烧噪声最高高较低低低噪声排放高高较高较低较低排放适用转速15003500250050003500适应性适用缸径20015090~130100100适应性热负荷低较低较高高最高可靠性对燃料敏感性大较大小小小多燃料适应性燃烧性能稳定性较稳定较敏感敏感稳定稳定稳定性对增压适应性高增压，受机械负荷限制中、低增压低增压低增压高增压，受