第三章 柴油机汽油机混合气形成和燃烧

2020年1月20日星期一1时16分22秒1河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程2020年1月20日星期一1时16分23秒2河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程汽油机柴油机1点燃式。压燃式。2τi影响小。τi影响大。3进入气缸的是混合气，混合时间长。进入气缸的是新鲜空气混合时间短。4Tmax高，热负荷大。pmax高，机械负荷大。5压缩比低，=6～12。压缩比高，=12～22。6有爆燃问题。有工作粗暴问题。7组织气流运动的目的——加速火焰传播，防止爆燃组织气流运动的目的——促进燃油与空气更好地混合。柴油机与汽油机相比主要有如下特点：2020年1月20日星期一1时16分23秒3河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程——将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动实现破碎雾化、吸热蒸发，达到充分混合。特点：⑴喷射压力≥20~30MPa⑵对喷雾要求高(多孔喷嘴)燃烧易于完全，经济性好.⑶对气流要求不高后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。⑷但初期空间分布燃料多，燃烧迅速λp，pmax工作粗暴，NOx较高。主要用于大、中型柴油机。一、形成混合气的两种基本形式㈠空间雾化2323pppp2020年1月20日星期一1时16分24秒4河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程——有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上，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)。特点：⑴对燃料喷雾要求不高(采用单、双孔喷嘴)，对空气运动要求高，NOx较少，HC较高。⑵空间雾化混合气先着火点燃剥离油膜，放热先缓后急λp，pmax工作柔和，噪声小，经济性好.⑶但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。单独采用油膜蒸发方式的内燃机日趋渐少。㈡油膜蒸发2020年1月20日星期一1时16分24秒5河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程二、燃料的喷雾——只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。接触面积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。1[ml]油滴:1个，d=9.7[mm]，S=245[mm2]雾化后:299×107个，d=40[μm]，S=1.5×106[mm2]面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加。㈠喷雾的作用㈡油束的形成及特性1.油束的形成燃油喷射——高压(≥12~25MPa)高速(100~300m/s).一级雾化：气缸中空气的动力作用将油束撕裂成片2020年1月20日星期一1时16分24秒6河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程带、泡或大颗粒的油滴。二级雾化：空气动力作用将片、带、泡或大颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。特点：油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。边上油滴松散，颗粒小。但也有说法正好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。2.着火条件浓度、温度为着火的必要条件中间油粒大，浓度偏高。外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不高，化学准备没有跟上。等温度适合于着火了，油粒又过分发散，也不会着火。要控制好浓度与温度的进程，使之正好配合，方可着火。2020年1月20日星期一1时16分24秒7河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程1.油束射程L——并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L↑↑→燃料喷到壁面上多→空间混合气太稀；L↓↓→燃料集中→混合气分布不均匀，空气利用↓2.喷雾锥角反映油束的紧密程度。孔式喷嘴—油束松散，粒细；轴针式喷嘴—油束紧密，粒粗。3.雾化质量（雾化特性）细微度——油滴平均直径细:雾化好均匀度——油滴最大直径―油滴平均直径匀:雾化好粒细均匀度好，粒粗均匀度差。㈢喷雾特性2020年1月20日星期一1时16分24秒8河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程单位时间(或曲轴转角)的喷油量随时间(或曲轴转角)的变化规律。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。1.喷油延迟角喷油提前角θ——开始喷油上止点的曲轴转角。θ'——上止点停止喷油的曲轴转角。喷油延迟角：θθ'2.喷油延迟角对性能的影响θθ'喷油持续时间长，工作柔和，但油耗增大，排放变差。θθ'喷油持续时间短，油耗下降，排放好，但工作粗暴。㈣喷油规律2020年1月20日星期一1时16分25秒9河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程3.喷油延迟角的比较⑴先急后缓θ工作粗暴；θ'油耗，排放差。⑵先缓后急θ工作柔和；θ'油耗，排放好尽量采用.1.孔式喷嘴——主要用于直喷式燃烧室中。孔数:1～6个，φ=0.25～0.8mm。孔数越多，孔径越小，雾化越好，但也易阻塞。2.轴针式喷嘴——主要用于分隔式燃烧室中。φ=1～3mm，通道间隙δ=0.025～0.05mm。雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。㈤喷油嘴构造2020年1月20日星期一1时16分25秒10河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程1.进气涡流——使进气气流相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。⑴切向气道——特点:气道母线与气缸相切。优点:结构简单，气流阻力小ηv。缺点:涡流强度对进气口位置敏感。⑵螺旋气道——特点：进气道呈螺旋型。优点：能产生强烈的进气涡流。缺点：工艺要求高，制造、调试难度较高。三、气流运动对混合气形成的影响㈠气流运动的作用空气静止、油束紧密；空气作旋转运动、油束松散㈡气流运动2020年1月20日星期一1时16分25秒11河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程2.挤气涡流活塞上行：将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。活塞下行：形成反涡流。挤气间隙挤气涡流强度。挤气面积挤气涡流强度。挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。3.燃烧涡流燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，气缸盖内的副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。2020年1月20日星期一1时16分25秒12河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程㈡热混合作用1.刚性涡流——涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。2.势涡流——涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。一般认为涡流为势涡流。3.热混合作用——主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生；涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。若ρ'为质点密度，ρ为空气密度。当ρ=ρ'时，质点作圆周运动。当ρ'ρ时，离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。2020年1月20日星期一1时16分25秒13河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程当ρ'ρ时，压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动液体油、燃油蒸汽：ρ'400ρ，向外运动。燃烧产物：ρ'0.3ρ，向中心运动。燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。2020年1月20日星期一1时16分25秒14河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程柴油机燃烧过程的特点1.范围：着火过程和燃烧过程，从开始喷油~燃烧完2.时间：极短，高速柴油机只有3~10ms；3.空间：很小，小功率柴油机的只有20~60ml；4.燃烧方式：反应物很不均匀且与燃烧产物同处一室，压缩自燃和多源着火。柴油机燃烧的主要研究方向1.喷油雾化2.喷油规律3.气流运动4.燃烧室结构四者配合要好。2020年1月20日星期一1时16分25秒15河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程1——喷油嘴针阀打开向缸高压喷油.此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度(可达400～800℃)，但并不马上着火。燃烧需要：物理准备——雾化、吸热、蒸发、扩散、混合。化学准备——分解、氧化(焰前反应)。2——缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。一般：τi=0.0007～0.003[s]；对应的曲轴转角称为着火延迟角i。尽管着260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ一、燃烧过程㈠滞燃期1~2(着火延迟角)火延迟期很短，但却对燃烧过程、尤其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。2020年1月20日星期一1时16分26秒16河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ2点——开始着火，压力急骤增高，接近等容燃烧。持续喷油，随喷随燃.3——最高压力点。为表示2－3阶段压力升高的急骤程度，引入压力升高率概念：[kpa/℃A]λp，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。λp，pmax做功不利，柴油机性能。τiλp，λp≤300~500[kpa/℃A]㈡速燃期2~32323pppp2020年1月20日星期一1时16分26秒17河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ4——最高温度点，T4=Tmax=1700～2000℃，大部分燃油在此燃烧，放热量达70～80%。喷油在这一阶段停止.V，p，接近等压燃烧，废气量，氧气、燃油量燃烧速度。㈢缓燃期3~4㈣补燃期4~55——放热量达95～97%。补燃期属于膨胀过程。补燃期ηt，ge，动力性，冷却水温度，排气温度，排放差。所以，应尽量减少补燃。柴油机由于随喷随燃，混合时间短，补燃要比汽油机严重。2020年1月20日星期一1时16分26秒18河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程260402002040608013ⅠⅡⅢCA)('2'1'34'4'55pThdtdgBQdtdQB上止点iⅣ2020年1月20日星期一1时16分26秒19河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程ε，进气温度、采用增压pc，Tcτilnτiτi。二、影响着火延迟期τi的因素㈠压缩温度和压力——直接影响因素虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧pc，Tcτi;pc，Tcτi。所以，有一个使τi为最小的。高速时:τimin=10~15[℃A];低速时:τimin=5~10[℃A]一般：=5~10[℃A]；㈡喷油提前角——影响最大的因素2020年1月20日星期一1时16分26秒20河南农业大学机电学院交通系高献坤汽车发动机原理课程n↑→漏气、散热损失↑→pc↑，Tc↑；→喷油压力↑→雾化↑；气流运动↑→蒸发↑；→混合气形成好转→τi↓。但n↑→着火延迟角i↑。㈢转速n㈣十六烷值CNCN↑→柴油自然性↑→缸内p，T大时，影响不大缸内p，T小时→τi↓。㈤增压增压→pc，Tc↑→τi↓。2020年1月20日星期一1时16分26秒21河南农业大