第三章 柴油机混合气形成和燃烧

第三章柴油机混合气形成和燃烧重点：燃料的喷射与雾化；使用因素对燃烧过程的影响；燃烧室。难点：使用因素对燃烧过程的影响；第一节柴油机混和气形成一、两种基本形式（一）空间雾化将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。特点:1.对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴）燃烧易于完全，经济性好。2.对空气运动要求不高后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。3.但初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。ppmax（二）油膜蒸发空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则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:1.对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高。2.放热先缓后急，工作柔和，噪声小，经济性较好。3.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。ppmax二、燃料的喷雾（一）喷雾的作用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。1mL燃油（球体）油滴:1个，d=12mm，S=576mm2雾化:3×107个，d=40m，S=1.5×105mm2面积增大2604倍，燃烧反应机会大大增加。（二）喷雾的形成及着火条件1、油束燃油喷射－高压、高速。一级雾化－气缸中空气的动力作用将油束撕裂成片、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。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。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。图是一个油滴置于静止热空气中的着火情况。空气的温度为T0，油滴受空气加热本身温度升高，同时表面开始蒸发，并向四周扩散，与空气混合。经历一段时间，油粒变小，在油粒外形成一层燃料与空气的混合气，接近油粒表面的混合气燃空比较高，由于蒸发需要吸收汽化潜热，所以这里的温度T较低。随着离开油粒表面的距离增加，混合气的燃空比降低，温度升高，图中的曲线分别表示燃空比和温度的变化情况。试验表明，发火地点不在燃空比较高的油粒表面附近，也不在远离油粒表面的稀混合气的地方，而是在离开油粒表面一定距离、混合气燃空比适当而温度足够高的地方，这里的反应速度w较高.温度浓度着火必须具备两个条件（三）喷雾特性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。（四）喷油规律单位时间（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。a）先急后缓工作粗暴油耗,排放差。b）先缓后急工作柔和油耗,排放好,尽量采用，但很难做到。（五）影响油束特性的因素1）喷油嘴构造a）孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:1～5个，=0.25～0.8mm2。雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。b）轴针式喷嘴主要用于分隔式燃烧室中。=1～3mm2，通道间隙=0.025～0.05mm2。雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。2）喷油压力压力→燃油流出速度→扰动程度和介质阻力→雾化细度及均匀度→雾化质量压力→喷油器涨裂且磨损→制造要求3）介质反压力介质密度→反压力→作用在油束上的空气阻力→雾化有所改善（喷雾锥角增加、射程缩短）4）喷油泵凸轮外形及转速凸轮形状较陡或转速较高时，均使喷油泵的柱塞供油速度加快，由于节流作用会使油管中的燃油压力增加，从而使喷油速度增大，因此雾化变好，油束射程和喷雾锥角均有所增加。三、空气运动对混合气形成的影响（一）气流运动的作用空气运动可以促使油束分散，增大混合的范围。（二）气流运动组织气流运动，加速混合气形成。1、进气涡流使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。（1）切向气道特点:气道母线与汽缸相切。优点:结构简单，气流阻力小缺点:涡流强度对进气口位置敏感。（2）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v2、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:燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，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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，汽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。带喷嘴的喷嘴支架预热塞旋涡室（三）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’—质点密度，—空气密度。当’=时，—质点作圆周运动。当’时，—离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。当’时，—压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。液体油、燃油蒸汽:’400，向外运动。燃烧产物:’0.3，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。第二节柴油机的燃烧过程燃烧过程包括着火过程和燃烧过程；范围：从压缩末期燃油开始喷入气缸到膨胀行程燃烧终点为止。（一）燃烧过程的特点1、高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2、压缩自燃。（二）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、燃烧室结构混合气形成着火燃烧产物滞燃期物理延迟化学延迟燃油喷雾燃烧燃油的先期氧化反应燃料空气混合物的氧化完全燃烧产物：CO2、H2O、SO2等燃料热分解局部着火油粒与空气混合不完全燃烧（温度过低或混合物过稀过浓）燃油蒸发燃油蒸气与空气混合完全燃烧（温度、氧浓度合适）不完全燃烧产物：CO、碳烟、HC、燃料蒸气等不完全氧化和热分解生成物与空气的混合空间油膜典型的示功图如图所示，曲线12345表示气缸中进行正常燃烧的压力曲线，126表示气缸内不进行燃烧时的纯压缩膨胀曲线，图中还画出了喷油嘴针阀的升程曲线，以及放热规律曲线。根据燃烧过程进行的实际特征，一般把燃烧过程划分为四个阶段。滞燃期速燃期缓燃期补燃期6一、燃烧过程进行情况分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。1）滞燃期（着火延迟期）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:=0.0007～0.003[s]；对应的曲轴转角称为着火延迟角。尽管着火延迟期很短，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。i2）速燃期2点开始着火，压力急骤增高，接近等容燃烧。持续喷油，即随喷随燃。3点最高压力点。。为表示2－3阶段压力升高的急骤程度，引入概念平均压力升高率:[kpa/degCA]，冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命，做功不利，柴油机性能pp3maxppp3232ppmaxppmax3）缓燃期3－44点最高温度点。1700～2000℃。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。4）补燃期4－55点放热量达95～97%。补燃期在膨胀过程中。补燃期，，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。tge二、着火延迟的影响因素（一）压缩温度和压力—直接影响因素Tcpc，lnpcTciii（二）压缩比（三）喷油提前角—影响最大的因素，pcTci，高速时:10～15[degCA]低速时:5～10[degCA]一般:=5～10[degCA]pcTci（四）转速Nn漏气、散热损失，；喷油压力雾化；气流运动蒸发混合气形成好转。但n着火延迟角（2n）pcTciii（五）十六烷值十六烷值柴油的自然性缸内p，T大时，影响不大；缸内p，T小时。i（六）增压增压，pcTci三、着火延迟期对柴油机性能的影响1.着火延迟期对燃烧过程的影响1）对最高燃烧压力和最大压力升高率的影响期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量，。，冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。混合气形成欠佳柴油机性能ippmaxippmaxi2）对示功图图形的影响当燃料相同而喷油提前角不同时，即喷油时气缸内的温度和压力不同，喷油提前角大时，着火延迟长，示功图图形大，压力、温度、压力升高比高，有时甚至会发生燃烧压力振荡。当喷油提前角相同而燃料的着火延迟期不同时，则τi短的示功图图形大而丰满，τi长的燃料示功图小，峰值低而后移，后燃严重。3）对放热规律的影响燃烧放热率随曲轴转角变化的关系。由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。线2的滞燃期较长，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较多，导致预混合燃烧的放热峰值较高，而其扩散燃烧时的放热曲线稍低。线1的滞燃期较短，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较少，所以其预混合燃烧放热峰值较低，而扩散燃烧阶段的放热阶段的放热曲线稍高。2.着火延迟期对柴油机性能的影响1）对平均有效压力和功率的影响τiτiop时，着火延迟期过短，最高燃烧压力在上止点前过早出现，使压缩过程中消耗的负功过大，散热损失增加，使Pe下降；τiτiop时，示功图的峰值位置将在上止点后过迟出现，燃烧过程推迟，热效率降低，使Pe下降；2）对燃油消耗率的影响存在一个最佳的着火延迟期！！！3）对烟度和排气温度的影响着火延迟期对排气温度的影响趋势与对燃油消耗率的影响趋势大致相同；对烟度的影响趋势则相反，着火延迟期过短，则预混合燃烧阶段烧掉的燃料量减少，而扩散燃烧阶段燃烧的燃油量增多，后燃增加，故烟度升高。第三节柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响一、燃油喷射（一）供油系统的组成油箱输油泵滤油器低压油管喷油泵高压油管喷油器（喷油嘴）柴油机燃油供给系统滤清器回油管高压油管喷油器涡流室油箱油水分离器输油泵空气滤清器喷油泵分泵回油调速器排气管（二）喷油过程普遍采用柱塞式喷油泵。柱塞上行，使喷油泵内压力升高，当压力升高到一定值时，克服喷油泵上方出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压，顶开出油阀，通过高压油管向喷油器供油。上行2点过了4点之后，打开回油口，使泵内油压下降。当泵内油压小于出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压力时，出油阀落座，喷油停止。下行2点过了4点之后，回油停止，重新进油。（三）喷油延迟时间从喷油泵内燃油顶开出油阀进入高压油管至油压压开喷油嘴针阀的时间。（四）几何供油规律和喷油规律几何供油规律：从几何关系求出的油