第7章柴油机混合气的形成和燃烧

汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧第三篇燃烧与排放汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧第7章柴油机混合气的形成和燃烧7.1柴油机燃烧过程图7.1柴油机燃烧过程、喷油速率和放热规律着火延迟期速燃期缓燃期补燃期压缩线针阀行程喷油速率累计放热率燃烧放热率缸内气体温度缸内气体压力线汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧1.着火延迟期•着火延迟期又称为滞燃期、着火落后期，从燃油开始喷入燃烧室内(A点)至由于开始燃烧而引起压力升高使压力线明显脱离压缩线开始急剧上升(B点)。•影响因素：燃烧室内工质的状态。P↑,T↑→τ↓,柴油十六烷值；喷雾特性、燃烧室形式、气流特性和缸壁温度等。CA12~8-i度曲轴转角，一般mss3~7.0-表示，一般时间汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•着火延迟期长短会明显影响该阶段喷油量和预制混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力性、经济性、排放特性以及噪声振动，必须精确控制。•改善喷雾雾化和蒸发条件有利于缩短着火延迟期图7.2温度与压力对着火延迟期的影响汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧2.速燃期•压力升高率•从提高动力性和经济性的角度，希望dp／dφ大一些•dp／dφ过大会使柴油机工作粗暴，运动零部件受到过大冲击载荷，•过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加。•为兼顾柴油机运转平稳性，dp／dφ不宜超过0.4MPa／(°)，而为了抑制氮氧化物的生成，dp／dφ还应更低。BCBCppp汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧3.缓燃期•从压力最高点至温度最高点（CD段）•特点：空气逐渐减少，燃烧产物不断增多，燃烧进行渐趋缓慢。如燃烧组织不当，易产生炭烟。•解决措施：后期喷入的燃油能及时得到足够的空气，尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧，从而提高柴油机的经济性和动力性。•柴油机燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20°～35°曲轴转角处出现。•缓燃期不缓-越快越好•关键是混合气形成速率4.补燃期最高温度（D点）至燃油基本燃烧完（E点）的时段。放热量达到总放热量的95%~99%时认为补燃结束。问题：补燃期过长→热量利用效率低，排温高，散热损失大，经济性差→缩短补燃期汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧7.1.2柴油机燃烧放热规律•1.燃烧放热规律的定义•瞬时放热速率是指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内(或l°曲轴转角内)燃烧的燃油所放出的热量；•累积放热百分比，是指从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。•瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧放热规律汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•图7.3燃烧放热规律汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧2.柴油机合理的燃烧放热规律1)放热规律三要素•一般将燃烧放热始点(相位)、放热持续期和放热率曲线的形状称为放热规律三要素2)理想的燃烧放热规律及其控制•放热始点的位置要能保证最大燃烧压力出现在上止点后12°～15°。柴油机通过喷油提前角的变化以及着火落后期长短来加以调控。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•柴油机的喷油提前的调节规律是：要求转速及负荷都提前汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•放热持续期首先取决于喷油持续角的大小•影响放热规律曲线形状的因素比较复杂汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧7.2柴油机混合气的形成原理•7.2.1燃油的喷射与雾化-位置式泵-管-喷嘴型特点一供油过程供油系统的主要作用是定时定量并按一定规律向各缸供给高压燃油。传统的有直列柱塞式喷油泵供油系统和分配式喷油供油系统，都属于泵-管-嘴系统。曲轴带动凸轮运动-挺柱体往复运动-压力变化-弹簧作用和压差-喷油。具体请参看柴油机燃油供给系统。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧二喷射与雾化过程喷油特性和喷雾特性→燃油喷射效果喷油特性是高压油路中的行为，包括喷油开始时刻、喷油持续期、喷油速率变化及喷油压力；喷雾特性是燃油喷入燃烧室后的行为，包括贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径、油束中燃油密度速度和粒度的分布规律。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧供油规律影响喷油规律，但不同缺点：喷油规律不可控1.喷油过程泵端压力喷嘴端压力针阀升程喷油过程划分为等三个阶段：喷射延迟期：供油开始~喷油开始高压油管内以1400m/s声速传播建立喷油器端油压缺点：供油与喷油不同步主喷射期：喷油开始~喷嘴端压力开始急剧下降。2段喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧降低至喷油器针阀落座停止喷油。3段。此时喷射压力降低雾化特性变差。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧存在的问题：供油规律与喷油规律不同；出现不正常喷射现象：汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧2.供油规律与喷油规律•单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油泵供入高压油路中的燃油量称供油速率；单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为喷油速率两者的差别主要原因：(1)燃油的可压缩性(2)压力波传播滞后(3)压力波动(4)高压容积变化汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧3.异常喷射与穴蚀•a)正常喷射b)二次喷射c)断续喷射d)隔次喷射异常喷射现象：二次喷射；喷油压力波动滴油现象；高压密封断续喷射；针阀周期跳动隔次喷射；2循环喷1次穴蚀-压力波动，冲击波长时间作用于金属表面产生小坑并不断发展成穴蚀。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧4.喷油器•孔式喷油器-用于直喷式燃烧室。燃烧室形状和空气运动→喷孔数目、孔径和喷射角度等。精度高加工困难。•轴针式喷油器-分割式燃烧室。分为标准轴针和节流轴针汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧核心部分液滴密集，速度高油束外侧液滴稀少，速度低几何形状：贯穿距离L；贯穿率和喷雾锥角或B贯穿率：油束射程与喷孔出口沿喷孔轴线到达燃烧室壁面的距离的比值表征燃油喷到燃烧室壁面的程度贯穿距离5.喷雾特性与雾化质量•喷雾(油束)特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压，是影响混合气形成的主要因素•油束特性：用几何形状和雾化质量评价汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•贯穿率1:表示油束已喷到燃烧室壁面。喷射压力越高、喷孔长度直径比越大、喷射环境密度越小贯穿率越大，喷雾锥角越小。油束射程短：贯穿距离L，喷注穿透不足；空间雾化气流强—粗暴，NOx油束射程过长：喷注穿透过度，喷注着壁；燃烧室壁面或挤气面很难形成混合气冒烟汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。•评价指标：平均粒径、索特粒径和粒径分布喷雾粒径分布的三种方式：1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧油束的雾化质量：液滴的细度和均匀度表示。烟度0粒径10均匀度是表示油束中液滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。细度用油束中液滴的平均直径表示，该值越小雾化质量越好•减小喷孔直径、增大喷油压力可以减小油滴直径和提高油滴均匀度汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧7.2.2燃烧室与混合气形成•1.柴油机的混合气形成特点和方式1)空间雾化混合2)油膜蒸发混合汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧3)两种混合方式的对比•空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用•喷雾细、均匀。较多的油滴受热蒸发，着火延迟期内形成大量的可燃混合气，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。•如果减小着火延迟期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。•空间雾化混合方式有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。•油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。•随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。•大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧2.缸内气流运动•1)涡流(1)进气涡流(2)压缩涡流•2)挤流•3)湍流•4)滚流图7.21切向气道、螺旋气道的原理(a)切向气道；(b)纯螺旋气道汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧图7.22切向气道、螺旋气道的进气门出口处的速度分布(a)切向气道；(b)纯螺旋气道涡流转速与发动机转速之比称为涡流比进气涡流比和压缩终点时燃烧室凹坑内的涡流比的关系22kcdDΩΩ汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧图7.23挤流的形成a)无进气涡流或涡流不强时的挤流b)进气涡流强时的挤流c)逆挤流汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧3.柴油机燃烧室•图7.24各种直喷式燃烧室形式•(a)浅盆形(b)ω形(c)挤流口形(d)球形汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•浅盆形燃烧室的特点-油找气，大缸径低速柴油机•ω形燃烧室的特点汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•属于半开式燃烧室，在活塞顶部设有比较深的凹坑，其中ω形凹坑的中心凸起是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气而设置的。•一般dk／D为0.6左右，dk／h＝1.5～3.5。采用4～6孔均布的多孔喷油器中央布置(四气门时)或偏心布置(二气门时)，喷雾贯穿率一般为1.05。•空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。•进气涡流比介于最低的浅盘形燃烧室(1.5)和最高的球形燃烧室(3)之间，•通过减小dk／D，和余隙高度S0，可使挤流强度增加。•由于利用燃油喷射和空气运动两方面的作用形成混合气，因而比浅盘形更容易形成均匀的混合气，空气利用率提高，可在过量空气系数声1.3～1.5的条件下实现完全燃烧。汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧•挤流口形燃烧室图7.26非回转体燃烧室(a)四角形(b)微涡流MTCC(c)Quardram(d)花瓣形汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧直喷式燃烧室柴油机的性能特点(1)由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低(2)燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小(3)对喷射系统的要求较高(5)NOx的排放量较分隔式燃烧室柴油机高(6)对转速的变化较为敏感(7)压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧2)分隔式燃烧室-油膜蒸发涡流室式对预燃室压缩过程涡流室内形成强烈压缩涡流壁面油膜蒸发混合喷入主燃室二次涡流n适应性压缩过程预燃室内形成强烈紊流部分空间混合喷入主燃室燃烧涡流n适应性汽车发动机原理第7章柴油机混合气的形成和燃烧分隔式燃烧室柴油机的性能特点(1)采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段过浓(还原)气氛，抑制了NOx的生成和燃烧温度，而后段的稀燃(氧化)气氛和二次涡流又促进了炭烟的快速氧化，因而NOx和微粒排放均低于直喷式燃烧室，但低负荷下的碳烟排放量较大。(2)由于初期放热率低，因而压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧柔和，振动噪声小。(3)对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升高而增强，即转速越高，混合气形成和燃烧速度越高，因此涡流室式燃烧室适合于高速柴油机，其转速可高达5000r／min。(4)缸内气流运动自始至终比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数1.2左右的条件下正常工作。(5)对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，因而加工制造成本低，使用故障少。(6)一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。(7)燃烧室结构复杂，表面积与容积之比