第五章 柴油机混合气形成和燃烧

第五章柴油机混合气形成和燃烧本章内容：柴油机混合气形成；柴油机的燃烧过程；柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响；柴油机的燃烧室。第一节柴油机混合气形成一、两种基本形式空间雾化油膜蒸发（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2、对空气运动要求不高3、初期空间分布燃料多，燃烧迅速（二）油膜蒸发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。特点:1对燃料喷雾要求不高2放热先缓后急3但低速性能不好，冷起动困难。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。（二）喷雾的形成1油束燃油喷射－高压、高速。一级雾化－汽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。2着火条件浓度、温度为着火的必要条件（三）喷雾特性1油束射程L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均匀度—油滴最大直径-油滴平均直径（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。1、喷油延迟角喷油提前角—开始喷油上止点的曲轴转角。’—上止点停止喷油的曲轴转角。喷油延迟角’—开始喷油停止喷油的曲轴转角。2、喷油延迟角对性能的影响’喷油持续时间长,工作柔和，但油耗增大,排放变差。’喷油持续时间短,油耗下降,排放好，但工作粗暴。（四）喷油规律3、喷油延迟角的比较a.’油耗,排放好，但工作粗暴。b.先急后缓工作粗暴。’油耗,排放差。c.先缓后急工作柔和。’油耗,排放好,尽量采用，但很难做到。（五）喷油嘴1、孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:1～5个，=0.25～0.8mm。雾化好，但易阻塞。孔数越少，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。=1～3mm，通道间隙=0.025～0.05mm。雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。三气流运动对混合气形成的影响（一）气流运动的作用（二）气流运动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（二）气流运动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: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（二）气流运动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。（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。（三）热混合作用3热混合作用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一、燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（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燃烧室结构配合要好。二、柴油机燃烧过程概述着火延迟期速燃期缓燃期•着火延迟期也称为滞燃期。•混合气准备的物理和化学过程。•温度或压力越高，着火延迟期越短。•燃烧室的形式和壁温，也影响着火延迟期长短。•着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧。•应控制压力升高率，防止工作粗暴。•柴油机Δp/Δφ不大于0.4-0.5MPa/(°)的范围内。•燃烧的进行渐趋缓慢。•尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧。补燃期•尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。三影响着火延迟期的因素（一）压缩温度和压力—直接影响因素Tc，Pc着火延迟期（二）压缩比Tc，Pc（三）喷油提前角—影响最大的因素虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧Tc，PcTc，Pc高速时:10～15[degCA]低速时:5～10[degCA]一般:=5～10[degCA]三影响着火延迟期的因素（四）转速N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。但n着火延迟角（五）十六烷值十六烷值柴油的自燃性缸内p，T大时，影响不大；缸内p，T小时。（六）增压增压Pc，Tc四着火延迟期对柴油机性能的影响期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量，Pmax。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p五、燃烧放热规律瞬时放热速率:在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（或1°曲轴转角内）燃烧的燃油所放出的热量。累积放热百分比: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。燃烧起点、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续时间被认为是燃烧放热规律的三要素。五、燃烧放热规律放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角变化的关系。阶段—在速燃期内，约占3degCA。。阶段—放热量约80%，约占40degCA。。阶段—在膨胀过程内，放热量约20%。各种发动机的燃烧放热规律燃烧放热规律影响柴油机的性能，对了解、分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用。较理想的柴油机燃烧放热规律有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。开始放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压力升高率。然后燃烧应加速进行，绝大部分燃油在尽可能靠近上止点处完成燃烧。燃烧持续时间不宜过长。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燃油喷射喷油泵速度特性及校正不正常喷射一、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）一、燃油喷射（二）喷油过程普遍采用柱塞式喷油泵。（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从几何关系求出的油泵凸轮每转一度（或每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量[ml/degPA或ml/s]随曲轴转角（或时间t）的变化关系。[ml/s][ml/degPA]其中fp—柱塞面积[mm]；Wp—柱塞速度[ml/degPA]。几何供油规律与喷油规律不同。dgdtfwpppdgdfwppp供油规律和喷油规律两者的差异：喷油始点滞后于供油始点喷油持续时间较长最大喷油速率较低曲线的形状有一定的变化定义：供油规律：单位时间内喷油泵的供油量随时间的变化关系。喷油规律：单位时间内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间的变化关系。产生差异的原因：燃油的可压缩性系统内产生压力波的传播高压油管的弹性变形二、喷油泵速度特性及其校正（一）节流作用1理论上（不存在节流）2实际上（存在节流）所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。二、喷油泵速度特性及其校正（二）喷油泵速度特性每循环供油量随转速n的变化关系。n节流作用循环供油时间循环供油量g（三）车用的适应性车用—希望ng喷油泵速度特性—ng因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正。（四）校正1出油阀校正2调速器校正三、喷射过程定义：从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程喷射延迟阶段主喷射阶段喷射结束阶段三、不正常喷射现象（一）二次喷射高压油管内压力波引起。喷射时间雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污，炭烟，零件过热。（二）断续喷射进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。（三）隔次喷射低速、尤其是怠速时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。正常与不正常喷射比较喷射系统中的穴蚀破坏穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。五、对喷射系统的要求在任一工况下都不出现不正常喷射现象，不产生穴蚀破坏。根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量。尽可能实现理想的喷油规律。良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求。对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，同时注意降低喷射系统的噪声与振动。五、对喷射系统的要求理想的喷油规律：更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷油持续时间已是技术发展的一个明显趋势。为避免柴油机工作过于粗暴，又希望实现“先缓后急”的喷油规律。在所有的工况下都希望在喷射结束阶段能尽可能迅速地结束喷射。六、柴油机电控喷射系统电控喷射系统突出优点是控制的准确性和响应的快速性。系统的基本控制量：•循环喷油量的控制•供油提前角控制第四节柴油机的燃烧室柴油机混合气形成特点和方式：柴油机可燃混合气的品质较汽油机差。柴油机不得不采用较大的过量空气系数。柴油机混合气形成方式：•空间雾化混合•油膜蒸发混合第四节柴油机的燃烧室一、燃烧室的分类（一）直喷式1开式—中、大型，中、低速船舶、发电用柴油机不组织进气涡流，空间雾化型混合气蒸发方式。2半开式—中、小型，中、高速车用柴油机（1）型（2）球型（3）复合式（U型）（二）分隔式1涡流室型—小型高速车用柴油机2预燃室型—小、中、大型，中、高速车用柴油机二、直喷式燃烧室－开式燃烧室凹坑较浅，凹坑口径与活塞直径之比一般大于0.7。主要依靠燃油的喷散雾化，因此要求高的喷射压力和较多喷孔数目。混合气形成方式为空间雾化，一般不组织空气运动，空气利用率相对较低。开式燃烧室一般适用于缸径较大（≥140mm），转速较低（≤2000r/min）的柴油机中。二、直喷式燃烧室－半开式燃烧室活塞顶部有较深的凹坑，有ω形和平底的深坑形，凹坑口径与活塞直径之比一般约在0.35～0.7之间。混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。运用较高的压力喷射，配合以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动。半开式燃烧室一般适用于缸径80～140mm，转速低于4500r／min的柴油机中。直喷式燃烧室柴油机的性能持点由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。燃烧室结构简单，面容比小，散热损失