第6章柴油机混合气的形成和燃烧1-4

第六章柴油机混合气的形成和燃烧6.1柴油机混合气的形成和燃烧室一、柴油机混合气的形成1、空间雾化2、油膜蒸发柴油机可燃混合气的形成依靠两方面：燃料喷雾和组织空气运动。按其形成原理可分为两种方式1)空间雾化混合2)油膜蒸发混合1、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。ppmax1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。3初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。2、油膜蒸发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）ppmax1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，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。噪声小，经济性较好工作柔和，油膜蒸发特点空间雾化混和油膜蒸发混和大部分燃料以较高压力喷射到燃烧室空间，散布于空气中采用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布在燃烧室壁面上燃料在空气中呈细小油粒状燃料在壁面上形成油膜细小油滴以液相与空气混和，形成不均匀混和气油膜蒸发，燃油蒸汽与空气混和，形成相对均匀的混和气大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成的可燃混和气数量多，多点大面积同时着火散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混和气，着火面积小。初期燃烧的放热速率很高，以后逐渐减慢。受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热速率呈前低后高的规律油膜蒸发与空间雾化比较二、柴油机燃烧室柴油机混和气的形成和燃烧都是在燃烧室进行的，时间非常短，要使发动机具有良好的性能，不但要有良好的燃料喷射系统，较高的燃料喷雾质量，还必须有与燃料喷射配合恰当的燃烧室形状和气流运动。柴油机燃烧室按结构形式可分为直接喷射式分隔喷射式直接喷射式分隔喷射式1开式：中、大型，中、低速船舶、发电用大缸径柴油机,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）（一）直喷式燃烧室结构特点：位于活塞顶部，具有统一空间的燃烧室。直喷半开式燃烧室1、型燃烧室混合气形成方式：空间雾化6.0~4.0DdkdkdDkdDk为燃烧室喉口直径；D为气缸直径。，油束射程燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率。，油束射程，气流运动燃油喷在燃烧室壁面上，雾化差。型燃烧室主要结构参数85.0~75.0ckVVVkVcVVkcVVkc为燃烧室容积；为活塞位于上止点时的压缩容积。空气利用率，散热面积燃烧好。尽可能大。所以，希望i3.1NOx（1）长型多孔（3～5个）喷嘴，孔径d=0.25～0.4[mm]。针阀开启压力19.6[MPa]，喷雾夹角140～160。（2）工作粗暴。（3），大空气利用率空气停留时间（4）结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好。型燃烧室主要特点半开式球型燃烧室混合气形成方式：油膜蒸发球型燃烧室特点（1）螺旋进气道，进气涡流强。（2）采用单孔喷嘴=0.5～0.7mm，或双孔喷嘴=0.3～0.4mm。喷嘴与气缸盖平面成70夹角，沿顺气流方向喷射。（3）由于油膜的隔热作用，缸壁温度合适，200～350℃。（4）值较小，=1.1左右，空气利用率（5）工作柔和、平稳，噪声小。经济性、动力性较好（6）冷起动性和低速性差，排污严重。（7）缸径D不可太大，一般在140mm内球型燃烧室特点复合型(U)燃烧室混合气形成方式：空间雾化+油膜蒸发（1）喷油基本垂直于气流方向雾化好（2）采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。（3）低速时气流弱：空间分布燃料多改善了冷起动性和低速性。高速时，气流强：壁面分布燃料多平均压力升高率和最高压力，工作柔和、平稳，噪声小。（4）气流运动起重要作用复合型燃烧室特点半开式燃烧室的空气运动进气涡流挤压涡流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。切向进气道螺旋进气道切向进气道特点:气道母线与气缸相切；进气道与缸盖底面夹角小；气道断面收缩大；气道中心线与汽缸轴线相错。优点:结构简单，进气涡流要求低时,气流阻力小v缺点:涡流强度对进气口位置敏感螺旋进气道特点：进气道呈螺旋型优点：能产生强烈的进气涡流。缺点：涡流强度会增加进气阻力工艺要求高，制造、调试难度较高挤压涡流无进气涡流或涡流弱进气涡流强压缩接近上止点时,活塞顶上部的环形空间中的空气被挤入活塞顶凹坑的燃烧室内,形成空气的涡流。逆挤压涡流挤压和逆挤压不影响充气效率，有助于燃料的分布和混合气的形成，对混合气起主导作用的是进气涡流和逆挤压涡流活塞下行燃烧室中的空气向外流到环形空间产生膨胀流动，称为逆挤压涡流。（二）分隔式燃烧室主要用于高速柴油机结构特点：整个燃烧室分隔成两个空间，主燃烧室设于活塞顶部，副燃烧室位于气缸盖内，中间用通道连接。燃油直接喷入副燃烧室内。按照气流运动方式分为：涡流室和预燃室涡流室型%80~50ckVV燃烧室容积涡流室容积%5.3~1活塞顶面积通道截面积副燃烧室呈球形，与主燃烧室通过相切的孔道相通结构特点通道与涡流室相切，产生压缩涡流。喷油器安装在涡流室中，顺气流方向喷射。混合气形成方式：热混合混合气形成与燃烧（1）采用轴针式喷嘴=1mm，针阀开启压力9.8～12[MPa]。（2）涡流强空气利用率（=1.1～1.3）。（3）n涡流强度高速性。（4）压缩涡流、燃烧涡流使后期放热大工作柔和、平稳，噪声小。（5）相对散热面积，节流损失经济性，冷起动性。主要特点预燃室型%40~20ckVV燃烧室容积预燃室容积%7.0~25.0活塞顶面积通道截面积结构特点主燃烧室与副燃烧室相通的孔道直径较小。通道个数多，截面积小，产生压缩紊流。喷油器安装在预流室中，燃油逆进入预流室的气流方向喷射。混合气形成与燃烧主要特点（1）采用轴针式喷嘴，针阀开启压力7.8～12.8[MPa]。（2）紊流强混合气形成改善。（3）节流作用大高速时，工作更加柔和、平稳，噪声更小。（4）低速性时易工作粗暴，噪声大。（5）相对散热面积，节流损失经济性。不同燃烧室性能对比直喷式燃烧室分隔式燃烧室开式半开式涡流室预燃室混合气形成方式空间雾化空间雾化两段混合两段混合空气运动进气涡流无或弱较强进气涡流挤压涡流压缩涡流二次涡流压缩紊流燃烧涡流喷油器孔式（6~12）孔式（4~6）轴针式轴针式燃料雾化要求高要求较高要求较低要求较低启动容易较容易难最难对燃料适应性差较差较好好不同燃烧室性能对比直喷式燃烧室分隔式燃烧室开式半开式涡流室预燃室Pme高较高较低低be190~210~240235~275245~290NOX高较高低低PM较低高低低HC较低高低低燃烧噪声最高较高低最低适应转速=1500=4000=5000=3500在缸径大于200mm,转速小于1000r/min的重型汽车、大型增压柴油机上采用开式燃烧室。中、轻型车目前主要是涡流室和半开式的竞争。预燃室常用于要求噪声特别低的特殊场合：矿井、潜艇。不同燃烧室性能对比6.2燃油喷射与雾化一、供油系统和喷射过程1、柴油机供油系统大、中型车泵-管-嘴供油系统轻型车用分配式喷油泵供油系统柱塞式喷油泵燃油供给系柱塞式喷油泵喷油泵喷油泵的主要作用是定时定量经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。喷油器喷油器头部结构(a)(b)(c)(d)孔式（单孔）孔式（多孔）轴针式（标准）轴针式（节流）直喷式燃烧室分隔式燃烧室喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。。喷油嘴的流通特性喷孔有效流通截面积与针阀升程的关系针阀头部圆锥部分的节流作用多层多孔喷油器喷油泵节流作用上行：当3点与5点重合时，才开始供油。当2点与4点重合时，既开始回油，停止供油理论上（不存在节流）上行：当3点不到5点时，由于通道小，节流，已经开始供油。关闭进油口时—供油提前。当2点过了4点以后，通道小，节流，才开始回油，停止供油。开启回油口时—供油持续。所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。喷油泵节流作用实际上（存在节流）喷油泵速度特性喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置固定，循环供油量随喷油泵转速变化的关系。n节流作用循环供油时间循环供油量g车用：希望ngMe（例如：低速大负荷工况）喷油泵速度特性：ngMe。因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正。车用的适应性喷油泵速度特性校正尾部4条锥形槽，尺寸向阀顶逐减；出油阀减压环带凸缘与出油阀座内孔有不同间隙；出油阀开节流小孔。ngMe。可使循环供油量曲线变得较平坦，但若要适合于车用，还需进行调速器校正。即使经过出油阀校正，柴油机的扭矩Me曲线仍比汽油机的平缓。1出油阀校正可变减压容积和可变减压作用喷油泵速度特性校正ngMe。在第七章发动机特性中介绍2调速器校正(1)喷射延迟阶段(2)主喷射阶段(3)喷油结束阶段喷射过程从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程。整个喷油过程在全负荷工况下约占15º~40º曲轴转角。整个喷射过程分为三个阶段喷射延迟阶段主喷射阶段喷射结束阶段供油始点A喷油始点B转速越高，高压油管越长，喷射延迟角越大喷油器端压力急降C喷油器针阀完全落座D喷油时间由柱塞有效行程喷射结束应干脆利落，还应有一定残余压力单位时间（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。喷油规律单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为喷油规律。几何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几何供油规律。几何供油规律与喷油规律两者有何不同？两者的差别主要原因(1)燃油的可压缩性燃油在低压时可视为不可压缩流体，但是高压（30~200MPa)时必须考虑其可压缩性，高压系统中压力变化大(2)压力波传播滞后虽然压力波传播速度高达1200~1400m/s,仍有明显的相位差。1m高压油管在发动机转速3000r/min时，相位差达10°曲轴转角。(4)高压容积变化两者的差别主要原因(3)压力波动高压系统中压力波传播速度高达的反复反射和叠加会造成喷油规律和供油规律在形状上产生差异。指高压油管的弹性变形以及出油阀和针阀两个弹性系统的影响。高压系统压力变化越大，管子内径越大，管路越长，容积变化越大。异常喷射现象•a)二次喷射•b)断续喷射•c)隔次喷射•d)气穴与穴蚀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。在发动机高转速、高负荷下容易发生。减少二次喷射的方法减少高压油管容积，增加高压油管刚度增加喷孔直径增加出油阀的减压容积断续喷射喷油时间正常，但是某一瞬时喷油泵的供油量小于从喷油嘴喷出的燃油量，针阀在喷射过程中周期性跳动。针阀运动次数，喷油嘴易磨损。主要发生在低速低负荷工况隔次喷射低速、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。怠速运转不稳定。气穴与穴蚀瞬间某一部位高压油路中的压力接近于零压时，会产生油和空气的气泡，称为气穴。气泡在随后的高压下爆裂，气泡的连续产生和爆裂会引起油管压力在主喷射后高频波动，对金属表面形成冲击，这种现象多次出现会导致疲劳损坏，称为穴蚀。气穴与穴蚀气泡的产生和破裂不但有可能产生穴蚀，还会造成供油不稳定。消除气泡的方法：在喷射结束后高压油管内应具有一定的剩余应力，如减少出油阀的减压容积，但是过高的剩余压力又会引起二次喷射。燃油的雾化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