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第五章柴油机混合气形成和燃烧•柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不同。1、混合气形成特点：(1)汽缸内部形成混合气：因柴油不易挥发（馏程250~350℃）必须借助喷射设备喷入气缸。(2)混合气形成时间短，只有15~35゜CA,n=1500r/min时只有1.7ms~4ms(3)混合气形成不均匀α=f(x.y.z.t)α=0~∞整个燃烧室α=0~∞(4)混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧。2、混合气形成方式•提出多种混合形成方式和燃烧室，从根本上讲基本上是两种。(1)空间雾化混合，燃料喷入燃烧室空间形雾状混合物。要求喷雾与燃烧室形状配合，并利用气流运动。(2)油膜蒸发混合，燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室上，形成一层油膜，油膜受热蒸发，在旋转气流作用下与空气相混合形成可燃混合气。在小型高速柴油机上，燃燃油或多或少会喷到燃烧上形成油膜因此以上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不同。目前多数车用柴油机以空间雾化混合为主。§5-1柴油机燃烧过程一、燃烧过程为了便于分析和揭示柴油机燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即:Ⅰ.着火延迟期（又称为滞燃期）；Ⅱ.速燃期；Ⅲ.缓燃期Ⅳ.补燃期。Ⅰ.着火延迟期•从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。•着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。•物理准备过程：燃油油滴→加热→蒸发→扩散→气化和混合形成可燃混合气；•化学准备过程：可燃混合气→裂解→产生醛类过氧化物兰炎→过氧化物，CO兰炎产物是CO，O，OH，H等或性中心→热炎→热爆炸。•特点：压力没有偏离压缩线。影响着火延迟期(τⅰ)长短的主要因素•喷油时缸内的（P+T)↑→τⅰ↓。•柴油的自燃性好（十六烷值↑）→τⅰ↓，燃烧室的形状和壁温等。•喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角。•着火延迟期一般为0.7~3ms。Ⅱ速燃期•速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力.•特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）。•一般用压力升高率λp〔MPa／(ºCA)〕表示压力急剧上升的程度。式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（MPa）;△θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（ºCA）。pp•速燃期特点：•λp很高，接近等容燃烧，工作粗暴。•达到最高压力（6~9MPa）。•继续喷油。•λp过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；•λp大，燃烧迅速→经济性和动力性变好。•λp应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5MPa／(ºCA)。与汽油机相比，柴油机的λp较大。控制压力升高率的措施减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量。①缩短着火延迟期的时间；②减少着火延迟期内的喷入油量,先少后多；③减少可能形成可燃混合气的燃油,油膜蒸发缓和Ⅲ.缓燃期•缓燃期：图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。•当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。一边燃烧，一边活塞下行，缸内压力几乎不变或稍有变化（接近等压过程放热量达70~80%。燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20oCA～35oCA处出现。•特点：缸内废气↑，氧气↓，燃烧条件不利，边混合边燃烧，局部高温缺氧，燃料裂解形成碳烟→冒烟、经济性↓。•柴油机均在α1的条件下工作，使柴油机容积利用率↓,这是其比质量，升功率不如汽油机的原因之一。Ⅳ.补燃期•补燃期：从最高温度点起到燃油基本烧完为止称为补燃期。•补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的95％～99％时，就可以认为补燃期结束，也是整个燃烧过程的结束。•特点：时间短促，混合气不太均，燃烧放出的热量得不到有效利用，排气温度提高，散热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零部件的热负荷。因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。小结、混合气形成和燃烧过程1、混合气形成液体柴油油束油线油粒雾粒油雾即：在压缩行程终了，由喷油器将雾状柴油喷入汽缸；直接在燃烧室内与空气混合，形成混合气.2、燃烧过程1）着火落后期2）速燃期3）缓燃期4）补燃期3、混合气形成的方法1）空间雾化混合2）油膜蒸发二、燃烧放热规律：•瞬时放热速率：指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间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。•燃烧放热规律：瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。•燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内压力、温度的变化，进而影响到柴油机的性能，对了解、分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用。•不同类型柴油机的放热规律曲线形状不同。下图为一典型直喷式柴油机的放热规律。从曲线中可以看到，放热过程明显分为三个阶段:第Ⅰ阶段AB为予混合燃烧阶段，放热率一般都很高，历时3~7oCA，与速燃期相对应。第Ⅱ阶段BC为扩散燃烧阶段，放热率逐渐下降，历时约为40oCA，ⅠⅡ阶段的累积放热量约为80%。第Ⅲ阶段CD为放热的尾巴，可能延至整个膨涨过程放热量约占20%。大量研究表明，开始燃烧时刻，放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三要素，燃烧始点最佳是使Pmax出现在上止点后7~8oCA，燃烧持续时间最佳为40oCA。dQB/dφ放热率总放热量QBbⅠⅡaⅢ三、柴油机燃烧过程中存在的主要问题（一）空气利用率低、α不均匀•混合气形成时间短、只有15~35oCA，1.7~4ms边燃烧边油，油滴易被高温废气包围找不到氧，氧找不到油分子；所以为保证柴油机燃烧比较完全，必须在α1条件工作α=1.3左右，即30%的空气量未能完全利用。使柴油机容积利用率低，比质量升功率较小体积较大。（二）燃烧噪声（工作粗暴）•主要是因为速燃期压力升高率过大.（λp0.4~0.5Mpa/˚CA）产生燃烧噪声使零件负荷↑寿命↓称柴油机工作粗暴。（四）柴油机的有害排放物柴油机废气中的有害排放物主要包括：•碳氢化合物(HC)、一氧化碳（CO）、氮氧化物(NOx)以及微粒（PM）等。•与汽油机相比，柴油机废气中的CO、HC以及NOx相对比较少，而微粒则是柴油机所特有的问题。(1)微粒(PM)•微粒是指温度在52˚C以下时，排气中除水以外的固态和液态物质。•高温、极度缺氧→微粒成核→表面增长→凝聚→集聚→吸附等阶段。一般在高负荷时发生。如汽车加速，爬坡或超载。•减少微粒的措施：改进进气系统ην↑①增大过量空气系数α减少喷油量降低功率使用；②组织空气运动促使油束分散增大混合范围，热混合作用。(2)氮氧化合物（NOx）•N0x主要是在高温、富氧和相对有较充裕反应时间的条件下生成的。•当过量空气系数α在一定范围内时，N0x的排放量随α的下降而较快地增长；而当α过大或过小时，N0x的排放量变化都很小。•由于在分隔式燃烧室柴油机燃烧过程中，在副燃烧室内混合气很浓而在主燃烧室内温度又相对较低，因此在较高负荷的区域内，分隔式燃烧室柴油机N0x的排放量约为直喷式燃烧室柴油机的1/2。(3)一氧化碳(CO)•CO是不完全燃烧的产物，由于柴油机的过量空气系数α较大，产生的CO又有可能有足够的空气在膨胀过程中氧化为CO2。因此柴油机废气中的CO含量很低，仅在接近全负荷附近，即过量空气系数α过小时，CO的排放量才有所上升。(4)碳氢化合物(HC)•柴油机废气中的HC主要是在混合气过稀的情况下产生的。•特别在低负荷时过量空气系数α过大，由于温度过低，反应不能及时进行，从而使HC的排放量有所增大。（5）白烟与蓝烟•在柴油机冷起动后怠速或低负荷下暖机的过程中，特别在寒冷天气时，会产生白烟与蓝烟。由于燃烧室内工质的温度低，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃烧或部分氧化的燃油一般以液态微粒的形式随废气排出后，冷凝而形成白烟与蓝烟。•白烟（0.6μ～1mm）与蓝烟（＜0.6μ）之间并没有严格的成分差异，只是由于微粒直径不同，白烟的微粒直径较蓝烟的微粒直径大而对光线的反射不同，从而产生不同的颜色。一般白烟在柴油机暖机的过程中逐渐变为蓝烟，再变为无色烟。§5-2燃油喷射和雾化•喷油泵的作用：定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。要求：1）各缸供油量相等2）各缸供油提前角相等，持续角一致3）供油次序与发火顺序一致4）能迅速停止供油，防止喷油器发生滴漏现象。分类：柱塞式喷油泵喷油泵——喷油器转子分配式喷油泵•喷油器的作用：将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微小的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。1、喷射过程•喷射过程：供油开始至喷油停止的过程，约占15o～40oCA。图5－12表示了在喷射过程中喷油泵端燃油压力、喷油器端燃油压力以及针阀升程h的变化情况。•喷油延迟角：喷油提前角与供油提前角的差值。•①转速升高，喷油延迟角加大；•②高压油管较长，压力波传播时间较长，喷油延迟角也会较大。•（1）几何供油规律：单位时间内油泵的供油量随时间的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的；•（2）喷油规律：即喷油速率，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。•从几何供油规律和喷油规律的比较可见：•①喷油始点迟于供油始点；•②喷油持续时间较供油持续时间长；•供油规律和喷油规律曲线不同的主要原因：•①燃油的可压缩性，使系统内产生压力波的传播，高压油管的弹性变形引起容积的变化；•②压力波的往复反射和叠加的作用。2、不正常喷射现象（l）二次喷射现象：既在喷射终了喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起喷油的现象。•危害：①压力低雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多，易引起喷孔堵塞；②时间长燃烧不及时，经济性下降，零部件过热。•解决措施：①尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动；②合理选择参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷孔尺寸、针阀开启压力等。（2）滴油现象：在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。（3）断续喷射：由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷出的油量和填充针阀升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。（4）不规则喷射和隔次喷射：洪油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。二、燃油的雾化和油束特性•燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在高压（20～160MPa）、高速（100～400m/s）的作用下，从喷油器喷入燃烧室。燃油与燃烧室高压空气的相对运动中及紊流的作用下，被逐步粉碎分散为直径约2～50μ的液滴，由大小不同的液滴组成了油束。•油束的几何形状的几个参数：•①油束射程L（又称为贯穿距离）；•②油束的最大宽度B；•③喷雾锥角β：标志油束的紧密程度。•④贯穿率L/Lo（Lo喷孔至燃烧室壁的距离）：当L/Lo1→有一部分燃油喷射到了燃烧室的壁面上。•⑤雾化质量：•细度：用液滴平均直径来表示。直径越小，油束雾化得越细。•均匀度：油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束内分布的均匀程度。•影响油束几何形状的主要因素有：喷射压力，喷油器喷孔的长度直径比和空气与燃油密度比等。§5-3混合气的形成和燃烧室一、两类燃烧室：1、统一式燃烧室：又称直接喷射燃烧室。⑴型燃烧室→开式(dk/D＞0.8,dk喉口直径);⑵球型燃烧室→半开式（dk/D=0.35～0.65）。2、分隔式燃烧室：由主燃烧室和副燃烧室组成。⑴涡流室燃烧室;⑵预燃室燃烧室。1.直接喷射式燃烧室•结构特点：整个燃烧室由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所形成的统一空间内，活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹坑。•开式燃烧室的混合气形成主要靠油束与燃烧室形状配合。不组织空气运动或辅以微弱的空气运动。这种燃烧室空气利用率低，但经济性好，主要用在大中型柴油机上。目前汽车、拖拉机柴油机上多采