第五章 柴油机混合气的形成及燃烧1

2020/2/26南京航空航天大学金城学院第五章柴油机混合气的形成及燃烧2020/2/26南京航空航天大学金城学院柴油的特点是较难挥发、较难点燃和较易自燃，因此，适用于压燃式发动机。柴油机的着火是多点、不受控制的爆炸性燃烧，爆发压力高，燃烧噪声大，工作粗暴。柴油机的混合气形成条件恶劣，除了时间短之外，空间上周向与径向混合不均匀，时间上边混合、边燃烧、交叉进行。2020/2/26南京航空航天大学金城学院1、着火延迟期一、柴油机燃烧过程概述§5-1柴油机的燃烧过程•着火延迟期也称为滞燃期。•混合气准备的物理和化学过程。2020/2/26南京航空航天大学金城学院2、速燃期•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/(°CA)的范围内。2020/2/26南京航空航天大学金城学院3、缓燃期•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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院4、补燃期•尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。后燃产生的负面影响：在后燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以后燃期应尽可能地缩短。2020/2/26南京航空航天大学金城学院缩短后燃的措施：加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近基本完成。2020/2/26南京航空航天大学金城学院2020/2/26南京航空航天大学金城学院二、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2020/2/26南京航空航天大学金城学院•压缩温度和压力、喷油提前角、转速N、十六烷值、增压三、影响滞燃期因素2020/2/26南京航空航天大学金城学院1、温度和压力：随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。温度压力是影响滞燃期的直接因素，其他一些因素是通过压缩温度和压力而间接影响滞燃期的。2020/2/26南京航空航天大学金城学院高转速时最佳喷油角低转速时最佳喷油角2、喷油提前角——最大的影响因素。高转速时最佳喷油角低转速时最佳喷油角着火时刻推迟，使燃烧Tc，Pc（燃料进入气缸时空气温度和压力低）Tc，Pc2020/2/26南京航空航天大学金城学院3、转速：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2020/2/26南京航空航天大学金城学院4、增压增压Pc，Tc2020/2/26南京航空航天大学金城学院•总之当i过大时，前期喷入的燃料量增加，使速燃期内的压力迅速增高，因其发动机工作粗暴，振动噪声增加，燃烧难以控制。i过小时，对混合气形成不利，性能恶化。总体来说为控制燃烧过程，降低机械负荷使发动机平稳运转，应尽量减小滞燃期。2020/2/26南京航空航天大学金城学院四、燃烧过程中存在的问题1、混合气形成困难，燃烧不完全混合极不均匀——混合气形成时间短，边喷油、边混合、边燃烧。改进措施：1）促进混合气的形成结构上，促进缸内的涡流运动2）供给较多的空气。α大于1，一般取1.3，但至少30%的空气未被利用使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。2020/2/26南京航空航天大学金城学院2、工作粗暴，燃烧噪声较大混合极不均匀——混合气形成时间短，边喷油、边混合、边燃烧。改进措施：缩短着火延迟时间，减少滞燃期内的喷油量。但和动力性相矛盾。2020/2/26南京航空航天大学金城学院燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。减少黑烟的主要措施：1）增加过量空气系数α，但与提高柴油机的动力性相矛盾。2）改善混合气的形成，与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。3、排气冒黑烟主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。2020/2/26南京航空航天大学金城学院暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。4、排气冒蓝烟、白烟冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出受光线的反射呈现出不同的颜色，白烟是由0.6~1μm的颗粒构成，而蓝烟是由0.6μm以下的颗粒构成。2020/2/26南京航空航天大学金城学院为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化规律—放热规律。从宏观上分析燃烧组织情况，判断进行的是否完善。五、燃烧放热规律方法：1.根据喷油规律求算放热规律；2.由燃烧规律放热模型预测；3.从实测示功图计算出放热规律。2020/2/26南京航空航天大学金城学院•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。•燃烧放热规律是指瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。2020/2/26南京航空航天大学金城学院汽油机放热速率最大值最高，燃烧持续期较短，但初始放热速率较低，燃烧噪声低，工作平稳。直喷式柴油机初始放热速率最高，燃烧噪声大，工作粗暴。同样压缩比情况下后燃损失较汽油机大，热效率低。分隔式柴油机初始放热率低，燃烧噪声低，工作平稳，但燃烧持续角较长，热效率低，燃油经济性差。2020/2/26南京航空航天大学金城学院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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院燃烧起点、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院一、供油系统和喷射过程•1、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）§5-2燃油喷射和雾化2020/2/26南京航空航天大学金城学院•2、喷油过程•普遍采用柱塞式喷油泵。•3、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院定义：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。4、供油规律和喷油规律2020/2/26南京航空航天大学金城学院两者的差异：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2020/2/26南京航空航天大学金城学院二、喷油泵速度特性及其校正•1、节流作用•理论上（不存在节流）•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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院•2、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•3、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。•4、校正•1出油阀校正•2调速器校正2020/2/26南京航空航天大学金城学院三、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2020/2/26南京航空航天大学金城学院四、不正常喷射现象•1、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。•2、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。•3、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院正常与不正常喷射比较2020/2/26南京航空航天大学金城学院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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院五、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院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。理想的喷油规律：2020/2/26南京航空航天大学金城学院六、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2020/2/26南京航空航天大学金城学院一、混合气的形成：缸内混合的方式。燃油借助于高压喷射进入气缸后，在极短的时间内经历雾化、吸热、汽化、扩散与空气混合，形成良好的可燃混合气。汽油机气缸外部利用化油器形成大体均匀的混合气。汽油喷射形成均匀混合气。柴油机§5-3混合气的形成和燃烧室2020/2/26南京航空航天大学金城学院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。•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•柴油机混合形成的两种基本形式2020/2/26南京航空航天大学金城学院2、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院二、燃料的喷雾•1、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。2020/2/26南京航空航天大学金城学院2、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2020/2/26南京航空航天大学金城学院3、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2020/2/26南京航空航天大学金城学院4、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。2020/2/26南京航空航天