柴油机混合气的形成和燃烧

第五章柴油机混合气的形成和燃烧第一节柴油机的燃烧过程1.着火延迟期2.速燃期3.缓然期4.补燃期一、燃烧过程从喷油始点A点开始到压力脱离压缩线开始急剧上升的B点为止。1.着火延迟期着火延迟期越长，气缸中积累的燃料量就越多，着火后一起燃烧，使燃烧急剧，发动机工作粗暴。缩短着火延迟期的措施:1）提高缸内温度2）使用十六烷值高的燃料在上止点前（A点），喷油器向气缸内喷入燃油，但燃油并不马上着火，而是稍有落后，因为柴油机自燃需要有一定条件。它首先由液态蒸发成气态，并与空气混合形成可燃混合气，当适当比例的混合气经过一定化学反应过程，燃油才能自燃着火。2.速燃期从气缸压力偏离压缩线开始急剧上升的B点起，到最高压力点C点为止。由于在着火延迟期中喷入气缸的燃油已经过不同程度的物理、化学准备，所以一旦着火，这些燃料也一起燃烧，此时活塞靠近上止点位置，这个阶段近似混合加热循环中的等容加热，压力升高特别快，用压力升高比来表示压力升高的急剧程度,3232ppp压力升高比太大，则柴油机工作粗暴，运动零件受到很大的冲击，发动机寿命缩短，降低Δp/Δφ的方法:------减少着火后一起燃烧的混合气量。缩短着火延迟期的时间控制着火延迟期中的喷油量抑制着火延迟期中可燃混合气的形成3.缓然期从缸内压力最高点C点开始到缸内温度达到最高点D点为止。这个阶段近似混合加热循环中的等压加热，速燃期后，喷油往往结束了。但是，由于速燃期时间较短，喷油较多，大部分燃油来不及形成可燃混合气而留在速燃期后继续混合和燃烧，使放热不断增加，温度不断升高，直到最高。这个时期结束时，放热量一般达循环放热量的70%－80%。4.补燃期从最高温度点D点起到燃油基本燃烧完的E点为止，E点一般难以确定，一般当放热量达到总放热量的95%－97%时，即可认为补燃期结束。这一阶段的燃烧是在膨胀行程中进行，必然导致发动机热效率降低，排气冒烟等现象，故应尽量减少补燃期。燃烧过程中每一个阶段都有自己的特点，但又相互关联。柴油机的经济性和动力性主要取决于速燃期和缓燃期。但是为了使柴油机工作柔和平稳，减少燃烧噪音，就应使着火延迟期（滞燃期）适当缩短，这样才能使速燃期内燃烧稍有缓和，防止压力升高率过高。另外为了提高经济性，减少排气污染，应尽量减少补燃期的燃烧量。要实现这一目的，必须使缓燃期尽快燃烧，让大部分燃油在缓燃期烧掉，补燃期就不会拖延太长。由此可见，对柴油机燃烧过程四个阶段的要求应该总结为：滞燃期要短，速燃期要缓，缓燃期要急，补燃期要少。总之,二、燃烧过程存在的主要问题1、混合气形成困难及燃烧不完全2、燃烧噪音3、排气污染因为柴油不容易蒸发，故将燃油喷射成雾状，分散成数百万个小油滴，这些细小油滴在气缸内迅速蒸发与空气混合，但因为混合时间极短，缸内情况异常复杂，故使缸内空气和燃油混合极不均匀，有的地方可能是惰性气体，有的地方是过稀混合气，有的地方甚至还有燃料液态核心，等等。所以为了保证燃油燃烧完全。柴油机均在过量空气系数α＞1的条件下工作。在速燃期中，急剧升高的压力冲击燃烧宝壁、活塞、曲轴等机件，从而诱发缸盖、缸套、机体、齿轮宝、油底壳等机件的变形、振动、并辐射出强烈的噪音，称之为燃烧噪声。燃烧噪音是柴油机噪音的主要来源。3、排气污染②排出有害气体CO、HC、NOX①排气颗粒1、定义燃油燃烧放出的热量随曲轴转角变化的关系，称为燃烧的放热规律。放热规律影响发动机的热效率及最高爆发压力。所以比较合适的放热规律是希望有合适的燃烧起点，同时燃烧应先缓后急，即开始放热适中，满足运转柔和的要求，随后燃烧加快，使燃料尽量靠近上止点燃烧，以保证好的动力性和经济性。三、燃烧过程的放热规律第二节燃油喷射和雾化一.供油系统和喷射过程供油系统的组成包括喷油泵、喷油器和高压油管燃油供给系的功用是按柴油机各种工况的需要将定量的燃油，在适当的时期，以合理的空间形态喷入燃烧室，即对燃油的数量，喷油的时间和油束的空间形态三方面实行有效的控制。定时、定量、定压1.供油系统动画2.喷射过程柱塞式喷油泵的工作过程：喷油泵凸轮→柱塞(上下运动)→进、回油孔→出油阀→高压油管→喷油器→针阀→喷孔→燃烧室当栓塞开始关闭进油孔时，泵油室内燃油被压缩，燃油压力开始升高，直到油压升高超过高压油管中的剩余压力及出油阀的弹簧压力后，燃油才能进入高压油管。但喷油器并未马上喷油，只有当压力升高到超过针阀开启压力时，针阀才打开，将燃油喷入气缸，随着栓塞运动，回油孔打开，出油阀落座，高压油管中压力迅速下降，当其压力下降到针阀落座压力时，针阀关闭，便停止喷射。第三阶段：喷油滴漏阶段。从泵的回油孔打开到针阀关闭为止。整个喷油过程可分为三个阶段:第一阶段：喷油滞后阶段。从喷油泵栓塞将进油孔关闭时起到喷油器针阀开始上升，喷油止。第二阶段：主喷油阶段。从喷油器针阀打开到喷油泵回油孔开始打开（停止供油）为止。三．油泵速度特性1．定义：喷油泵的油量控制机构（齿条或拉杆）位置不变时，每循环的供油量随转速变化的关系。Δb＝ｆ(ｎ)因为转速提高，栓塞上端还未完全关闭进回油孔，则由于节流作用，供油已开始。同样，当喷油终了时，回油孔节流作用，使泵油室中燃油不能立即流出，仍维持较高压力，油泵继续供油。每循环供油量随转速度升高而增加不符合内燃机的扭矩曲线的要求，所以要对柱塞式喷油泵做适当改造，增设校正装置。四．燃油的喷雾特性1．喷雾（雾化）：燃油喷散成细粒的过程2．喷注的基本参数⑴油束射程L（贯穿距离）⑵喷雾锥角β或油束的最大宽度B雾化质量包括几何形状和雾化质量两个方面：几何形状⑴液滴的细度⑵液滴的均匀度五．喷油规律喷油规律：单位时间（转角）的喷油量随时间（转角）而变化的关系。喷油规律与供油规律的区别：------喷油时刻落后于供油时刻因为a.要克服两个弹簧弹力;b.燃油、高压油管有弹性;c.压力波的传递理想的喷油规律应先缓后急1、二次喷射2、断续喷射3、隔次喷射4、漏油现象六．不正常喷射第三节混合气形成及燃烧室一、混合气形成特点和方式1、柴油机混合气形成的特点A、气缸内形成混合气（不同于汽油机）B、形成条件差①时间短15°-35°CA(千分之几秒)②柴油的粘度大，不易蒸发.2、混合气形成的方式A、空间形成混合气B、油膜蒸发形成混合气（主要用于球形燃烧室）在高速的柴油机上，实际的混合过程是空间及油膜混合兼而有之。3、如何改善混合气形成a.进气涡流依靠：A、喷雾：喷注特性；喷注与燃烧室相配合。B、组织空气运动－－与燃烧室形状相配合螺旋气道形成切向气道形成动画动画3、如何改善混合气形成a.进气涡流依靠：A、喷雾：喷注特性；喷注与燃烧室相配合。B、组织空气运动－－与燃烧室形状相配合b.挤流燃烧室的分类开式燃烧室半开式燃烧室球形油膜燃烧室直喷式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室分隔式燃烧室柴油机燃烧室二.分隔式燃烧室1.涡流室燃烧室（1）结构特点①燃烧室容积比δk=Vk/Vc=0.5，②燃烧室分成两部分，涡流室下部有“镶块”.（涡流室）保温，可加工－－减少流动损失.③通道的截面形状有椭圆形，弯月形.通道位置，角度，截面大小这三要素，可控制涡流强度④活塞项上开有导流槽和凹坑⑤有起动电预热室动画①涡流室内有强烈的有组织的涡流n↑，涡流强度↑②燃油顺涡流的方向喷入以空间形成混合气为主，油膜蒸发形成混合气为③热混合作用A本身密度ρ、，周围的物质密度ρρ、=ρ，做圆周运动，ρ、/ρ1，做螺旋向外运动，ρ、/ρ1，做螺旋向内运动，④“二次涡流”（2）混合气形成特点（3）性能特点优点:①由于强烈的空气涡流运动（压缩涡流与二次涡流）.混合气形成质量好，能在α较小的情况下完全燃烧。一般α=1.2~1.3②对喷雾质量要求不高，燃油系统故障少.③高速性好，性能稳定.④进气道无特殊要求.⑤运转平稳，排气污染小.缺点：①散热损失，流动损失大，经济性差。②冷起动性差③缸盖及缸体结构复杂2.预燃室燃烧室（1）结构特点①δk=Vk/Vc=0.3-0.4，②通道总截面积f/活塞面积Fp=0.25-0.7%（2）混合气形成特点活塞压缩，气体冲入副燃烧室，形成无规律紊流，燃油喷入预燃室，大部分集中于下部，有少部分小油粒被带向预燃室的上部空间，并在预燃室的上部空间着火，着火后，预燃室内压力、温度迅速上升，已燃与未燃混合气冲入主燃烧室，形成二次涡流（燃烧涡流）。动画（3）性能特点优点:①工作柔和，燃烧噪音低。由于通道节流作用，使主燃烧室压力低，Δρ∕ΔФ↓.②对燃油系统要求低，对转速及燃油品质不敏感。③空气利用率高，α=1.2~1.6缺点：①流动损失更大，散热损失亦较大。②冷起动性差。③缸盖结构复杂三.直喷式燃烧室1.开式燃烧室0.7kdD2.半开式燃烧室（2）混合气形成的特点①利用喷雾与空气流的运动，空间形成混合气为主.②喷孔较且少，孔径稍大，3－4孔③α比较小，α＝1.3－1.5，空气利用率比较好.所以：上面所说之②、③点是相对于开式燃烧室而言的.（1）结构特点Vk/Vc（相对容积比）＝0.75－0.85，dk/D＝0.4－0.6有组织空气运动的结构（进气涡流为主，挤压涡流为辅）（3）燃烧室与气流及喷注之间的配合喉口直径dk大，空气涡流少些，喷注射程长；喉口直径dk小，涡流强，喷注射程短，则喷到壁面上的燃油减少，甚至达不到壁面，这时空间分布的燃料增多。组织了进气涡流和挤压涡流（4）性能特点优点:①经济性好be↓②起动性好.缺点：①工作粗暴②气道，供油系统要求高③排放性差（NOx↑）④对工况变化敏感（1）结构特点（2）混合气形成特点①油膜蒸发形成混合气（M过程）②配有螺旋进气道，形成很强的进气涡流，③双孔或单孔喷嘴④燃烧室壁温度控制在200℃~300℃3.球形燃烧室动画①工作柔和，噪音小②经济性好③α比较小,α=1.1④冷起动困难⑤低速性能不好，使用稳定性差⑥对气道要求高（3）性能特点第四节燃烧过程的影响因素一、燃料性质二、负荷十六烷值（发火性）↑，τi↓，工作柔和.馏程（蒸发性）↓，蒸发性↑，τi↓1、负荷↑，T↑，τi↓，工作柔和↑，负荷↑，供油量Δb↑，α↓,不完全燃烧↑,ηi↓2、负荷↑↑，Δb↑↑，冒黑烟3、负荷↓↓→0（怠速空转），T↓,τi↑，工作粗暴三、转速四、供油提前角1、n↑，散热损失↓，漏气损失↓，p↑，T↑，τi↓，由Φi=6nτi，Φi可能↑，也可能↓2、n↑，涡流强度↑，有利于混合气形成。ηv↓，Δb↑，∴α↓－－对燃烧不利3、n↓↓，涡流强度↓，be↑喷油泵柱塞关闭进油孔到上止点间的曲轴转角，称供油提前角。1）供油提前角θ↑，（缸内压力，温度低）τi↑，工作粗暴2）供油提前角θ↑↑，压缩功↑，Δb↑，ηe↓3）供油提前角θ↓，补燃↑，Tv↑，ηt↓，零件热负荷↑4）θ佳，be↓.当n↑，θ佳↑(直喷式分隔式）