第五章柴油机混合气的形成和燃烧

第五章柴油机混合气形成和燃烧第一节燃油的喷射与雾化第二节燃烧与放热第三节混合气形成与燃烧室第四节燃烧过程的优化柴油机具有热效率高、可靠性好、排气污染少和较大功率范围内的适应性等优点，因而在汽车上的应用愈来愈广泛。与汽油机相比，柴油机所用燃料的理化特性决定了燃料供给、着火与燃烧方式的不同。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。工作过程特点：（1）吸入气缸的是新鲜空气，被压缩的是新鲜空气；（2）柴油机采用压燃，在缸内进行，即在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内，柴油和空气混合时间极短（0.0017～0.004秒，15°～35°曲轴转角），难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化；（3）柴油本身粘度大，蒸发性不好；（4）混合气在压缩所形成的高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存；（5）质调节，即负荷、转速不是通过进气节流，而是通过燃料量调节。对柴油机燃烧的基本要求：1、燃烧及时：这将影响作功的质量，放热量的有效利用；2、燃烧完全：这会影响到放热量、作功、排放。因此，对柴油机来说，及时形成可燃混合气最为重要。柴油机燃油供给系统的作用是根据柴油机各种工况的需要，将适量的柴油在适当的时间并以合理的空间形态喷入燃烧室，即对燃油喷入量、喷油时刻和油束的空间形态三方面进行控制。柴油机燃油供给、缸内气流运动和燃烧室的形状对于混合气的形成、燃烧过程的组织以及形成合理的燃烧放热规律具有重要作用，对柴油机动力性、经济性和排放以及噪声振动有重大影响。第一节燃油的喷射与雾化一、喷油系统1、对喷油系统的要求喷油系统的作用是定时、定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。柴油机对喷油系统的要求可以概括为：1)能产生足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化、混合和燃烧，包括雾化质量(喷雾粒度及均匀性)和空间分布，以及与燃烧室、气流运动的匹配。2)实现所要求的喷油规律，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能。3)对于确定的柴油机运转工况(确定的转速和负荷)，精确控制每个循环的喷油量，且喷油量能随工况变化自动调节，工况不变时，各循环的喷油量要一致，多缸机各缸间的喷油量和喷油时刻相同。4)在各种工况下避免出现异常喷射现象。2、喷油系统的工作原理常见的有直列柱塞式喷油泵燃油供给系统(图5－1)和分配式喷油泵燃料供给系统（图5－2）两种类型。这两种传统的燃料供给系统也称为泵－管－嘴系统。燃油滤清器低压油管高压油管喷油泵喷油器回油管燃油箱输油泵油水分离器调速器限压阀喷油提前器图5-2分配式喷油泵柴油供给系统1一油箱2一油水分离器3一一级输油泵4一二级输油泵5一燃油滤清器6一调压阀7一分配式喷油泵传动轴8一调速手柄9一分配式喷油泵体l0一喷油器ll一回油管12一分配式喷油泵13一喷油提前角调节器14一调速器喷油器燃油箱一级膜片式输油泵油水分离器燃油滤清器回油管二级输油泵两种传统的泵－管－嘴系统的优点：1、有高压油管的存在，使喷油系统在发动机上的布置比较灵活；2、积累了长期制造与匹配的理论与经验。两种传统的泵－管－嘴系统的缺点：由于高压油管的存在，降低了整个燃料系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规律。为了满足柴油机不断强化及日益严格的经济性、排放与噪声的要求，开发了各种高压喷射系统：短油管的单体泵、泵喷嘴、电控燃料喷射系统（电控单体泵、电控泵喷嘴、蓄压式或共轨式系统等）。3、喷油泵1）功用（1）提高油压（定压）：将喷油压力提高到10MPa～20MPa。（2）控制喷油时间（定时）：按规定的时间喷油和停止喷油。（3）控制喷油量（定量）：根据柴油机的工作情况，改变喷油量的多少，以调节柴油机的转速和功率。2）车用多缸柴油机对喷油泵的要求（1）各缸供油顺序与发动机工作顺序相同；（2）各缸供油量均匀，不均匀度在标定工况下不大于3%~4%；（3）各缸供油时刻(供油提前角)一致，相差不大于0.5º曲轴转角,各缸供油延续时间要相等;（4）供油迅速，停喷干脆,以防止滴漏现象的发生。3）分类直列柱塞式喷油泵：每一组柱塞系统对应一个气缸，4个气缸就有4组柱塞系统，因此体积比较大，多用在中型以上汽车。例如公共汽车和大货车上的柴油机一般用直列式喷油泵。转子分配式喷油泵：轿车及轻型汽车柴油机上的喷油泵一般是分配型，具有体积小重量轻，零件少构造简单的优点。它用两组柱塞系统（或者一组柱塞系统）加压，柴油分别送入各个喷油嘴。送出去的柴油充满了分配器入口处，然后按各汽缸顺序排列喷射。由于两组柱塞系统（或者一组柱塞系统）的动作转数与气缸数目成比例增加，因此该种喷油泵受到汽缸数目及最高转速的限制。分配式喷油泵与柱塞式喷油泵相比，有许多优点，广泛用于轿车和轻型车用柴油机上：1)分配泵结构紧凑，零件少，体积小，重量轻，使用中故障少，容易维修。2)分配泵精密偶件加工精度高，供油均匀性好，因此不需要进行各缸供油量和供油定时的调整。3)分配泵凸轮的升程小，有利于提高柴油机转速。缺点：分配泵的运动件要靠喷油泵体内的柴油进行润滑和冷却，对柴油的清洁度要求很高。单体泵或泵喷嘴：对于单体泵而言，喷油泵与喷油嘴之间用一根很短的高压油管相连；而对于泵喷嘴而言，喷油泵与喷油嘴组合为一体，直接安装在柴油机气缸盖上，由顶置凸轮轴驱动。发动机每个气缸燃油喷射由各自的独立喷射单元（单体泵或者泵喷嘴）来完成。它们的最大优点是能够减轻或者消除在柴油流动和喷射的过程中，在高压油管内所形成的压力波影响。因为这个压力波会妨碍着喷油系统与负荷、转速的良好匹配，并会随着高压管的长度增长而增大。图5—3A型喷油泵图5－4分配式喷油泵4、喷油器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内，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。喷油器有孔式喷油器和轴针式喷油器两类，见图5－5。孔式喷油器一般用于直喷式燃烧室，喷孔的数目、孔径及喷射角度等设计参数要视具体的燃烧室形状和空气运动而定；轴针式喷油器用于非直喷式燃烧室，由标准轴针式和节流轴针式两种。孔式喷油器1、应用：直接喷射燃烧室，孔数1～8个，孔径0.2～0.5mm。2、特点：（1）喷孔的位置和方向与燃烧室形状相适应，以保证油雾直接喷射在燃烧室壁上。（2）喷射压力较高。（3）喷油头细长，喷孔小，加工精度高。轴针式喷油器1、应用：非直接喷射燃烧室，一般只有一个喷孔,直径1～3mm，喷油压力较低12～14MPa2、特点：（1）不喷油时针阀关闭喷孔，使高压油腔与燃烧室隔开，燃烧气体不致冲入油腔内引起积炭堵塞。（2）喷孔直径较大，便于加工且由于针阀头部在喷孔内的上下运动可起到防止积炭堵塞。（3）针阀在油压达到一定压力时开启，供油停止时，又在弹簧作用下立即关闭，因此，喷油开始和停止都干脆利落，没有滴油现象。（4）不能满足对喷油质量有特殊要求的燃烧室的需要。喷油器的流通特性：喷孔流通截面积与针阀升程的关系称为喷油器的流通特性。二、喷射与雾化燃油喷射主要有两类特性指标，即喷油特性（规律）和喷雾特性。喷油特性包括喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷油压力。喷雾特性包括油束贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径、以及油束中燃油浓度、速度和粒径的分布规律。1、喷射过程喷射过程是指喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷工况下约占150～400曲轴转角。整个过程分为三个阶段，即喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。（1）喷射延迟阶段从喷油泵的柱塞顶封闭，进回油孔的理论供油始点起到喷油器的针阀开始升起（喷油始点）为止。供油始点和喷油始点一般用供油提前角ӨH和喷油提前角Өfj来表示，两者之差称为喷油延迟角。发动机转速越高以及高压油管越长，则喷油延迟角越大。（2）主喷射阶段从喷油始点到喷油器压力急剧下降为止。绝大部分燃油在主喷射阶段喷入燃烧室内，这一阶段持续时间主要随喷油泵柱塞的有效行程，即柴油机负荷的变化而变化。（3）喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油为止。由于喷油泵的回油孔打开和出油阀减压容积的卸载作用，泵端压力带动喷油器端压力急剧下降，当喷油器端压力低于针阀开启压力时，针阀开始下降。由于喷油压力下降，燃油雾化变差，因而应尽可能缩短这一阶段，减少这一阶段的喷油量，即喷油结束阶段应干脆、迅速。2、供油规律与喷油规律几个定义：1）供油速率：单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油泵供人高压油路中的燃油量。2）喷油速率：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。3）供油规律：是指供油速率随凸轮轴转角(或时间)的变化关系。4）喷油规律：是喷油速率随凸轮轴转角(或时间)的变化关系。图5-8给出了供油规律和喷油规律的图形。供油规律和喷油规律的差别：始点一般差别8。～12。曲轴转角，喷油持续时间较供油持续时间长，最大喷油速率较供油速率低，其形状有明显畸变，循环喷油量也低于循环供油量。供油规律和喷油规律的差别的原因：（1）燃油的可压缩性；（2）压力波传播滞后；（3）压力波动；（4）高压容积变化。3、喷雾特性与雾化质量燃油的雾化是指燃油喷人燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程。燃油的雾化可以增加与周围空气接触的蒸发表面积，加速从空气中的吸热过程和油滴的汽化过程，对混合气的形成起到了重要的作用。油滴越细小，与空气接触表面积越大。喷雾特性：包括油束贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径、以及油束中燃油浓度、速度和粒径的分布规律。油束的几何形状主要包括油束射程(又称为贯穿距离)L和喷雾锥角或油束的最大宽度B(图5-9)。此外，贯穿率也是常用的参数之一。贯穿率为相对值，是油束的贯穿距离与喷孔沿轴线到燃烧室壁距离的比值。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。一般，喷雾锥角β过大，贯穿距离会减小；而β过小，则雾化程度会变差。油束的雾化质量：一般是指油束中液滴的细度（液滴直径）和均匀度。希望喷雾粒径细而均匀。喷油系统内的压力高、变化快，喷油峰值压力往往高达数十甚至1OOMPa以上，现代柴油机高压喷射系统甚至达200MPa，而谷值压力由于出油阀减压容积的作用往往接近零以至出现真空。由此容易造成二次喷射、断续喷射、隔次喷射等异常喷射现象，常用测量针阀升程的方法来判定有无不正常喷射现象存在。常用测量针阀升程的变化来判断各种异常喷射时的。不正常喷射现象a)b)c)d)图5-12各种异常喷射时的针阀升程a)正常喷射b)二次喷射c)断续喷射d)隔次喷射1）二次喷射：指喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起的喷油现象。危害：二次喷射燃油是在压力较低的情况下喷射的，导致这部分燃油雾化不良、燃烧不完全、碳烟增多，易引起喷孔积碳堵塞；使整个喷射过程拉长，燃油过程不能及时进行，造成经济性下降、零部件过热。易发生在高速、大负荷工况。2）断续喷射：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上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。危害：喷油泵端压力及针阀的运动方向不断变化，容易导致针阀偶件的磨损。易发生在工况过渡情况下，其它各种工况也会发生。3）不规则喷射和隔次喷射：供油量过小时，循环喷油量不断变动，还可能出现有的循环不喷油的现象。危害：易发生在柴油机怠速工况下，造成怠速运转不稳定，工作粗暴，并限制了柴油机的最低稳定转速。4）滴油现象：在针阀密封正常的情况下，喷油终了时，由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出现象。危害：在喷射终了时流出的燃油速度和压力都很低，难以雾化，易生成积碳，堵塞喷孔。易发生在中高速、中大负荷工况下，以及结构有缺陷时。避免出现不正常喷射的措施：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，减小其影响；2、合理选择喷射系统的参数，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。第二节燃烧与放热一、燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程