第五章-柴油机混合气形成与燃烧

内燃机内的气体流动CHARGEMOTIONINICENGINES四种基本形式内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流⑴进气涡流在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称为进气涡流。产生进气涡流运动的方法有:导气屏、切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统1.涡流涡流•导气屏设置在进气门上，导引进气流以不同角度流入气缸在气缸壁面的约束配合下产生涡流。•切向进气道•螺旋进气道图5-21切向气道、螺旋气道的原理a)切向气道b)纯螺旋气道组合进气系统在2个进气门的发动机上，采用不同类型或不同角度的两个进气道以组合所需要的涡流和流速分布。进气速度分布可调进气涡流(VARIABLEINLETSWIRL)1—直气道2—螺旋气道3—SCV4—排气道4螺旋气道＋直气道(切向气道)直气道内安装涡流控制阀(SCV)控制直气道的进气量螺旋气道进气量的改变缸内进气涡流强度发动机在中低负荷工况下，减少直气道的进气量，提高缸内涡流强度，可以改善燃烧，提高动力性和经济性。在高速高负荷时，涡流控制阀全开，增加空气的吸入量，提高发动机的高速性能。导气屏方法简单，进气道可不作特殊设计，通过改变导气屏的包角β和导气屏重点的安装位置（角度α），可调节涡流强度0~4，但阻力最大。一般用于少数汽油机。切向气道形状简单，涡流比小1~2，适用于对涡流强度要求不高的发动机。螺旋气道的形状最复杂，涡流比2~4，同样涡流比时的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。组合式进气涡流系统上述方法进行组合，以达到需要的涡流和流速分布。进气涡流在压缩过程中，一边旋转一边被挤入燃烧室凹坑。为加速混合气的形成，不仅应注意进气涡流比，更应该注意压缩终了时燃烧室内的涡流比，因为它以及上止点附近的涡流强度对燃烧过程影响更大。⑵压缩涡流在柴油机涡流室燃烧室中，进气过程不产生涡流，在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室（副燃烧室）时，形成强烈的压缩涡流。该方式不导致进气阻力增大和进气充量下降，但存在能量消耗，使循环热效率降低。2.挤流当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞顶部的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流)。当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活塞顶部外围的环型空间，与空气进一步混合燃烧，这种流动也称为逆挤流。图5-23挤流的形成a)无进气涡流或涡流不强时的挤流b)进气涡流强时的挤流c)逆挤流挤流（Squish）挤流（Squish）压缩行程后期，部分活塞顶面和气缸盖相互靠近挤压所产生的径向或横向的气流运动。当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生逆挤流。挤流强度取决于燃烧室凹坑喉口直径dk与活塞直径之比，以及活塞顶间隙s0，dk和s0越小，即流强度越大。挤流不影响充量系数，有助于混合气的形成，但由于持续时间较短（仅在上止点附近），强度相对较弱，一般仅是起配合作用。在汽油机和柴油机都有应用，汽油机紧凑型燃烧室都利用较强的挤流运动增强燃烧室的湍流强度，促进混合气快速燃烧。3.滚流滚流滚流(Tumble)进气过程中形成的绕气缸轴线的垂线旋转的有组织的空气旋流叫滚流，也称为纵涡或横轴涡流。它在压缩过程中动量衰减少，在上止点附近变成的小涡流和高强度湍流，比进气涡流效果好，对燃烧过程极为有利。用于汽油机和柴油机，在缸内直喷汽油机上得到广泛应用。同时使用涡流与滚流，合成为斜轴涡流（inclinedswirl）滚流的形成与破碎a)进气过程b)压缩过程c)压缩终了4.湍流湍流在气缸内形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流，也称微涡流。用以促进燃油和空气的微混合程度，产生方法多样。内燃机气缸中的气体流动是无规则的非定常运动，气体内部及其与固体表面相互作用，使涡不断产生、发展、分裂和消失，成为湍流运动。湍流特征参数：平均湍流速度湍流强度平均速度瞬时速度内燃机气缸内的湍流是高度不定常湍流。湍流与燃烧、排放物生成关系极大，例如对火花点火发动机，主要表现在对火焰传播速率、燃烧速率、循环变动以及稀燃极限等方面；对压燃点火发动机扩散燃烧阶段的燃烧速率取决于空气和燃料混合速率，在湍流中物质传输和混合速率均大大高于分子间的扩散速率，在一定范围内增加湍流强度，将有利于燃烧过程的进行和降低烟度。缸内湍流产生的原因主要可分为两大类：（1）壁面湍流（Wallturbulence）气流流过固体物体表面时产生的；（2）自由湍流（freeturbulengce）。内燃机气缸内的湍流是以上两种湍流的合成。1.汽油机的燃烧预混可燃混合气火花点燃火焰传播2.柴油机的燃烧空气燃油缸内直喷压燃预混＋扩散燃烧进气流动CHARGEMOTION湍流促进燃烧涡流促进混合和燃烧总体而言，各种气流运动在带来混合气形成和燃烧有利的同时，也或多或少的导致了进气充量下降和泵气损失增加，且发动机高、低转速时，气流运动强度变化较大，其作用的稳定性较差。所以，柴油机的发展方向仍是高压直喷（降低了对气流运动的要求），气流运动的组织仅是辅助作用。内燃机燃料供给系统分类FUELDELIVERYSYSTEMFORENGINES内燃机按使用的燃料分为汽油机和柴油机。汽油较易蒸发，自燃温度较高。外部混合气形成方式，电火花点火。变量调节内燃机的工况调节是通过改变进入气缸的混合气量实现的。柴油高压喷射内部混合气形成方式，压燃着火。挥发性差，自燃温度低。变质调节内燃机的工况调节是通过改变喷入气缸燃油量方式实现的。一、汽油机的燃料供给系统SIenginefueldeliverysystem•化油器CarburetorSystem•电控汽油喷射系统ElectronicFuelInjectionSystem(EFI)SPI,PFI,MPI二、柴油机的燃料供给系统DieselInjectionSystem•泵管嘴喷射系统Pump-line-nozzlesystem•泵喷嘴喷射系统UnitInjectorSystem•高压共轨电控喷射系统Commonrailsystem及时、适量的向内燃机气缸内提供燃料;高质量形成可燃混合气，保证燃烧高效进行。三、内燃机燃料供给系统的基本功能Primaryfunctionoffueldeliverysystem发动机的燃烧过程是将燃料的化学能转变为热能的过程。进入气缸的燃料燃烧完全的程度，直接影响到热量产生的多少和排除废气的成分，而燃烧时间或燃烧相当于曲轴转角的位置，又关系到热量的利用和汽缸压力的变化，所以燃烧过程是影响发动机经济性、动力性和排气污染的主要过程，对噪声、振动、起动性能和使用寿命也有很大影响。化学能转化为热能的效率相对较高，热能转化为机械能的效率（热机效率）相对较低。内燃机真实热力循环的转换热效率必须考虑真实工质和循环特点。内燃机特有的燃烧规律---正常、异常燃烧过程对发动机动力性、经济性和排放特性等主要特性有重大影响。第五章柴油机混合气的形成和燃烧主要内容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的粘度较大，挥发性较差，需借助机械喷射的方法使燃油雾化成细小油滴，然后在气缸内部与空气混合，并利用压缩工质的高温使可燃混合气着火燃烧。根据可燃混合气形成的特点，燃烧过程是在边蒸发、混合、边燃烧的情况下进行的，基本上属于扩散混合燃烧。其燃烧的完善程度在很大程度上受到可燃混合气形成速度及质量的影响。因此，改善可燃混合气的质量，并使其形成速度与燃烧速度相适应，是改善柴油机燃烧性能的一个核心问题。一、喷油系统1、作用及要求作用：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。第一节燃料喷射与雾化FUELSPRAY&ATOMIZATION要求：1)产生足够高的喷油压力—保证良好的雾化、混合、燃烧；2)实现所要求的喷油规律—保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能；3)精确控制喷油量和喷油时间—满足稳定工况循环喷油量一致，满足工况变化要求，保证各缸喷油量均匀和喷油正时；4)避免出现异常喷射现象。常见的柴油机喷油泵可以分为柱塞式直列泵和转子分配泵两类。直列泵包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机。转子式分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轿车和轻型车柴油机。两相比较，分配泵具有结构紧凑、体积小、重量轻，能在高转速下工作的优点，但难以达到较高的喷油压力，并且对燃油质量要求较高。近代柴油机电控喷油技术——共轨（commonrail）系统，不同于柱塞脉动喷油原理。2、分类电控燃油喷射技术方面：柴油机电控比汽油机电控复杂、技术要求高、特别反映在柴油机电控系统的喷射执行器上，因为它在高压下（比汽油机的高几十倍乃至几百倍）工作，对密封、工艺的要求特别高，控制用电磁阀不仅要求响应速度高，而且要求体积小，能承受高温、高压的作用，技术难度相当大，此外柴油机对喷油提前角控制精度也比汽油机对点火提前角的控制精度要高。高压电控共轨系统具备齐全的功能，发展潜力最大。3、喷油系统的工作原理图5-1柱塞式喷油泵燃油供给系1—喷油器2—燃油滤清器3—直列柱塞式喷油泵4—喷油提前器5—输油泵6—调速器7—油水分离器8—油箱9—高压油管10—回油管11—低压油管1.柱塞式喷油泵供油系统2.分配式喷油泵供油系统图5-2分配式喷油泵燃油供给系l-油箱2-油水分离器3-一级输油泵4-二级输油泵5-燃油滤清器6-调压阀7-分配式喷油泵传动轴8-调速手柄9-分配式喷油泵体10-喷油器11-回油管12-分配式喷油泵13-喷油提前器14-调速器传动齿轮3、共轨系统CommonRailSystem柴油机共轨式燃料供给系统，能产生较高的喷油压力（130~180MPa)。压力基本上可保持恒定而不受柴油机转速与负荷的影响，属于恒压式燃料供给系统。系统优点：改善了柴油机在低速与低负荷时的喷雾品质;由于燃料喷射是依靠电磁阀开启时间的控制方式，比较容易对喷油时刻与喷油持续期进行调节，能够实现较为理想的喷油规律;.在柴油机上的布置比较容易。CommonRailSystem压力传感器燃油共轨压力调节器油箱传感器信号控制信号EDUECU喷油器高压油泵滤清器高压共轨是电控燃油喷射系统：（1）能在发动机全部运行范围内实现对每循环喷油量、喷油定时、喷油压力和喷油规律（喷油率injectionrate）各自独立的控制。（2）具有极好的燃油密封性。用减少高压油泄漏量的办法，减少驱动燃油泵的功率损失。（3）具有好的可安装性，对柴油机不要求附加驱动轴，可以像通常的直列式油泵一样安装，只需略加修改喷油器支架，就可安装电控喷油器。其缺点是目前的喷射压力尚只能达到120MPa。喷油器可分为孔式和轴针式。孔式一般用于直喷式燃烧室，轴针式一般用于非直喷式燃烧室。喷孔流通截面积与升程的关系称为喷油嘴的流通特性。4、喷油器图5-5喷油器的头部结构(a)单孔(b)多孔(c)标准轴针(d)节流轴针图5-6不同喷油嘴的流通特性喷孔数---与进气涡流匹配•对于有进气涡流的中小功率柴油机，喷孔数为4～6个，喷孔直径为0.15～0.35mm;•对于缸径较大的柴油机，一般不组织进气涡流，喷孔多达7～12个;压力室容积•喷油结束后，压力室中蓄有的少量燃油仍会因膨胀而进入燃烧室，恶化了柴油机的烟度与HC的排放指标;•压力室容积，可以采用小压力室（容积小于1mm3）和无压力室（VCO）喷嘴。•目前欧洲的轿车柴油机上的发展趋势是采用小压力室结构。喷孔面积•喷嘴喷孔面积大小与喷油器针阀的升程、喷嘴的结构型式、喷油压力、供油速率和柴油机结构型式有关。•孔式喷嘴的最大喷孔截面取决于喷孔的数目和直径，而轴针式喷嘴最大喷孔截面取决于针阀最大升程和喷嘴头部的形状。•喷孔面积过大，会导致喷油压力与喷油速率降低，喷油持续期缩短，喷油雾化质量变差。•喷孔面积过小，则喷油压力过高且易产生不正常喷射。喷油泵的速度特性在油量调节齿杆位置不变时，喷油泵每循环喷油量gb随油泵转速np（或柴油机转速n）