發(fā)動(dòng)機(jī)原理第六章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒

1、第六章 柴油機(jī)混合氣形成和燃燒 柴油機(jī)使用的燃料是較難揮發(fā)和較易自燃的柴油，其混合氣形成和燃燒過(guò)程與汽油機(jī)有著本質(zhì)的不同。 特點(diǎn)： （1）缸內(nèi)進(jìn)行，即在壓縮行程接近終了時(shí)柴油由噴射系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，時(shí)間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內(nèi)的工質(zhì)成分隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化。 （2）柴油本身粘度大，蒸發(fā)性不好。 （3）混合氣在高溫、高壓下多點(diǎn)自燃著火燃燒，且混合過(guò)程、著火過(guò)程和燃燒過(guò)程共存。 一、燃燒過(guò)程一、燃燒過(guò)程 柴油機(jī)燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，為了便于分析和揭示燃燒過(guò)程的規(guī)律，通常將這一連續(xù)的燃燒過(guò)程分為四個(gè)階段，即著火延遲期（又稱為滯燃期）、速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃期，如圖所示。 （一）著火延遲期 從柴

2、油開(kāi)始噴入氣缸起到著火開(kāi)始為止的這一段時(shí)期稱為著火延遲期。 著火延遲期內(nèi)，燃燒室內(nèi)的混合氣進(jìn)行著物理和化學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程。 物理準(zhǔn)備過(guò)程：燃油的粉碎分散、蒸發(fā)汽化和混合； 化學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程：混合氣的先期化學(xué)反應(yīng)直至開(kāi)始自燃。 特點(diǎn)：壓力沒(méi)有偏離壓縮線。 影響著火延遲期長(zhǎng)短的主要因素是：影響著火延遲期長(zhǎng)短的主要因素是： 噴油時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著噴油時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短?；鹧舆t期越短。 柴油的自燃性較好（十六值較高），柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。著火延遲期較短。 燃燒室的形狀和壁溫等。燃燒室的形狀和壁溫等。 噴油提前角：開(kāi)始噴油到活塞到達(dá)上噴油提前角：開(kāi)始噴油

3、到活塞到達(dá)上止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為噴油提前角。止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為噴油提前角。 （二）速燃期（二）速燃期速燃期速燃期: :從開(kāi)始著火（即壓從開(kāi)始著火（即壓力偏離壓縮線）到出現(xiàn)最力偏離壓縮線）到出現(xiàn)最高壓力高壓力. .特點(diǎn)：壓力急劇上升，壓特點(diǎn)：壓力急劇上升，壓 力達(dá)到最高（有可力達(dá)到最高（有可 能達(dá)到能達(dá)到1313MPaMPa以上）以上） 一般用壓力升高率pkPa()曲軸表示壓力急劇上升的程度。式中：p速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)的氣 體壓力差（kPa）; 速燃期始點(diǎn)和終點(diǎn)相對(duì)于上 止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角差（CA）。 pp 特點(diǎn)： （1）壓力升高率很高，接近等容燃燒，工作粗暴。 （2）達(dá)到最高壓力（69MPa）

4、。 （3）繼續(xù)噴油。 壓力升高率過(guò)大，則柴油機(jī)工作粗暴，燃燒噪音大；同時(shí)運(yùn)動(dòng)零件承受較大的沖擊負(fù)荷，影響其工作可靠性和使用壽命； 壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性會(huì)較好。 壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機(jī)的壓力升高率一般應(yīng)不大于0.40.5 MPa()曲軸。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的壓力升高率較大。控制壓力升高率的措施： 減小在著火延遲期內(nèi)準(zhǔn)備好的可燃混合氣的量 縮短著火延遲期的時(shí)間 減少著火延遲期內(nèi)噴入 減少可能形成可燃混合氣的燃油 （三） 緩燃期 緩燃期為圖中的CD段，即從最大壓力點(diǎn)至最高溫度點(diǎn)。 當(dāng)緩燃期開(kāi)始時(shí)，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。 特點(diǎn)

5、：特點(diǎn)： （1 1）噴油過(guò)程基本結(jié)束，燃燒速率下）噴油過(guò)程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。 （2 2）壓力開(kāi)始下降（氣缸容積不斷增）壓力開(kāi)始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達(dá)到最高。最高溫度可達(dá)大），溫度達(dá)到最高。最高溫度可達(dá)2000K2000K左右，一般在上止點(diǎn)后左右，一般在上止點(diǎn)后20203535曲軸轉(zhuǎn)角處曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。出現(xiàn)。 （四） 補(bǔ)燃期 從最高溫度點(diǎn)起到燃油基本燒完時(shí)為止稱為補(bǔ)燃期。補(bǔ)燃期的終點(diǎn)很難準(zhǔn)確地確定，一般當(dāng)放熱量達(dá)到循環(huán)總放熱量的9599時(shí)，可認(rèn)為補(bǔ)燃期結(jié)束。 補(bǔ)燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時(shí)間短促，混合氣

6、又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過(guò)程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負(fù)荷工況下，因過(guò)量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時(shí)間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。 在補(bǔ)燃期中，由于活塞下行了相當(dāng)?shù)木嚯x，氣缸內(nèi)容積增大很多，缸內(nèi)壓力和溫度迅速下降，故燃燒速度很慢，所放出的熱量很難有效利用，還使排氣溫度升高，導(dǎo)致散熱損失增大，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負(fù)荷。因此，應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期，減少補(bǔ)燃期內(nèi)燃燒的燃油量。 第二節(jié) 柴油機(jī)混合氣的形成 一、柴油機(jī)混合氣的形成的特點(diǎn) 柴油機(jī)所用的燃料（柴油）粘度較大，不宜揮發(fā)，必須借助噴油設(shè)備（噴油泵和噴油器等）將柴油在接近壓縮行程終了的時(shí)刻，通過(guò)高壓以細(xì)

7、小的油滴形式（油滴直徑在之間）噴入氣缸，與高溫高壓的熱空氣混合，經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)準(zhǔn)備，然后著火燃燒。故柴油機(jī)是采用內(nèi)部混合的方式形成可燃混合氣。 柴油機(jī)可燃混合氣的形成時(shí)間極為短促，這就給柴油機(jī)中柴油與空氣的良好混合和完全燃燒帶來(lái)很大困難。而且噴油與燃燒重疊，出現(xiàn)邊燃燒，邊噴油，邊混合的情況。因此混合氣形成過(guò)程很復(fù)雜。 柴油機(jī)由于難以實(shí)現(xiàn)噴入氣缸的柴油與空氣的完全均勻混合，因此要求空氣對(duì)燃料的比例一般比汽油機(jī)大。過(guò)量空氣系數(shù)通常在標(biāo)準(zhǔn)工況下都大于1，一般在1.152.20范圍內(nèi)。 二、柴油機(jī)可燃混合氣的形成方式 柴油機(jī)混合氣形成方式從原理上來(lái)分，有空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合兩種。 1空間霧化

8、混合 將燃油噴向燃燒室空間，形成霧狀，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發(fā)并擴(kuò)散，與空氣形成混合氣。為了使混合均勻，要求噴出的燃油與燃燒室形狀配合，并利用燃燒室中空氣的運(yùn)動(dòng)與其混合，如圖（a）所示。 2油膜蒸發(fā)混合 將大部分燃油噴到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜受熱汽化蒸發(fā)，在燃燒室中強(qiáng)烈的渦流作用下，燃油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣，如圖所示。這一混合方式中起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和油膜厚度。第三節(jié) 影響燃燒過(guò)程的因素 一、柴油的性質(zhì) （一）柴油的自燃性 十六烷值是評(píng)定柴油自燃性好壞的指標(biāo)，對(duì)燃燒過(guò)程也有一定影響。十六烷值越高，著火性越好。著火性好的柴油，使著火延遲期縮

9、短，柴油機(jī)工作柔和。但是十六烷值過(guò)高，燃料分子量加大，使燃油蒸發(fā)性變差、粘度增加，導(dǎo)致燃燒不完全，排氣冒黑煙，燃油經(jīng)濟(jì)性下降。因此，國(guó)產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為4050之間，不必要過(guò)分增大。 （二）柴油的蒸發(fā)性 柴油的蒸發(fā)性用餾程表示。餾程指柴油蒸餾過(guò)程中餾出一定百分?jǐn)?shù)所處的溫度，通常以餾出50的溫度來(lái)評(píng)定。餾程低，說(shuō)明這種燃輕餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過(guò)程。但是，餾程過(guò)低，燃料蒸發(fā)過(guò)快，則在著火延遲期內(nèi)形成的混合氣量過(guò)多，柴油機(jī)工作粗暴。車(chē)用柴油機(jī)的柴油餾程為200300。 二、影響燃燒過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)因素 1負(fù)荷 柴油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)方法是“質(zhì)調(diào)節(jié)”，即空氣量基本上不隨負(fù)荷變化，而只

10、調(diào)節(jié)循環(huán)供油量。負(fù)荷增大，循環(huán)供油量也增大，過(guò)量空氣系數(shù)減小，單位容積內(nèi)混合氣燃燒放出的熱量增加，使缸內(nèi)溫度上升，縮短著火延遲期，從而降低了柴油機(jī)的工作粗暴。如圖為負(fù)荷對(duì)著火延遲期的影響。 在中、小負(fù)荷工況下，燃燒熱效率的變化一般不大，但隨負(fù)荷增大，循環(huán)供油量加大，過(guò)量空氣系數(shù)減小，燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，都可能使燃燒效率下降。 2轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于散熱損失和活塞環(huán)的漏氣損失減小，使壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力增高；轉(zhuǎn)速升高也會(huì)使噴油壓力提高，改善燃油的霧化，這些都使得以秒為單位的著火落后期縮短，而以曲軸轉(zhuǎn)角為單位的著火延遲期則有可能縮短，也可能延長(zhǎng)，如圖給出了轉(zhuǎn)速對(duì)著火延遲期影響的實(shí)例。 一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速過(guò)

11、高或過(guò)低時(shí)，都會(huì)使燃燒熱效率降低。轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，燃燒所占的曲軸轉(zhuǎn)角加大，充氣效率下降，熱效率下降；轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，空氣渦流減弱，噴油壓力下降，使混合氣質(zhì)量變差，熱效率也會(huì)下降。 3供油提前角（或噴油提前角） 供油提前角過(guò)大，噴油時(shí)氣缸內(nèi)溫度、壓力較低，著火落后期較長(zhǎng)，壓力升高率和最大爆發(fā)壓力增大，導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴，NOx的排放量增加。過(guò)早燃燒還會(huì)增加壓縮負(fù)功，降低柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。 供油提前角過(guò)小，則燃油不能在上止點(diǎn)附近及時(shí)燃燒，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性也不利，微粒的排放也會(huì)增加。過(guò)遲燃燒還會(huì)使燃燒溫度升高，散熱損失增加。 對(duì)于每一種工況，均有一個(gè)最佳的供油提前角，此時(shí)在負(fù)荷及轉(zhuǎn)速不變的前提

12、下，功率最高,有效燃油消耗率最低。但為了兼顧降低NOx的排放量和燃燒噪聲的需要，一般調(diào)節(jié)供油提前角略小于最佳的供油提前角。 由圖可見(jiàn)，NOx的排放量和燃燒噪音隨供油提前角變小而下降，故實(shí)際中常將推遲噴油作為減小NOx的排放量和燃燒噪音的有效措施加以采用，但這往往也是以有效燃油消耗率和微粒的排放量上升為代價(jià)的。 在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，最佳的供油提前角也不同。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于噴油延遲角增大以及燃燒過(guò)程所占的曲軸轉(zhuǎn)角可能增大，為保證燃油在上止點(diǎn)附近及時(shí)燃燒，需要適當(dāng)加大供油提前角。一般直噴式燃燒室最佳供油提前角隨轉(zhuǎn)速的變化比分隔式燃燒室的大。汽車(chē)柴油機(jī)中的供油提前角調(diào)節(jié)裝置，就是用于實(shí)現(xiàn)最佳供油提前

13、角隨轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)的。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，由于循環(huán)供油量增大以及燃燒過(guò)程變長(zhǎng)，也需要適當(dāng)加大供油提前角。對(duì)于最佳供油提前角隨負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)，則較難實(shí)現(xiàn)。只有在柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)中，才能真正實(shí)現(xiàn)最佳供油提前角隨各種工況變化的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。 4廢氣再循環(huán)（EGR） 廢氣再循環(huán)已得到了較多的實(shí)際應(yīng)用（主要在轎車(chē)柴油機(jī)中），它是指將一部分已燃的廢氣再次引入 燃燒室內(nèi)參加燃燒。廢氣再循環(huán)可能由簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)來(lái)控制，也可以與電控噴射系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更精確、更理想的控制。通過(guò)廢氣再循環(huán)降低了燃燒過(guò)程中的工質(zhì)溫度，從而有效的控制了NOx的生成，降低了NOx的排放量。但由于它實(shí)際上降低了過(guò)量空氣系數(shù)，會(huì)對(duì)完善、及時(shí)的燃燒產(chǎn)生

14、不利的影響，從而也會(huì)使碳煙的排放量增多，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，特別是在高速、高負(fù)荷的工況下更是如此。因此，僅在低速、低負(fù)荷的一定范圍內(nèi)，才在進(jìn)氣中摻入一定量的廢氣。 三、結(jié)構(gòu)方面的因素1.壓縮比壓縮比較大時(shí)，壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力都比較高，使著火延遲期縮短，發(fā)動(dòng)機(jī)工作比較柔和。不同壓縮比對(duì)著火延遲期的影響如圖所示。同時(shí)，壓縮比的增大，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性和改善起動(dòng)性能。如果壓縮比過(guò)高，燃燒最高壓力會(huì)過(guò)分增大，曲柄連桿機(jī)構(gòu)會(huì)承受過(guò)高的負(fù)荷，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。 2. 活塞材料的影響 鑄鐵活塞與鋁合金活塞相比其溫度較高，可以縮短著火延遲期，因此在其他條件相同時(shí)，采用鑄鐵活塞的柴油機(jī)工作比較柔和。 3.噴油規(guī)律的影響 噴油規(guī)律是指單位時(shí)間（或轉(zhuǎn)角）的噴油量即噴油速度隨時(shí)間（或轉(zhuǎn)角）而變化的關(guān)系。從減輕燃燒粗暴性考慮，比較理想的噴油規(guī)律是“先緩后急”即在著火延遲期內(nèi)噴入氣缸的油量不宜過(guò)多，以控制速燃期的最高燃燒壓力和平均最大壓力升高率，而著火