第五章柴油機混合氣形成與燃燒

第五章柴油機混合氣形成與燃燒第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四主要內(nèi)容第一節(jié)燃油的噴射與霧化第二節(jié)燃燒與放熱第三節(jié)混合氣形成與燃燒室第四節(jié)燃燒過程的優(yōu)化第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)燃油的噴射與霧化一、噴油系統(tǒng)1、作用及要求

作用：定時定量并按一定規(guī)律向柴油機各缸供給高壓燃油。第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四要求：1)產(chǎn)生足夠高的噴油壓力；2)實現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律；3)對于確定的運轉(zhuǎn)狀況，精確控制噴油量；4)避免出現(xiàn)異常噴射現(xiàn)象。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2、噴油系統(tǒng)的工作原理圖5-1柱塞式噴油泵燃油供給系1—噴油器2—燃油濾清器3—直列柱塞式噴油泵4—噴油提前器5—輸油泵6—調(diào)速器7—油水分離器8—油箱9—高壓油管10—回油管11—低壓油管1.柱塞式噴油泵供油系統(tǒng)第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.分配式噴油泵供油系統(tǒng)圖5-2分配式噴油泵燃油供給系l-油箱2-油水分離器3-一級輸油泵4-二級輸油泵5-燃油濾清器6-調(diào)壓閥7-分配式噴油泵傳動軸8-調(diào)速手柄9-分配式噴油泵體10-噴油器11-回油管12-分配式噴油泵13-噴油提前器14-調(diào)速器傳動齒輪第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四3、噴油泵圖5-3柱塞式噴油泵圖5-4分配式噴油泵第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四4、噴油器圖5-5噴油器的頭部結(jié)構(gòu)(a)單孔(b)多孔(c)標(biāo)準(zhǔn)軸針(d)節(jié)流軸針圖5-6不同噴油嘴的流通特性第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四二、噴射與霧化1.噴射過程:定義：噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程，整個噴射過程在全負荷下約占15°~40°曲軸轉(zhuǎn)角。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四噴射過程噴射延遲階段I：從噴油泵柱塞頂封閉進回油孔的理論供油始點到噴油器針閥開始升起(噴油始點)為止。主噴射階段Ⅱ：從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降為止。噴油結(jié)束階段Ⅲ：從噴油器端壓力開始急劇下降針閥完全落座(噴油終點)為止。圖5-7噴射過程a)噴油泵端壓力b)噴油器端壓力c)針閥升程第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.供油規(guī)律與噴油規(guī)律：供油速率：單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量；噴油速率：單位凸輪軸轉(zhuǎn)角（或單位時間）由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量；供油規(guī)律：供油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時間）的變化關(guān)系。噴油規(guī)律：噴油速率隨凸輪軸轉(zhuǎn)角（或時間）的變化關(guān)系。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四差別：始點差別8°~22°曲軸轉(zhuǎn)角；噴油持續(xù)時間較供油持續(xù)時間長；最大噴油速率較供油速率低，其形狀有明顯畸變，循環(huán)噴油量也低于循環(huán)供油量。圖5-8供油規(guī)律和噴油規(guī)律第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四兩者的差別主要原因：燃油的可壓縮性壓力波傳播滯后壓力波動高壓容積變化第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四3.噴霧特性與霧化質(zhì)量：燃油噴入燃燒時后被粉碎分散為細小微粒的過程，稱為燃油的噴霧或霧化。將燃油噴射霧化，可以大大增加其表面積，加速混合氣形成。當(dāng)燃油高速從噴孔噴出(噴出速度為l00一300m／s)便形成如園錐形狀的噴注，也稱油束。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四油束的幾何形狀主要包括油束射程(又稱貫穿距離)和噴霧錐角或油束的最大寬度。圖5-9油束的幾何形狀和參數(shù)第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四a油束射程L

并不一定越大越好，這要根據(jù)混合氣形成的機理與燃燒室形狀具體分析。L

燃料噴到壁面上多空間混合氣太稀。

L

燃料集中混合氣分布不均勻，空氣利用。b噴霧錐角反映油束的緊密程度?？资絿娮臁?/p>

油束松散，粒細。軸針式噴嘴—

油束緊密，粒粗。第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四c霧化質(zhì)量（霧化特性）

細微度—油滴平均直徑細：霧化好均勻度—油滴最大直徑-油滴平均直徑勻：霧化好粒細均勻度好，粒粗均勻度差。一般情況下：噴霧錐角過大，貫穿距離會減?。粐婌F錐角過小，霧化程度會變差。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四3.不正常噴射(一)二次噴射二次噴射是主噴射結(jié)束針閥落座后，在過大的反射波作用下，針閥再次升起進行噴油的一種不正常現(xiàn)象。二次噴射的出現(xiàn)特使整個噴射延續(xù)期拉長，過后燃燒嚴(yán)重，柴油機經(jīng)濟性下降．熱負荷增加，應(yīng)當(dāng)要力求消除二次噴射。消除二次噴射(1)減少高壓油路中的容積(2)適當(dāng)加大噴油器的噴孔直徑(3)適當(dāng)加大出油閥的減壓容積第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四(二)滴油在正常噴射結(jié)束后，如斷油不干脆，仍有少量柴油滴出，稱為滴油。(三)斷續(xù)噴射(四)不規(guī)則噴射和隔次噴射(五)穴蝕第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)燃燒與放熱燃燒過程的特點1高壓噴油在汽缸內(nèi)部形成可燃混合氣。2壓縮自燃。柴油機的燃燒過程可分為四個階段：

1火落后期(又稱為滯燃期)；2速燃期；3緩燃期；4補燃期。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

（一）著火落后期

從柴油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點)起到著火開始點(B點)為止的這一段時期稱為著火落后期。

隨壓縮過程的進行，缸內(nèi)空氣壓力和溫度不斷升高，在空燃比、壓力、溫度以及流速等條件合適處，多點同時著火，隨著著火區(qū)域的擴展，缸內(nèi)壓力和溫度升高，并脫離壓縮線。

著火落后期第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

影響著火落后期長短的主要因素是燃燒室內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)：噴油時缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短。柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。其次因素是燃燒室的形狀和壁溫等。圖5-14溫度與壓力對著火落后期的影響第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四（二）速燃期

速燃期:從開始著火（即壓力偏離壓縮線開始急劇上升(B點)）到出現(xiàn)最高壓力(C點).

特點：形成多個火焰中心，持續(xù)噴油，即隨噴隨燃。壓力急劇上升，壓力達到最高（有可能達到13MPa以上）。速燃期第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四影響：

壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經(jīng)濟性和動力性會較好；壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機的壓力升高率一般應(yīng)不大于0.4~0.5MPa／(o)曲軸。與汽油機相比，柴油機的壓力升高率較大。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四控制壓力升高率的措施減小在著火延遲期內(nèi)的可燃混合氣的量

①縮短著火落后期的時間；

②減少著火落后期內(nèi)噴入的燃油或可能形成可燃混合氣的燃油第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

（三）緩燃期

緩燃期為圖中的CD段即從最大壓力點至最高溫度點。當(dāng)緩燃期開始時，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。緩燃期第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四特點：

（1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。

（2）壓力開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達到最高。最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后20o~35o曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

（四）補燃期

從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補燃期。補燃期的終點很難準(zhǔn)確地確定，一般當(dāng)放熱量達到循環(huán)總放熱量的95％—99％時，可認(rèn)為補燃期結(jié)束。即整個燃燒過程結(jié)束。補燃期第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四

補燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時間短促，混合氣又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負荷工況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。

在補燃期中，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，對柴油機的經(jīng)濟性不利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負荷。因此，應(yīng)盡量縮短補燃期，減少補燃期內(nèi)燃燒的燃油量。

第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四二、燃燒放熱規(guī)律（一）

燃燒放熱規(guī)律的定義

瞬時放熱速率：在燃燒過程中的某一時刻，單位時間(單位曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)燃燒的燃油所放出的熱量。累計放熱百分比：從燃燒過程開始至某一時刻止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。燃燒放熱規(guī)律：瞬時放熱速率和累計放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-1588燃燒放熱規(guī)律影響到燃燒過程中缸內(nèi)壓力溫度的變化進而影響到柴油機的性能。圖5-15燃燒放熱規(guī)律第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四（二）理想的燃燒放熱規(guī)律及其控制1.放熱始點

放熱始點的位置能保證該循環(huán)有最大指示熱效率。柴油機通過噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加以調(diào)控。圖5-16噴油提前角的調(diào)節(jié)特性2.放熱持續(xù)期

放熱持續(xù)期首先取決于噴油持續(xù)角的大小。其次，取決于擴散燃燒期內(nèi)混合氣形成的快慢和完善程度。第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四3.放熱規(guī)律曲線形狀

直噴式燃燒室柴油機的瞬時放熱速率和累積放熱百分比在燃燒的起始階段上升最快，放熱速率很快就達到最大值。高速的直噴式燃燒室柴油機的放熱速率往往呈現(xiàn)雙峰的特點。在燃燒的起始階段，非直噴式式燃燒室柴油機的放熱速率和累積放熱百分比都上升得比較慢，放熱速率的最大值也較低。圖5-18不同類型柴油機的燃燒放熱規(guī)律比較1—汽油機2—直噴式燃燒室柴油機3—渦流室燃燒室柴油機4—預(yù)燃室燃燒室柴油機第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)混合氣形成與燃燒室一、柴油機混合氣形成的特點和方式：1.混合氣形成特點（1）混合氣不均勻。（2）過量空氣系數(shù)較大。（3）混合過程與著火過程和燃燒過程共存。

第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.混合氣形成基本方式1、空間霧化混合

將燃油噴向燃燒室空間進行霧化，通過燃油與空氣間的相互運動和擴散，在空間形成可燃混合氣。a)靜止空氣時空間霧化混合

b)空氣作旋轉(zhuǎn)運動空間霧化混合

圖5-19直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式a)靜止空氣b)空氣作旋轉(zhuǎn)運動第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2、壁面油膜蒸發(fā)混合

燃油沿壁面順氣流噴射，在強烈的渦流作用下，在燃燒室壁面上形成一層很薄的油膜。

著火前，燃燒室壁溫較低下，油膜底層保持液態(tài)，表層油膜開始時以較低速度蒸發(fā)，加上噴油射束在空間的少量蒸發(fā)，形成少量可燃混合氣。著火后，隨燃燒的進行，油膜受熱逐層加速蒸發(fā)，使混合氣形成速度和燃燒速度加速。圖5-20油膜蒸發(fā)混合方式第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四二、缸內(nèi)氣流運動內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體運動方式渦流擠流滾流湍流第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四⑴進氣渦流在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流。產(chǎn)生進氣渦流運動的方法有:導(dǎo)氣屏、切向進氣道、螺旋進氣道、組合進氣系統(tǒng)1.渦流渦流第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四導(dǎo)氣屏設(shè)置在進氣門上，導(dǎo)引進氣流以不同角度流入氣缸在氣缸避免的約束配合下產(chǎn)生渦流。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四切向進氣道螺旋進氣道圖5-21切向氣道、螺旋氣道的原理a)切向氣道b)純螺旋氣道組合進氣系統(tǒng)在2個進氣門的發(fā)動機上，采用不同類型或不同角度的兩個進氣道以組合所需要的渦流和流速分布。第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四⑵壓縮渦流在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四2.擠流當(dāng)活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內(nèi)，由此產(chǎn)生擠壓渦流(擠流)。

當(dāng)活塞下行時，凹坑內(nèi)的燃燒氣體又向外流到活塞頂部外圍的環(huán)型空間，與空氣進一步混合燃燒，這種流動也稱為逆擠流。圖5-23擠流的形成a)無進氣渦流或渦流不強時的擠流b)進氣渦流強時的擠流c)逆擠流第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四⑶湍流在氣缸內(nèi)形成的無規(guī)則的小尺度氣流運動稱為湍流，也稱微渦流。湍流第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四⑷滾流在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流，也稱為縱渦。

滾流第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四三、柴油機燃燒室直接噴射式燃燒室非直噴式燃燒室（分開式燃燒室）第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四1、直接噴射式燃燒室：

1）淺盆形燃燒室

2）ω形燃燒室

3）擠流口式燃燒室

4）球形燃燒室

圖5-24各種直噴式燃燒室形式a)淺盆形b)ω形c)擠流口形d)球形第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四圖5-26非回轉(zhuǎn)體燃燒室a)四角形b)微渦流MTCCc)Quardramd)花瓣形5）非回轉(zhuǎn)體燃燒室第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四２、分開式燃燒室。1）渦流室燃燒室

圖5-30渦流室的形狀a)球形b)圓錐形平底c)圓柱形平底第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四２）預(yù)燃室燃燒室圖5-31預(yù)燃室燃燒室a)傾斜偏置，單孔道；b)中央正置，多孔道；c)側(cè)面正置，單孔道第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)燃燒過程的優(yōu)化一、燃燒過程優(yōu)化的基本原則目標(biāo)：燃燒更完善、更柔和、損失小、排出更清潔。原則：1.油—氣—燃燒室的最佳配合；2.控制著火落后期內(nèi)的混合氣生成量；3.合理組織燃燒室內(nèi)的渦流和湍流運動；4.緊湊的燃燒室形狀；5.加強燃燒期間和燃燒后期的擾流；6.優(yōu)化運轉(zhuǎn)參數(shù)。優(yōu)化供油提前角、空燃比（供油量）、壓縮比、配氣相位、進氣渦流強度、增壓比、廢氣再循環(huán)等等。第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四二、燃油噴射過程的優(yōu)化理想的燃燒：在初期，應(yīng)控制燃燒速率，盡可能降低預(yù)混合燃燒階段的放熱率峰值；在中期，要保持快速和有效燃燒，以便提高動力性和經(jīng)濟性；在后期，要盡可能縮短擴散燃燒。圖5-32柴油機燃燒方案理想圖第五十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四對噴油規(guī)律的基本要求：一是噴射開始時段的噴油率不能太高；在燃燒開始后，應(yīng)有較高的噴油率以期縮短噴油持續(xù)期，加快燃燒速率。二是盡可能減少噴油系統(tǒng)中的燃油壓力波動，以防止不正常噴射現(xiàn)象。圖5-33合理的噴沒規(guī)律第五十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四②采用雙彈簧噴油器；圖5-35雙彈簧噴油器結(jié)構(gòu)具體措施