第五章柴油機混合氣的形成與燃燒演示文稿

第五章柴油機混合氣的形成與燃燒演示文稿1本文檔共55頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\11點25分

柴油機的燃燒過程與汽油機的有所不同：

汽油機柴油機混合方式：

著火燃燒：進氣渦流：缸外混合（少數(shù)缸內(nèi)）缸內(nèi)混合（混合時間長）（混合時間短）

點燃、預(yù)混合燃燒壓燃、擴散燃燒（著火時間、地點可控）（著火時刻、地點不可控）

加速火焰?zhèn)鞑ゴ龠M燃油與空氣混合防止爆燃加速燃燒2本文檔共55頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\11點25分第1節(jié)燃油的噴射與霧化指從噴油泵開始供油到噴油器停止噴油的全過程。

包括：噴射延遲、主噴和噴油結(jié)束三個階段。

一、噴射與霧化

1、噴射過程：

柴油機的燃燒過程取決于混合氣的形成，而后者又取決于燃料的噴射與霧化、缸內(nèi)的氣流運動和燃燒室的結(jié)構(gòu)。3本文檔共55頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\11點25分1）噴油延遲：

從噴油泵柱塞關(guān)閉進油孔瞬間到噴油器針閥升起（噴油開始）。供油提前角θG噴油提前角θP噴油延遲角θ=θG-θP

噴油延遲角隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高和高壓油管長度增加而增大。*思考：供油（或噴油）提前角過大或過小會產(chǎn)生什么問題？4本文檔共55頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\11點25分2）主噴油：

3）噴油結(jié)束：

從噴油器開始噴油到噴油器端壓力開始急劇下降。

持續(xù)時間取決于噴油泵柱塞的有效行程。

從噴油器端壓力開始急劇下降到針閥落座停止噴油。

由于噴油壓力低，霧化差，希望斷油迅速、徹底，以減少這一階段的噴油量。5本文檔共55頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\11點25分2、供油規(guī)律和噴油規(guī)律：

分別指供油速率和噴油速率隨凸輪轉(zhuǎn)角或時間的變化規(guī)律。

兩者的特點：1）供油規(guī)律決定噴油規(guī)律；2）噴油持續(xù)時間大于供油時間；3）噴油時刻落后于供油時刻；4）循環(huán)噴油量少于循環(huán)供油量；5）最大噴油速率低于最高供油速率；6）噴油規(guī)律較供油規(guī)律明顯畸變。6本文檔共55頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\11點25分

造成噴油規(guī)律與供油規(guī)律差異的主要原因：1）燃油的可壓縮性：2）壓力波傳遞的滯后：

產(chǎn)生壓力波并使循環(huán)供油量大于循環(huán)噴油量。3）壓力波動：

噴油時刻落后于供油時刻（高壓油管越長、轉(zhuǎn)速越高，落后角度越大）。

造成噴油規(guī)律明顯畸變。4）高壓容積變化（高壓油管和兩閥）：

主要造成循環(huán)供油量大于循環(huán)噴油量。*思考：噴油規(guī)律的影響因素主要有那些？

（柱塞直徑、油泵凸輪型線、高壓油管尺寸、噴孔大小）7本文檔共55頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\11點25分3、噴霧特性與霧化特性：燃油霧化：

指燃油噴入燃燒室后被破碎成細小液滴的過程（噴霧越細越好）。油束幾何形狀：1）油束射程（貫穿距離）L2）噴霧錐角β或油束最大寬度B

在噴油壓力和噴孔不變的前提下，噴霧錐角β越大，霧化好，但貫穿距離L會相應(yīng)減小。希望L和β都要大8本文檔共55頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\11點25分3）貫穿率：

指油束貫穿距離與噴孔軸線到燃燒室壁面距離的比值，即L/R。

當(dāng)貫穿率>1時，

會有部分燃油噴射到燃燒室壁面上，

故一般直噴式柴油機采用較小的貫穿率。9本文檔共55頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\11點25分影響油束幾何形狀的主要因素：1）噴射壓力2）噴油孔的長/徑比3）介質(zhì)反力（取決于空氣密度或壓力）噴射壓力增大，L和β增大，霧化效果越好。長/徑比增大，L增大而β減小。壓縮終了壓力越大，β增大（霧化好）但L減小。10本文檔共55頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\11點25分油束的霧化質(zhì)量：

指油束中液滴的細度和均勻度。1）平均粒徑：2）索特粒徑：

所有油粒直徑的算術(shù)平均值。（無法表示不同油粒的分布情況）

所有油?？傮w積與總面積之比。在循環(huán)供油量相同的情況下:SMD值越小，霧化效果也就越好;

若SMD相同，則油粒總表面積相同，蒸發(fā)混合速率也就基本相同。11本文檔共55頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\11點25分3）粒徑分布：表示油粒大小及其分布。1-油粒細而均勻2-油粒粗細不均勻3-油粒粗但均勻

粒徑分布與噴射壓力、噴射背壓和噴孔直徑有關(guān)。12本文檔共55頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\11點25分4、不正常噴射：1）二次噴射：

噴油器針閥落座后，在壓力波動的影響下再次開啟的噴油現(xiàn)象，危害：

首先，噴射壓力小，霧化不良，燃燒不完全，碳煙增加且易積碳而堵塞噴孔；

其次，在燃燒后期噴入，后燃嚴重，經(jīng)濟性下降且加重高溫零件的熱負荷。*思考：可采取那些措施避免二次噴射？（加大針閥彈簧剛度、增大減壓容積和噴孔直徑、減小高壓油管直徑和長度）二次噴射

易發(fā)生在高速、大負荷工況下。13本文檔共55頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\11點25分2）斷續(xù)噴射：

噴油泵供油跟不上噴油針閥流通截面上的出油量，而造成的針閥周期性的跳動。危害：

加重針閥偶件的磨損。*思考：可采取那些措施避免斷續(xù)噴射？

（加大供油速率（提高柱塞平均運動速度和直徑，改善油泵凸輪型線）、減少針閥直徑和噴孔直徑）斷續(xù)噴射易發(fā)生在低速、小負荷區(qū)。14本文檔共55頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\11點25分3）不規(guī)則噴射和隔次噴射：

由于供油量過小，造成每循環(huán)供油量不均勻，甚至有些循環(huán)不噴油的現(xiàn)象。危害：

使怠速工況不穩(wěn)甚至停車（只能采用較高的怠速轉(zhuǎn)速）。*思考：可采取那些措施避免不規(guī)則噴射？

（加大柱塞直徑，減小針閥彈簧剛度（慎用），減少高壓容積）

易發(fā)生在怠速工況下（或者噴油設(shè)備偶件過度磨損）。15本文檔共55頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\11點25分4）噴油器滴漏：

噴射終了時，仍有燃油流出的現(xiàn)象；危害：

由于是流出，霧化極差，易積碳和堵塞噴孔。*思考：可采取那些措施避免滴漏？

（增加針閥剛度，減小針閥壓力室容積及噴孔面積，增大出油閥減壓容積）產(chǎn)生的原因：

一是系統(tǒng)壓力不能迅速下降，導(dǎo)致針閥落座速度慢；

二是針閥下壓力室容積過大，燃油受熱膨脹后溢出；

三是針閥偶件磨損造成漏油。16本文檔共55頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\11點25分5）穴蝕：

是由于高壓油路中油壓低于燃油蒸汽壓，產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂所至。嚴重危害系統(tǒng)的正常工作和使用壽命。

減壓閥減壓速度過快或噴油孔面積過大。因而可采取減少減壓容積和噴孔面積的方法來消除穴蝕（但要避免出現(xiàn)二次噴射）。產(chǎn)生的原因：17本文檔共55頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\11點25分第2節(jié)燃燒與放熱

1、著火落后期（滯燃期，A-B）

一、柴油機燃燒過程

2、速燃期（急燃期，B-C）

3、緩燃期（C-D）

4、補燃期（后燃期，D-E）18本文檔共55頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\11點25分

1、著火落后期（滯燃期，A-B）

從燃油開始噴入燃燒室到開始著火燃燒（壓力線明顯脫離純壓縮線而急劇升高）原因：

物理準備、化學(xué)準備影響因素：

壓縮比（壓縮終了溫度與壓力）十六烷值19本文檔共55頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\11點25分

2、速燃期（急燃期，B-C）

從開始著火燃燒到壓力達到最高點（最高爆發(fā)壓力，通常噴油在此階段結(jié)束）。特點：

著火落后期內(nèi)形成的可燃混合氣在上止點附近多點著火迅速燃燒。20本文檔共55頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\11點25分壓力升高率的影響因素：

綜合來講，希望不超過0.4MPa。

動力性運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性壓力升高率對性能的影響：

越大排放性

越好越差越差

著火落后期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量*思考：如何控制壓力升高率？21本文檔共55頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\11點25分

3、緩燃期（C-D）

從壓力最高點到溫度最高點。特點：1、大部分燃油在此期間燃燒（放熱量占70-80%），并出現(xiàn)循環(huán)最高溫度Tmax=1600-2000℃；

2、由于活塞于下行，作功效率差；

3、燃燒產(chǎn)物多，氧濃度低，燃燒速度很慢；

4、高溫缺氧燃燒，是生成碳煙的主要階段。22本文檔共55頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\11點25分

如何改進緩燃期燃燒性能：

從其特點來看，第1條是必然性的，只能著手于2、3、4條。1、加快混合，縮短緩燃期燃燒時間；

2、采用大的過量空氣系數(shù)（1.2以上）。23本文檔共55頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\11點25分

4、補燃期（后燃期，D-E）

從溫度最高點直到燃料基本燃燒完。特點：1、遠離上止點放熱，排溫高、熱負荷嚴重（高速大負荷尤為嚴重）；

2、部分碳煙等不完全燃燒產(chǎn)物在此期間被氧化。改進：

加速混合、縮短后燃期24本文檔共55頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\11點25分

二、燃燒過程中存在的問題混合時間短+廢氣干擾邊噴、邊混合、邊燒1、混合氣形成困難，燃燒不完全改進措施：①加速空氣運動組織進氣渦流、壓縮渦流等②采用大的過量空氣系數(shù)（>1.2）在進氣不變的情況下意味著少噴油，動力性下降，與提高動力性相矛盾。25本文檔共55頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\11點25分

速燃期壓力升高率大，燃燒噪音大，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差。2、燃燒噪音、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性改進措施：減少著火落后期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量①縮短著火落后期高壓縮比（提高溫度與壓力）、高十六烷值②減少著火落后期的噴油量先緩后急的噴油模式

但是通過降低壓力升高率來控制燃燒噪音、改善運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的同時會降低最高爆發(fā)壓力，使動力性下降。26本文檔共55頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\11點25分

三、燃燒放熱規(guī)律

1、定義：

燃燒放熱快

放熱速率累計放熱百分比燃燒放熱規(guī)律意義：壓力和溫度升高快

因此，燃燒放熱規(guī)律直接影響到柴油機的工作性能。

放熱規(guī)律的測定：27本文檔共55頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\11點25分

（1）放熱始點燃燒放熱規(guī)律

（在持續(xù)期和速率曲線不變的情況下）放熱始點（起點）放熱持續(xù)期放熱曲線形狀

始點提前：

放熱規(guī)律三要素：

壓縮負功增大、熱效率降低；

始點推遲：

壓力升高率和最高爆發(fā)壓力小，熱效率低且后燃嚴重。2、理想放熱規(guī)律28本文檔共55頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\11點25分1）噴油提前角放熱始點的控制：

通常是以最大功率和最小油耗為目標(biāo)。燃燒放熱規(guī)律2）著火落后期具體措施：

轉(zhuǎn)速↑、負荷↑，相應(yīng)提前角應(yīng)加大。

縮短著火落后期，以減少預(yù)噴油量。提高壓縮終了的壓力與溫度（增壓柴油機噪音小的原因）29本文檔共55頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\11點25分

（2）放熱持續(xù)期與放熱曲線形狀最高爆發(fā)壓力、溫度和壓力升高率大燃燒放熱規(guī)律

動力性好、效率高但噪音、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和排放性差

（在總放熱量不變的情況下）

持續(xù)期越短、曲線越陡30本文檔共55頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\11點25分放熱持續(xù)期的控制：1）噴油持續(xù)時間2）燃燒時間混合快慢加強汽缸內(nèi)的空氣運動放熱曲線形狀的影響：放熱先快后慢放熱規(guī)律對示功圖的影響放熱先慢后快效率高、但工作粗暴、NOX排放高效率低、但工作柔和、排放好31本文檔共55頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\11點25分第3節(jié)混合氣形成與燃燒1、缸內(nèi)形成

2、時間極短

3、過量空氣系數(shù)較大

4、靠燃燒室、噴霧、空氣渦流運動三方面配合柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用：噴霧霧化空氣運動燃燒室結(jié)構(gòu)

加快混合氣的形成是保證及時、完全燃燒（汽油機是提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋┗旌蠚庑纬商攸c:

一、混合氣形成特點32本文檔共55頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\11點25分二、混合氣形成方式空間霧化混合油膜蒸發(fā)混合1、空間霧化混合：

將燃油噴向燃燒室空間以霧狀油滴與空氣渦流進行混合?；旌闲Ч饕Q于：噴霧特性、空氣渦流

空間霧化混合渦流混合的作用：過弱混合效果差過強使燃燒產(chǎn)物與鄰近噴霧重疊a、促使油束分散b、實現(xiàn)熱力混合33本文檔共55頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\11點25分

空間霧化混合的特點：優(yōu)點：噴霧越細、越均勻，混合、燃燒迅速、效率高。缺點：

初期形成混合氣過多，使壓力、溫度急劇上升，發(fā)動機工作粗暴（噪音大），NOx排放高；若減少初期噴油量，將導(dǎo)致后期高溫裂解嚴重，碳煙增加。2、油膜蒸發(fā)混合：

將燃油噴向燃燒室璧面以油膜蒸發(fā)油氣的形式與空氣渦流混合（一般用于球形燃燒室）。混合效果取決于：燃燒室壁面溫度、空氣渦流油膜蒸發(fā)混合混合快慢取決于噴霧特性和空氣渦流34本文檔共55頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\11點25分

油膜蒸發(fā)混合的特點：優(yōu)點：

初期形成混合氣量少，發(fā)動機工作柔和、NOx排放少；燃燒過程中，燃燒始終是蒸發(fā)后與空氣混合，避免了高溫下油滴的裂解，碳煙排放低。

低溫蒸發(fā)速度慢，冷起動性能差；對工況變化的反映能力差；另外，對渦流變化敏感，且熱效率也不及空間霧化混合方式。缺點：混合快慢取決于燃燒室壁面溫度和空氣渦流

在車用柴油機中，通常是上述兩種方式共存，但多數(shù)以空間霧化混合為主。球形燃燒室以油膜蒸發(fā)混合方式為主。35本文檔共55頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\11點25分三、缸內(nèi)氣流運動1、渦流：

主要可分為：渦流、擠流、滾流和湍流。分進氣渦流、壓縮渦流和燃燒渦流三種。

（1）進氣渦流：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的氣流運動（通常人為組織）。進氣渦流

渦流比：

渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之比（用于衡量渦流強度）。36本文檔共55頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\11點25分切向氣道螺旋進氣道

進氣渦流的組織：a、切向進氣道：渦流比通常為1-2，適用于對渦流強度要求不高的發(fā)動機；

但是：進氣渦流會增大進氣阻力，降低進氣充量。b、螺旋進氣道：渦流比為2-4，適用于渦流強度要求較高的發(fā)動機。37本文檔共55頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\11點25分

（2）壓縮渦流：

進氣過程中不組織渦流，而是在壓縮過程中，在渦流室內(nèi)產(chǎn)生渦流運動（會影響壓縮功和熱效率）。

（3）燃燒渦流：

渦流室型燃燒室，燃燒過程中由于壓力差產(chǎn)生的渦流（會影響熱效率）。壓縮渦流燃燒渦流38本文檔共55頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\11點25分2、擠流：

壓縮過程中，氣缸內(nèi)空氣被擠入活塞頂部燃燒室凹坑而形成的擠壓渦流運動。3、滾流：

進氣過程中形成的繞垂直于氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的氣流運動（通常人為組織）。進氣滾流

由于氣流會引起能量損失，且高速與低速時差異較大，難于精確控制，故現(xiàn)代柴油機傾向于高壓直噴方向發(fā)展。39本文檔共55頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\11點25分四、柴油機燃燒室1、直噴式：開式（淺盆型）和半開式（ω型、球型）。（直噴式與分隔式）

（1）淺盆形燃燒室（凹坑與活塞的直徑之比>0.7）淺ω形燃燒室

混合氣形成特點：

優(yōu)點：

空間霧化為主，故采用較多的噴孔數(shù)（7-12）和較高的噴射壓力；一般不組織進氣渦流，要求貫穿率<1。

動力性、經(jīng)濟性和起動性好；

通常用于缸徑較大、轉(zhuǎn)速較低的發(fā)動機。

最高燃燒溫度與壓力高、工作粗暴、NOx和碳煙排放高。

缺點：40本文檔共55頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\11點25分

（2）ω形燃燒室（凹坑與活塞的直徑之比<0.7）ω形燃燒室

混合氣形成特點：

優(yōu)點：

空間霧化混合為主，采用多孔噴嘴(4-6)，組織一定進氣渦流和擠流，以加速混合氣的形成。

動力性、經(jīng)濟性和起動性好，適合于高速柴油機需求；

通常用于缸徑為80-140mm之間、轉(zhuǎn)速<4500r/min的發(fā)動機。

最高燃燒溫度與壓力高、工作粗暴、NOx和碳煙排放高，且對轉(zhuǎn)速變化敏感。

缺點：41本文檔共55頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\11點25分

（3）非回轉(zhuǎn)體燃燒室

結(jié)構(gòu)特點：

燃燒室中特殊設(shè)計了一些邊角和凹凸。42本文檔共55頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\11點25分

優(yōu)點：

燃燒改善，HC和CO排放低，對轉(zhuǎn)速變化不敏感。

缺點：NOx排放較高，加工復(fù)雜，一些突出部位熱負荷嚴重。43本文檔共55頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\11點25分

（4）球形燃燒室球形燃燒室

混合氣形成特點：

優(yōu)點：

油膜蒸發(fā)為主，需要強渦流保證均勻而薄的油膜的形成（通常采用螺旋進氣道加強進氣渦流）。

冷起動性差。

1、空氣利用率高，可采用較小的過量空氣系數(shù)；

2、混合均勻，避免油滴高溫裂解，故碳煙排放低，動力性與經(jīng)濟性較好；

3、工作柔和、NOx排放低。

缺點：44本文檔共55頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\11點25分1、燃燒迅速，經(jīng)濟性好；2、面容比小，散熱損失小，冷起動性能好；3、對噴射系統(tǒng)要求較高；4、半開式對進氣氣流有較高要求；5、變工況適應(yīng)性差，對轉(zhuǎn)速敏感;6、NOx和碳煙排放高；7、壓力升高率大，燃燒噪聲大，工作較粗暴。

直噴式燃燒室特點：45本文檔共55頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\11點25分2、非直噴式（分隔式）：渦流室燃燒室預(yù)燃室燃燒室1、二次渦流或湍流（壓縮和燃燒）加速混合，抑制碳煙的生成；4、對進氣渦流和噴霧要求低；

特點：2、濃稀兩段混合燃燒，抑制了NOx的生成，且燃燒柔和，噪音小；3、散熱與節(jié)流損失大，冷起動性與經(jīng)濟性差；5、渦流室適合于高速柴油機；6、空氣利用率高，可采用較小的過量空氣系數(shù)。46本文檔共55頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\11點25分第4節(jié)燃燒過程的優(yōu)化柴油機燃燒優(yōu)化的難點：

一、燃燒過程優(yōu)化的基本原則1、動力性、經(jīng)濟性、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性（噪音）、排放性的改善往往相互矛盾；2、車用柴油機工作范圍廣泛，對油-氣-燃燒室三者間的配合影響很大。

燃油霧化、空氣運動、燃燒室結(jié)構(gòu)47本文檔共55頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\11點25分柴油機燃燒優(yōu)化的一般原則：1、控制著火落后期內(nèi)形成的混合氣數(shù)量2、合理組織燃燒室氣流運動

動力性、經(jīng)濟性與燃燒噪音、NOx排放的折中

加速混合與燃燒、避免局部過濃充量降低、損失增大3、緊湊的燃燒室結(jié)構(gòu)（F/V要?。?/p>

減少散熱、提高空氣利用率減少余隙容積48本文檔共55頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\11點25分4、運轉(zhuǎn)參數(shù)的優(yōu)化（噴油提前角、噴油規(guī)律、壓縮比、配氣相位、增壓比、EGR率等）

噴油提前角

過大：

過?。?/p>

轉(zhuǎn)速、負荷越大著火落后期長，工作粗暴、動力性、經(jīng)濟