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,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3SCV4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和导气屏重点的安装位置（角度），可调节涡流强度04，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12，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24，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。,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。,汽油机的燃烧,预混可燃混合气火花点燃火焰传播,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,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46个，喷孔直径为0.150.35mm;对于缸径较大的柴油机，一般不组织进气涡流，喷孔多达712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）变化的特性。,齿杆在标定工况油量位置时的速度特性叫做喷油泵的速度外特性。,实线1柴油机充气系数,实线2柴油机转矩曲线,实线3喷油泵速度外特性,实线4喷油泵部分负荷速度特性,虚线5喷油泵外特性校正,发动机转速,二、喷射与雾化燃油喷射指标：喷油特性和喷雾特性喷油特性：喷油开始时间、喷油持续时间、喷油速率变化和喷油压力喷雾特性：油束贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径、油束中燃油浓度、速度和粒度的分布规律,喷油特性是喷油系统在高压油路中的行为，主要包括喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化以及喷油压力。喷雾特性是燃油喷入燃烧室后的行为，主要包括贯穿距离、喷雾锥角、喷雾粒径，以及油束中燃油浓度、速度和粒度的分布规律。,1.喷射过程:定义：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下约占1540曲轴转角。,喷射过程,喷射延迟阶段I：从喷油泵柱塞顶封闭进回油孔的理论供油始点到喷油器针阀开始升起(喷油始点)为止。,主喷射阶段：从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止。,喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧下降针阀完全落座(喷油终点)为止。,图5-7喷射过程a)喷油泵端压力b)喷油器端压力c)针阀升程,供油提前角、喷油提前角与喷油持续期,喷油提前角:燃料喷入气缸时刻到上止点之间的曲轴转角。,供油提前角:喷油泵柱塞关闭进回油孔开始压油到活塞上止点所经历的曲轴转角。,喷油持续期:由喷油开始至喷油结束之间的时间。,喷射延迟阶段I压力波传导。供油始点和喷油始点一般用供油提前角H和喷油提前角fj来表示，两者之差H-fj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。主喷射阶段持续供油。持续时间取决于循环供油量和喷油速率，通过喷油泵柱塞的有效行程（随柴油机的负荷变化）来决定。喷油结束阶段泵端压力急剧下降。喷油雾化质量下降，所以喷油结束阶段应干脆、迅速。,2.供油规律与喷油规律：,供油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量；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；供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。,差别：始点差别812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。,图5-8供油规律和喷油规律,两者的差别主要原因：1.燃油的可压缩性高压下体积压缩2.压力波传播滞后管长和转速3.压力波动压力波往复反射和叠加4.高压容积变化管路和阀室等的弹性喷油规律是柴油机燃烧和性能优化的重要方面。,3.喷雾特性与雾化质量：,燃油喷入燃烧室后，先是液柱，然后在湍流和液体表面张力的作用下，并与卷入的空气摩擦冲撞，被细化成燃油微粒。这个过程，称为燃油的喷雾或雾化。将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300ms)，油束由于压力差作用，逐渐横向扩张，便形成圆锥形状。,湍流和表面张力的作用下，喷雾过程可分为液柱（分裂距离）、分裂和雾化三个阶段。,燃油雾化SPRAYATOMIZATION,油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯穿距离)和喷雾锥角或油束的最大宽度B。,图5-9油束的几何形状和参数,喷射压力、喷油孔的长度直径比、空气与燃油密度比等决定油束的几何形状。,贯穿距离和喷雾锥角表征喷油射束在空间的几何分布特性，与燃烧室内的空气利用及混合气均匀性都有密切关系。,贯穿距离柴油机燃烧时，希望油束尽可能到达燃烧室壁面附近，以使燃料分布区域扩大，特别是高负荷时，由于喷油过程一般要持续到着火以后，易产生“火包油”现象，这时希望油束有足够的贯穿力，穿透火焰到达周围空气区。,a油束射程L,但并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L燃料喷到壁面上多空间混合气太稀。L燃料集中混合气分布不均匀，空气利用。贯穿率是指贯穿距离与喷孔沿轴线到燃烧室壁面距离的比值。直喷式柴油机，一般贯穿率1，但如存在强涡流，则1。近年来出现的撞击喷雾，贯穿率要大于1。,b喷雾锥角,反映油束的紧密程度。孔式喷嘴大油束松散，粒细。轴针式喷嘴小油束紧密，粒粗。,一般情况下：喷雾锥角过大，贯穿距离会减小；喷雾锥角过小，雾化程度会变差。,油束夹角应满足沿气缸轴向燃油在活塞顶上方的落点处在同一高度；油束锥面下部包含的燃烧室容积与上部到缸盖底面包含的容积基本相同。油束夹角一般在140160之间。油束锥面还与喷嘴突出气缸盖底面高度有关。突出高度在24mm之间。各油束在活塞顶平面的投影位置应使油束分布与燃烧室内的空气分布与涡流相适应。喷雾锥角与喷射压力、孔径、孔长及加工质量等有关，其值一般为1530。,油束分布-喷孔夹角大小兼顾油束上下空气利用,c雾化质量（雾化特性）用油滴的细度和均匀度表示。细度用油滴的平均直径表示，该值越小雾化质量越好；均匀度是表示油束中油滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。,常用索特（Sauter）粒径作为指标评价雾化粒径。它也叫索特平均直径SMD，是所有油粒总体积与总表面积之比。,一般随喷油压力的提高，喷雾粒径变细且均匀度也提高。,油滴平均直径SAUTERMEANDIAMETER,索特平均直径(SMD)：整个油束的液滴总体积与总表面积的比,一般柴油喷雾粒径在1050m,SMD约为2040m。,喷油压力对喷雾性能的影响,喷油压力愈高，燃料喷雾粒度愈细，喷油速率也愈高，柴油机的烟度与微粒排放指标也愈好。小型分隔式燃烧室（涡流室与预燃室）柴油机，由于主副室之间的气体流动为燃料的雾化与混合气形成提供了较多的能量，喷油压力一般不超过40MPa。直喷式柴油机为了达到欧排放标准，喷油压力应当不低于120150MPa，甚至要求达到200MPa。采用共轨或泵喷嘴系统可实现。,3.不正常喷射(一)二次喷射二次喷射是在喷油器针阀落座后，在过大的反射波作用下，针阀再次升起进行喷油的一种不正常现象。二次喷射压力低，这部分燃油雾化不良，燃烧不完全，排放污染增加，易积炭堵塞喷孔，并使整个喷射延续期拉长，后燃烧严重，柴油机经济性下降，零部件过热。在高速、大负荷时易出现。,二次喷射SECONDARYINJECTION,燃油喷射终了后，针阀又不受控制地第二次开启向气缸内喷油的现象。,正常喷射,二次喷射,二次喷射的危害,喷油持续时间延长;燃油雾化质量差，燃烧不完全且后燃严重，燃油消耗率和烟度增加;排温升高零部件过热;产生喷孔积炭堵塞。,在柴油机大负荷、高速运转工况下，燃油在高压作用下的可压缩性和压力波在高压油路中的传播与反射。,消除二次喷射的措施,减少高压油路的容积增大喷孔直径增大出油阀弹簧刚度与开启压力采用阻尼阀与等压式出油阀,二次喷射产生的原因,(二)滴油在正常喷射结束后，如断油不干脆（油路压力下降过慢，针阀不能迅速落座），仍有少量柴油滴出，称为滴油。由于速度、压力低，难于雾化，易生成积炭，堵塞喷孔，且增加排放污染。(三)断续喷射由于在某些瞬间喷油泵供油不足，造成喷油器针法在喷射过程中周期性跳动，喷油出现断断续续。燃烧不稳定。,(四)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，甚至不能保证每次循环供油。在怠速时容易出现。,不稳定喷射UNSTABLEINJECTION,某些工况（低怠速工况）下，当结构参数匹配不当时，循环供油量不断变动，各循环喷油规律也有差异的现象。测量针阀升程和喷油规律即可加以判定。,不齐喷射：针阀开启不足，针阀的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动。,隔次喷射：有的循环针阀不能开启,消除不稳定喷射措施,合理选择燃料供给系统的参数具有两级开启压力特性的双弹簧喷油器,不稳定喷射原因,高速、大负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射又采用了较大的出油阀减压容积，导致在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油增多，油压低，加之在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压降低并产生周期性的波动，从而使循环喷油量也相应产生变化。,(五)穴蚀在高压油路中压力接近零时，会产生气穴，它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿命。,气穴与穴蚀CAVITATION,当高压油路内压力急剧下降时，溶解在其中的空气先行析出，随后当压力下降到与其温度相应的饱和蒸气压时，高压油路中的燃油开始汽化，两者构成的密集气泡的现象。它在高压时爆裂而产生冲击波，对金属表面形成冲击，影响喷油系统的工作可靠性和寿命。,引起噪声与振动;,使金属疲劳而剥落，出现穴蚀现象;,降低了介质的弹性模数和声速，影响了喷油正时与相邻循环的工作稳定性.,消除穴蚀的措施,采用等压式出油阀,为避免异常喷射现象，应尽可能缩短高压油管长度，减小高压容积，以减缓压力波动；合理选择喷油系统的参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮型线、出油阀结构及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷油孔尺寸、喷油器开启压力等。如：(1)减少高压油路中的容积(2)适当加大喷油器的喷孔直径(3)适当加大出油阀的减压容积,第二节燃烧与放热,燃烧过程的特点1.高压喷油在气缸内部形成可燃混合气。2.压缩自燃。柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：1着火落后期(又称为滞燃期)；2速燃期；3缓燃期；4补燃期。,一、单油滴燃烧Combustionofsingledroplet,图6-1单个油滴的着火区域,直径：5150um(中间较大)Tc-热空气温度；Tw-油滴周围混合气温度；Cu-油滴周围混合气浓度；W-化学反应速度。,单个油滴的蒸发与燃烧，油滴受周围高温高压空气的加热，油滴表面被蒸发气化，与空气形成可燃混合气。自油滴表面向外，形成很大的混合气浓度和温度梯度。着火始于混合气浓度合适的地方，在油滴周围形成以球状燃烧区，燃油蒸气不断由内侧向火焰面扩散，氧气不断有周围向火焰面扩散，在火焰面上进行混合燃烧，使燃油浓度和氧气浓度均变为0，而温度达到最高。高温燃烧产物和热量向火焰面两侧扩散，油滴受到火焰传来的热量加速进行蒸发气化。因此，油滴的扩散燃烧速度完全取决于燃油蒸发和空气向火焰面的扩散速度。这就是为什么称为扩散燃烧的原因。由于火焰面形成的高温气体包围着油滴和油蒸气区，形成了高温缺氧气氛，这是烃燃料裂解反应最有利的条件，易生成炭烟。,二、液滴燃烧的基本条件,形成的燃料蒸气与空气的混合气空燃比要在着火界限内。混合气过浓，氧分子少，混合气过稀，则燃料分子少，这两种情况的氧化反应速率都不够高，不能形成燃烧。当然，一种燃料的着火界限不是一成不变的，而是随着温度的升高，分子运动速率增加，反应速率加快，着火界限也有所扩大。可燃混合气必须被加热到自燃温度以上才能着火，低于这一温度，燃料就不能着火。不同燃料的自燃温度是不同的，它反映燃料的自燃性能，但燃料的自燃温度还与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。,油滴群的蒸发和燃烧，油滴粒径在10m以下，在着火前已蒸发完毕，这就是非均质的预混合燃烧；油滴粒径在2040m，以每个油滴为中心形成的扩散燃烧和各油滴之间相连区域形成的预混合燃烧同时存在；油滴粒径大于40m,火焰面已不连续了，各油滴独立燃烧，基本是以单油滴的扩散燃烧为基础。,油滴群的着火与整个燃烧室内的宏观空燃比无关，只要在油滴周围存在着适合燃烧的空燃比区域，就能在一点或多点同时着火。喷油油束外围的油滴粒径较小，往往较早地蒸发扩散形成过稀混合气，因而不会首先着火；油束中心部的油滴大而密集，也不会首先着火；因此一般在油束核心与外缘之间混合气浓度适当的地方首先着火。实际柴油机着火往往开始于油束头部，因为该部油滴喷出时间长，燃前化学准备较充分。而在有涡流存在的有旋场中，直径较小的油滴被吹到下游并容易形成可燃混合气，着火点往往出现在下游区域。,油束燃烧,油束燃烧特点,着火地点在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。混合气浓度温度条件适合的地方不止一个，因此可以是多点同时着火。不同循环的火核形成点也不一定相同，但由于多点着火，循环变动小。混合气过浓或过稀火焰传播将中断，与此同时新的火核和火焰前锋不断形成。,喷入气缸的燃料不是立刻着火，而是经过一段时间的延迟，期间形成一定量的可燃混合气，这部分燃料的燃烧称为预混燃烧。预混燃烧量对缸内最高燃烧压力、压力升高率和燃烧噪声等有重要的影响。对柴油机的NOx的生产与排放影响最大。,一、预混燃烧PREMIXEDCOMBUSTION,柴油机的燃烧过程COMBUSTIONINDIESELENGINE,油束（滴）边蒸发，边扩散，在与周围空气形成可燃混合后燃烧，扩散混合速率控制了燃烧速率。扩散燃烧过程的长短取决于空气运动的组织和燃料的喷射雾化，对燃油经济性有重要的影响。扩散燃烧对柴油机碳烟/颗粒生成与排放影响最大。,二、扩散燃烧diffusioncombustion,1滞燃期(AB段),2急燃期BC段,3缓燃期CD段,4后燃期DE段,燃烧过程的特点1.高压喷油在气缸内部形成可燃混合气。2.压缩自燃。,（一）着火落后期从柴油开始喷入燃烧室内(A点)起到着火开始点(B点)为止的这一段时期称为着火落后期或滞燃期。随压缩过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高，在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处，多点同时着火，随着着火区域的扩展，缸内压力和温度升高，并脱离压缩线。物理化学过程局部分先后，总体叠加。,着火落后期,影响着火落后期长短的主要因素是燃烧室内工质的状态：喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。柴油的自燃性较好（十六烷值较高），着火延迟期较短。其次因素是燃烧室的形状和壁温等。,图5-14温度与压力对着火落后期的影响,滞燃期长短影响燃烧特性、动力性、经济性和排放特性及噪声振动。,滞燃期IGNITIONDELAY,滞燃期过长，压力升高率和最高燃烧压力高，柴油机工作粗暴。滞燃期过短，扩散燃烧增加，易恶化柴油机性能和颗粒排放。,在上止点附近气体温度高达600，高于燃料在当时压力下的自燃温度。多点同时着火。随着着火区域的扩大，缸内压力和温度升高，脱离压缩线。实际着火点在B点之前。在放热速率曲线上，由于柴油气化吸热，造成着火前dQB/d出现负值，一旦开始燃烧放热，dQB/d很快由负变正，所以dQB/d=0就是着火点。一般柴油机的着火落后角为812，时间为0.73ms，柴油机着火落后期长短会明显影响滞燃期内喷油量和预混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力经济性、排放特性以及噪声振动，必须精确控制。,速燃期,（二）速/急燃期速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线开始急剧上升(B点）到出现最高压力(C点)。,RAPID/premixedBURNINGPHASE,柴油机的预混燃烧期,在上止点附近快速进行，压力升高率大。形成第一峰放热。,特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。温度、压力急剧上升，加之在上止点附近，压力达到最高。,最大爆发压力可达到13MPa以上，由燃烧过程、压缩比、压缩始点的压力等决定。该阶段大部分时间燃烧的主要是在着火落后期内形成的可燃混合气，呈现非均质的预混合燃烧特点。,速燃期的显著特点是压力急剧上升。dp/d的大小对柴油机性能至关重要。直喷式柴油机的dp/d比一般柴油机高一些，一般柴油机的dp/d比汽油机高一些。从提高动力经济性的角度，希望dp/d大一些为好，但过大会使柴油机工作粗暴，噪声明显增加，运动零部件受到过大冲击载荷，寿命缩短；过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物NOx生成量明显增加，为兼顾柴油机运转稳定，dp/d不宜超过0.4MPa/()，而为了抑制氮氧化物的生成，dp/d还应更低。,dp/d的大小主要取决于滞燃期内形成的可燃混合气的多少，即滞燃期内的喷油量、滞燃期长短、燃料的蒸发混合速度、空气运动、燃烧室形状和燃料物化特性等。（dp/d）max和pmax均随滞燃期曲轴转角的增长而线性增长。速燃期中，累计放热率可达20%30%。,平均压力升高率,要严格控制压力升高率。措施减小在着火延迟期内的可燃混合气的量:缩短着火落后期的时间；减少着火落后期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油。,平均压力升高率不宜超过0.6MPa/CA,一般柴油机的最高燃烧压力为59MPa，增压柴油机可能大于10MPa，pmax希望出现在上止点后1015，这样可以获得较好的动力经济性。它取决于喷油提前角、着火落后期和速燃期的长短。,有的书定义速燃期的终点是燃烧放热率变缓的突变点，不是压力最高点。这期间主要是燃烧在滞燃期内形成的非均质预混合气（所以这一阶段也可称为预混合燃烧阶段），燃烧完后放热速率迅速下降，下降到一定时候，dQB/d开始变缓，出现突变点，这就是C点。也即是开始缓慢燃烧的起点。这时压力并未到达最高点。,（三）缓燃期缓燃期为图中的CD段即从最大压力点至最高温度点。,缓燃期,缓燃期DIFFUSIONBURNINGPHASE,缸内温度和压力高，扩散燃烧速度快。气缸工作容积不断增加，缸压变化缓。缓燃期对应于放热规律曲线的第二峰。,柴油机的扩散燃烧期,大负荷时，参与燃烧的是速燃期内未燃的燃料和缓燃期内喷入的燃料。特别是后续喷入的燃料，边蒸发混合，边以高温单阶段方式着火参与燃烧。由于气缸内温度的急剧升高，蒸发混合速度明显加快，加之后续喷油速率的上升，使放热速率再次加速，出现柴油机燃烧特有的“双峰”现象。其放热速率的大小取决于油气相互扩散混合速度，这就是扩散燃烧阶段。也是可控燃烧阶段。小负荷时，喷油结束得早，往往并不出现“双峰”。,缓燃期内，气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧，与速燃期相比其燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多），加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速度。在压力开始下降（气缸容积不断增大）的同时，温度却达到最高。最高温度可达17002000，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。,缓燃期的长短直接影响等容度。缓燃期结束后，累计放热率可达80%左右。缓燃期过长，放热时间加长，热量有效利用降低，即循环热效率下降，故而缓燃期不应“缓燃”。加速缓燃期燃烧速度的关键是：采取措施使后期喷入的燃油能及时得到足够的空气，加快混合气形成，保证迅速完全燃烧。要求柴油机a1的原因就在于此。,由于柴油机的空气利用率较低，所以其升功率和比质量低于汽油机。有的书上把C点（燃烧放热率变缓的突变点）到最高燃烧压力点或最高燃烧温度点称为缓燃期。,（四）补燃期从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的9599时，可认为补燃期结束。即整个燃烧过程结束。,补燃期,后燃期LATEBURNINGPHASE,后燃期LATEBURNINGPHASE,过浓混合气未燃烧的燃料、尾喷燃料、碳烟等的燃烧。膨胀行程的中后期，膨胀比低，做功能力小。增加排温和向冷却水的散热损失，使发动机的热负荷增加，经济性下降。,少量柴油的后续燃烧,由于柴油机燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。高负荷时，过量空气相对少，后燃现象严重。后燃期的燃烧放热，远离上止点进行，气缸内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，使热量不能充分利用，并增加了散热损失，使柴油机动力经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及使排气温度升高。,因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量所占的百分比。另外，加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧化。,二、燃烧放热规律（一）燃烧放热规律的定义瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻，单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出的热量。累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。,燃烧过程是内燃机工作过程的核心，尽管整个燃烧过程一般小于60CA，即仅有几毫秒的持续期，但却要完成蒸发、混合、着火、燃烧一系列复杂的物理化学过程。每一阶段12的提前或延后都会造成燃烧特性及发动机性能的明显差别。往往通过示功图和燃烧放热规律来研究。燃烧放热速率,累计放热率,缸内压力和上止点位置的测量精度会对燃烧放热规律的计算精度有显著影响。,燃烧放热面心,越小，燃烧定容度和热效率越高,柴油机燃烧放热规律,TDC,图5-1588,燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内压力温度的变化进而影响到柴油机的性能。,图5-15燃烧放热规律,（二）理想的燃烧放热规律及其控制,燃烧放热始点、放热持续期和放热率曲线的形状是放热规律三要素。燃烧放热始点：在后两个因素不变的情况下，决定了放热率中心距上止点的位置。对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力有重大影响。放热持续期：在一定程度上反映理论循环等压放热预膨胀比的大小，是循环热效率极为关键的影响因素，同时对排放特性有较大的影响。,放热率曲线：决定前后放热量的比例，对噪声、振动和排放有很大影响，在前两个因素不变的情况下，即决定放热曲线面心的位置，也影响放热持续期的长短，从而也影响循环热效率等性能指标。从而三要素既各具特点，又相互关联，需要进行合理选择与控制。,1.放热始点放热始点的位置要能保证该循环有最大指示热效率，在保证一定等容度的情况下，尽可能减少压缩负功。汽/柴油机都希望放热始点保证最大燃烧压力pmax出现在上止点后1215。汽油机控制点火提前角；柴油机控制喷油提前角和滞燃期长短。,图5-16喷油提前角的调节特性,各工况的着火落后期各不相同，每个工况都有其最佳喷油提前角。喷油提前角的调整特性曲线：喷油提前角对动力、经济性能指标的影响曲线。最佳提前角就是保证获得最大有效功率和最小燃油消耗率。,喷油提前角过大，滞燃期长，气缸压力升高率过大，柴油机噪声增大，工作粗暴，NOx排放增加。喷油提前角过小，后燃烧增加，柴油机燃烧效率下降，未燃碳氢排放与排气烟度增加。,1、柴油机喷油提前柴油机要求转速及负荷都提前。转速提高、负荷不变时，着火落后角增大，再加上喷油持续角和相应的燃烧持续角也都加大，所以要求转速提前-即相应加大喷油提前角；负荷提高、转速不变时，喷油量增加，喷油持续角加大，所以要求加大喷油提前角fj。这一点与汽油机真空提前相反。但负荷提前量较小，一般未予控制。柴油机喷油提前在电控喷射机型中可以精确控制。,调节规律：,2、柴油机滞燃期除fj外，柴油机也可以通过缩短滞燃期以减少这期间的喷油量。缩短滞燃期的主要因素是提高喷油初期燃烧室中的温度和压力。增压柴油机由于进气温度提高，压缩终了的温度也提高，所以滞燃期缩短，这是它dp/d下降、噪声降低的主要原因。喷油始点对滞燃期长短也很重要，若在上止点前不远，则缸内温度及压力均达到较大值，滞燃期缩短；喷油过早或过晚，滞燃期都增加，但噪声影响不同，过早噪声增加，过晚，放热中心后移，噪声下降。,放热持续期的要求和控制放热持续期原则上越短越好。汽油机一般小于4050，柴油机一般小于5060。柴油机的放热持续期首先取决于喷油持续角的大小，其次取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。,2.放热持续期,3.放热规律曲线形状直喷式燃烧室柴油机的瞬时放热速率和累积放热百分比在燃烧的起始阶段上升最快，放热速率很快就达到最大值。高速的直喷式燃烧室柴油机的放热速率往往呈现双峰的特点。在燃烧的起始阶段，非直喷式式燃烧室柴油机的放热速率和累积放热百分比都上升得比较慢，放热速率的最大值也较低。,图5-18不同类型柴油机的燃烧放热规律比较1汽油机2直喷式燃烧室柴油机3涡流室燃烧室柴油机4预燃室燃烧室柴油机,放热规律曲线形状的影响和控制影响放热规律曲线形状的因素比较复杂。实际发动机的放热率形状取决于不同的机型、不同的燃烧和混合气形成方式以及对性能的具体要求。直喷式柴油机，两段燃烧的特点，放热率呈先快后慢，因而噪声、振动大，爆发压力高，指示热效率也高。通过喷油、气流、燃烧室的相互协调来加以改变和控制，如减少初期喷油量等。总之，为了兼顾发动机的各项性能，合理的燃烧过程应做到：对于柴油机，滞燃期要缩短，速燃期不过急，缓燃期要加快，后燃期不过长。,理想的燃烧放热规律图,相同的机理：混合气自燃造成压力升高率过大。不同的时刻：柴油机的急燃期，预混燃烧过量。汽油机的速燃后期，末端混合自燃。,1、一般概念,DIESELROUGHNESSANDSIENGINEKNOCKING,柴油机的工作粗暴与汽油机的爆震燃烧,柴油机平均压力升高率0.6MPa/CA，否则就是工作粗暴。,降低柴油机的燃烧噪声合适的压力升高率滞燃期内形成的可燃混合气适量。,控制因素：滞燃期长短滞燃期内的喷油量,2、柴油机燃烧噪声,急燃期压力升高率过高而造成的气体冲击。,降噪具体措施,选用十六烷值高的燃料，缩短滞燃期。,减小滞燃期内的喷油量，控制压力升高率和最高爆发压力。,引导喷射,柴油机的冷起动性能COLDSTART,气缸内压缩始点温度下降，气缸壁传热增大以及由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降。在低温时燃料粘度增大以及起动转速低从而使燃料的蒸发和雾化恶化，影响混合气的形成。阻力过大（低温时润滑油粘度大，机械摩擦功加大；蓄电池性能下降，使起动电机工作转速降低）。,柴油机的冷起动特性明显劣于汽油机，冷起动特性一直是柴油机的重要特性之一。一般柴油机不加特殊的冷起动措施（如电热塞、起动液、进气空气预热等）大致可在10-5的环境下顺利起动，但在更低的环境温度下，冷起动将遇到困难。主要原因：,柴油机顺利起动条件：,压缩温度必须足够高,为在气缸内某种燃料有可能开始着火的最低临界温度。,压缩终点温度。,必须形成易于着火的混合气,改善冷起动的措施：1、选择合适的起动转速起动转速过低，漏气量增加，会导致压缩终点压力不足；过高，燃油蒸发混合时间缩短。2、适当增加循环喷油量首先蒸发混合着火的是柴油机中的轻馏分部分，增加喷油量，轻馏分也相应增加，着火前形成的可燃混合气量增加，但喷油量也不能过多，否则混合气温度过低。3、适当推迟点火提前角越接近上止点，缸内温度和压力越高。4、提高柴油的十六烷值5、采用预热方法对冷却水、进气进行预热，冷却水预热有两个好处，一是减少散热，二是降低机油粘度；燃烧室设置电热塞。7、加起动液,第三节混合气形成与燃烧室,一、柴油机混合气形成的特点和方式：1.混合气形成特点,（1）混合气不均匀（油、气本身不均匀）。（2）过量空气系数较大（柴油的蒸发性和流动性差、混合气形成的时间短，难于在燃烧前彻底雾化蒸发并与空气均匀混合，进而难于完全燃烧）。（3）混合过程与着火过程和燃烧过程共存。,2.混合气形成基本方式（分两大类）1、空间雾化混合将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。a)静止空气“油找气”无涡流，充量系数较高b)空气作旋转运动-组织进气涡流（车用高速柴油机）,图5-19直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式a)静止空气b)空气作旋转运动,组织进气涡流时，在喷油能量和空气旋转的共同作用下，油束的扩散急剧增大。涡流强度与油束匹配理想的状态是相邻油束几乎相接，以使油雾尽可能充满燃烧室。涡流太弱，效果不明显；过强涡流：上游油束的已燃气体妨碍下游油束前端部的燃烧。非直喷式柴油机，采用两阶段的空间混合方式，副燃烧室着火，主燃烧室燃烧混合。新发展的撞击喷射方式：燃油高速喷向壁面，撞击反弹。基本上也属于空间混合方式。,空间雾化混合方式的旋流运动中，还存在热混合方式。在旋流场中的质点，将受到离心力、压差引起的向心推力及气流对质点运动的粘性力的综合作用。由于液体油粒或燃油蒸气的密度比空气大，离心力将起主要作用，呈向外运动趋势；已燃气体的密度比空气小，向心推力将起主要作用，呈向内运动趋势。从而已燃气体向燃烧室中心、未燃燃料和新鲜空气向外壁的运动，有利于空气与燃料的混合，这就是热混合方式。反之，若贯穿率不足，喷油集中在燃烧室中心，该区域离心力较小，燃料粒子难以被抛向周边区域与新鲜空气混合，而被已燃气体包围，只是火焰被“锁定”在中心区域，造成燃烧不完全，这就是热锁现象。,在空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合气起决定作用。为提高混合气形成速度，往往要将燃料尽可能喷得很细，分布均匀。因而在着火落后期，较多的油滴已受热蒸发，形成大量的可燃混合气，造成燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。但如调整着火落后期内形成较少的可燃混合气，则大量的燃油在燃烧时的高温高压下蒸发混合，又容易因局部空气不足而裂解成碳烟。总体来看，空间雾化混合热效率较高，但碳烟、NOx和燃烧噪声较大。,2、壁面油膜蒸发混合球形燃烧室,图5-20油膜蒸发混合方式,燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上形成一层很薄的油膜。着火前，燃烧室壁温较低，油膜底层保持液态，表层油膜开始时以较低速度蒸发，加上喷油射束在空间的少量蒸发，形成少量可燃混合气。着火后，随燃烧的进行，油膜受热逐层加速蒸发，使混合气形成速度和燃烧速度加速。,油膜蒸发是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流起主要作用。由于油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长，燃烧室壁温较低，使油膜蒸发混合方式在着火落后期内生成的混合气远小于空间雾化方式。着火后，大部分燃料是在蒸发后以气态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合式的液态油滴高温裂解问题，使碳烟特别是大颗粒碳烟排放降低。但该技术难度大，实际应用不多，思路具有很好的理论指导意义，在新型的缸内直喷汽油机中有应用。,两种混合方式的对比,实际柴油机中混合气形成方式是多种方式并存，因此是复杂多样的。如直喷式柴油机在混合气形成方式以空间雾化混合为主的同时，到达壁面的燃油又存在撞击和油膜蒸发混合方式；气流运动则以进气涡流为主的同时，挤流、微涡流乃至多气门时组织的滚流都存在。,柴油机的燃烧速度取决于混合气形成速度。混合气形成要经历燃料喷射、雾化、气化混合这样一个复杂的过程，而且还有燃烧中的再混合问题。这个过程不是越急越好，应根据动力、经济、排放以及噪声振动等性能的要求，通过燃油喷射系统、进气系统、燃烧室合理设计以及三者之间的合理匹配，实现合理的控制。,三、柴油机燃烧室（自学）,直接喷射式燃烧室,非直喷式燃烧室（分开式燃烧室）,柴油机燃烧室分类CLASSIFICATION,柴油机的燃烧室可分为直喷式燃烧室和非直喷式燃烧室两大类。直喷式燃烧室是将燃油直接喷入主燃烧室中进行混合燃烧。主要有浅坑形、深坑形和球形。非直喷燃烧室往往具有主副两个燃烧室，燃油首先喷入副燃室，进行一次混合燃烧，然后冲入主燃室进行二次混合燃烧。根据在副燃室内形成涡流运动还是湍流运动，又分为涡流室式和预燃室式。,1、直接喷射式燃烧室：1）浅盆形燃烧室2）形燃烧室3）挤流口式燃烧室4）球形燃烧室,图5-24各种直喷式燃烧室形式a)浅盆形b)形c)挤流口形d)球形,图5-26非回转体燃烧室a)四角形b)微涡流MTCCc)Quardramd)花瓣形,5）非回转体燃烧室,、分开式燃烧室（非直喷式）1）涡流室燃烧室,图5-30涡流室的形状a)球形b)圆锥形平底c)圆柱形平底,）预燃室燃烧室,图5-31预燃室燃烧室a)倾斜偏置，单孔道；b)中央正置，多孔道；c)侧面正置，单孔道,