5（修改完成）内燃机溷合气的形成与燃烧.ppt

第一节内燃机缸内的气流运动,概述：涡流、挤流、滚流和湍流四种气流运动形式，被分别或组合应用于不同的燃烧系统。汽油机：1）加速火焰传播2）降低循环变动3）适应稀燃或层燃柴油机：加速混合与燃烧,一、涡流进气涡流和压缩涡流,缸内的涡流运动是柴油机混合气形成的主要手段。近年来，汽油机为实现稀薄燃烧也开始应用涡流。涡流转速与发动机转速之比称为涡流比，作为衡量涡流强度的指标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,进气道气门出口速度分布,螺旋气道,切向气道,（三）气道的评定方法,流量系数涡流比Ricardo方法,Ricardo量纲Ricardo涡流比,各种涡流比,导气屏设置在进气门上，可调节涡流强度，涡流比04切向气道形状简单，涡流比12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,涡流比进入凹坑时增大,涡流比随曲轴转角的变化,二、挤流,挤流是在压缩过程中，当活塞接近上止点时，活塞表面的某一部分和缸盖接近时产生的径向或横向气流运动。压缩涡流（涡流燃烧室柴油机）,三、湍流,在气缸中形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流，也称微涡流。湍流可以促进燃油和空气的微混合程度，加速燃烧过程。,四、滚流,在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流称为滚流(tremble)，也称为纵涡或横轴涡流。,直喷式燃烧室柴油机燃烧过程中发生的现象。(P86),五、热力混合,第二节、点燃式内燃机的燃烧,一、点火过程与滞燃期,1、火花点火击穿阶段电弧阶段辉光放电阶段,2、滞燃期,三种定义1）缸内压力脱离压缩线2）火焰传播到某定义半径3）燃料燃烧10%,二、正常燃烧过程,（一）定容燃烧弹模型简介均匀混合，燃烧开始密度不等，速率不等（越来越大）温度不等，火花塞处最高（受压缩）压缩-膨胀作用加速末端先期反应。,预混合燃烧与扩散燃烧,预混合燃烧和扩散燃烧是内燃机最基本的两种燃烧方式。导致汽油机和柴油机不同：1）燃烧特性、2）排放污染物生成及控制机理、3）动力经济性4）噪声振动,预混合燃烧与扩散燃烧的区别,1）预混合燃烧时，燃烧前已均匀混合，燃烧速度主要取决于化学反应速度，即取决于温度和过量空气系数(浓度)；扩散燃烧时，由于燃料与空气边混合边燃烧，因而燃烧速度取决于混合速度。2)扩散燃烧时，要求过量空气系数12，并且在总体68(相当于空燃比大于100)的条件下也能稳定燃烧(稀燃)；而预混合燃烧时，0812，可燃混合气浓度范围小，难以稀燃。3)扩散燃烧时，混合气浓度和燃烧温度分布极不均匀，易产生局部高温缺氧现象，形成炭烟；而预混合燃烧时，由于混合均匀，一般不产生炭烟。,4)扩散燃烧时，由于有炭烟产生，碳粒的燃烧会发出黄或白色的强烈辐射光，因此称“有焰燃烧”；而预混合燃烧时，无碳粒燃烧问题，火焰呈均匀透明的蓝色，因此也称“无焰燃烧”。5)预混合燃烧由于燃前已形成可燃混合气，有回火的危险；而扩散燃烧一般无此危险,（二）点燃式内燃机的燃烧,正常燃烧过程,(1)滞燃期-(图中12段)从火花塞点火(点1)至气缸压力明显脱离压缩线而急剧上升时(点2)的时间或曲轴转角(2)急燃期-明显燃烧期(图中23段)从形成火焰中心到火焰传遍整个燃烧室，压力达到最高点。,(3)后燃期(图中3点以后)，指明显燃烧期以后的燃烧，主要有火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧。汽油机正常燃烧过程是唯一地由定时火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室。,（三）燃烧过程按已燃质量分量划分,火焰发展期快速燃烧期总燃烧期,（四）燃烧速率,燃烧速率是指单位时间燃烧的混合气量,紊流运动与火焰速度,（五）、着火界限或可燃范围,汽油：过量空气系数0.51.30,六、利用示功图获取燃烧特征参数,最高压力及其时刻压力升高率滞燃期放热率曲线,（七）不同工况下燃烧过程热点,1、点火提前角,2、混合气浓度,功率混合比：a=085-095，火焰速度最大。经济混合比：a=103-11，火焰速度降低不多，又有足够的氧气而使燃烧完全。,3、负荷不同时的燃烧过程,负荷减小，点火提早。4、转速不同时的燃烧过程转速增加，点火提前角增大,点火提前角MAP,负荷减小，点火提早；转速增加，点火提早，但高转速、高负荷有所回落，并呈现比较复杂的变化,点火提前角控制策略,1、开环控制根据MAP确定点火提前角基本量ECT（冷却水温）校正怠速校正空燃比校正燃油品质校正,点火提前角计算流程,点火提前角其他控制,1）低速重复点火，确保怠速稳定。2）起动时推迟0.5秒（或若干循环），确保机油压力建立3）点火切断，防点火线圈过热4）固定点火提前角方式5）点火闭合角控制,点火提前角控制策略,2、闭环控制,（八）各循环间的燃烧变动,1、定义：汽油机稳定工况运行时，这一循环和下一循环燃烧过程不断变化，具体表现是压力曲线，火焰传播和功率输出不同。,2、燃烧循环变动的表征参数1）气缸压力参数，最高气缸压力、相应于气缸最高压力的曲轴转角、最大压力升高比、相应于最大压力升高比的曲轴转角、2）发动机输出功率的变化可用平均指示压力的变化表示。3)与燃烧速率有关的参数，如最大燃烧速率、火焰发展角、快速燃烧角4)与火焰前锋位置相应的参数，如火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。,3、燃烧循环变动的原因1）燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动2)每循环气缸内的混合气成分(特别是在点火瞬间火花塞附近)，由于空气、燃料、EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成。,4）降低燃烧循环变动的措施1)多点点火。2)组织进气涡流能增加燃烧速率。3)提高发动机转速，形成更强烈的湍流。4)采用化学计量空燃比，火焰温度和传播速度比较高，因此压力变动最小。5)采用燃油电控喷射技术(特别是多点燃油喷射)可改善循环之间的混合气浓度不均性。6）采用速燃技术7）加大点火能量,三、点燃式发动机的不正常燃烧,爆燃的现象缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波)，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸,（一）爆燃的外部特征,1)发出频率为30007000HZ的金属振音；2)轻微爆燃时，发动机功率略有增加，强烈爆燃时，发动机功率下降，转速下降工作不稳定，机身有较大振动；3)冷却系统过热，气缸盖温度、冷却水温度和润滑油温度均明显上升；4)爆燃严重时，汽油机甚至冒黑烟,（二）爆燃的机理（原因）,在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气，(常称末端混合气)i进一步受到压缩和辐射热的作用，加速了先期反应。如果在火焰前锋岗来到达之前，末端混合气已经自燃，则这部分混合气燃烧速度极快，火焰速度可达每秒百米甚而数百米以上，使局部压力、温度很高，并伴随有冲击波。,（三）爆燃的危害,1)热负荷及散热损失增加。2)机械负荷增大。3)动力性和经济性恶化。4)磨损加剧5)排气异常,（四）爆燃的影响因素,分析：如果由火核形成至火焰前锋传播到末端混合气为止所需时间为t1，由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间为t2，由于爆燃是在火焰前锋尚末到达时末端混合气发生自燃引起的，因而不发生爆燃的充分必要条件是：t13)。在较低壁温的控制下(200350)，燃料在着火前以较低速度蒸发，在着火落后期内生成的混合气较少，因而初期燃烧放热率和压力升高率低。随燃烧进行，缸内温度和火焰热辐射强度提高，使得油膜蒸发加速，燃烧也随之加速。示,各种直喷式燃烧室比较,示,各种直喷式燃烧室比较,各种直喷式燃烧室比较,各种直喷式燃烧室比较,直喷式燃烧室柴油机的性能特点,1)燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。直喷式柴油机比分隔式柴油机有效燃油消耗率约低1020，但其工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。2)燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小，也没有主、副室之间的节流损失，一方面可使冷起动性能较好，另一方面也是经济性好的重要原因。3)对喷射系统的要求较高，4)NO的排放量比分隔式燃烧室柴油机高，开式燃烧室的微粒排放量相对较低。5)对转速的变化较为敏感，较难同时兼顾高速和低速工况的性能，,二、分隔式燃烧室涡流室,涡流室容积约占整个燃烧室压缩容积的5060。涡流室与主燃烧室之间通道的截面积约为占活塞截面积的135通道方向与活塞顶成一定的倾斜角度在压缩过程中，空气从主燃烧室经通道流入涡流室，在涡流室内形成强烈的有组织的压缩涡流,涡流室形状,分隔式燃烧室预燃室,分隔式燃烧室预燃室,预燃室布置形式,预燃室,预燃室容积约占整个燃烧室压缩容积的35一45预燃室与主燃烧室之间通道的截面积约为活塞截面积的0306在压缩过程中，气缸内部分空气流入预燃室内，由于连接通道截面积很小，且不与预燃室相切，所以在预燃室内形成强烈的无组织的紊流,分隔式燃烧室柴油机的性能特点,空气利用率较高，最小的过量空气系数可达12左右高速下有较好的性能。对喷射系统的要求低，可以使用轴针式喷油器，喷射压力较低。工作平稳，燃烧噪声小。散热损失和通道节流作用引起的流动损失。较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。低负荷下的碳烟排放量大冷起动性差,三、不同柴油机燃烧室的对比及选型,1)在燃油经济性方面，直喷式明显优于非直喷式。在能源问题已成为全球性重大问题的今天，直喷式柴油机由过去主要用于中重型卡车变为现在日益向中小型卡车以及轿车领域扩展。目前新研制的缸径D100mm的高速柴油机几乎都采用直喷式燃烧室，而在D200mm，转速n1000rmin的大型增压柴油机上，目前几乎都采用无涡流或低进气涡流的浅盘形开式燃烧室。,5)在包括农用运输车和小型拖拉机在内的农用柴油机领域，考虑到对制造成本、工作可靠及寿命长的要求，涡流室式燃烧室仍被较多地应用，但直喷式燃烧室的比重在不断扩大。,四、柴油机燃烧过程及燃烧室的优化,1油气燃烧室的最佳配合采用何种强度的涡流、何种喷油方式、何种形状的燃烧室，单独地看，并不存在最佳方案，但综合起来看，在一定的限制条件下，只要油、气和燃烧室三者能恰当配合，达到综合的优化性能指标，就是最优方案,举例,I型和型燃烧系统都采用缩口型燃烧室，喷油压力均为135MPa，喷孔数分别为5和7。虽然型燃烧系统的进气涡流只有I型燃烧系统的40，由于喷孔数的增加，在同样的NO排放条件下，使用型燃烧系统柴油机的炭烟排放和燃油消耗率都有所下降。型和型燃烧系统都采用浅盆型燃烧室，最高喷油压力分别提高到150MPa和180MPa，涡流强度也相应降低，在同样的NO排放条件下，炭烟排放和燃油消耗率都得到了进一步改善。这一实例表明，在较大缸径条件下，采用较高喷射压力以及降低进气涡流有较好的效果。如果喷射压力无法提高，则借助气流运动来加速混合。,2控制滞燃期内的混合气生成量,为追求好的动力性和经济性，可适当增加滞燃期内的混合气生成量，但为了降低NO排放和燃烧噪音，应减少滞燃期内的混合气生成量。优化初期喷油速率控制气体运动和燃烧室形状,图9.37双弹簧喷油器结构1过滤器2初级弹簧压力调整垫圈3初级弹簧4初级弹簧座5导圈6二级弹簧压力调整垫圈7顶杆8二级弹簧9二级弹簧座10过滤盘11定位滑套12针阀,图9.38双弹簧喷油器喷射规律形状与单弹簧喷油器进行对比(a)单弹簧喷油器(b)双弹簧喷油器,3合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动,通过增强涡流和湍流运动，可以加速混合气生成速率，避免局部混合气过浓。特别应重视压缩上止点附近及燃烧过程中的气流运动。另一方面，进气涡流强度的提高会造成充气系数的下降和泵气损失的增加，燃烧室内气流运动强度的增加会造成流动损失及散热损失的升高，气流运动强度必须适当。目前解决这一矛盾的方法倾向于提高喷射压力，而适当降低旋流强度。,4紧凑的燃烧室形状,与汽油机相同，柴油机的燃烧室也应尽可能作到形状紧凑面容比小，使散热损失减小、难以进行燃烧的死角减少、以及空气利用率提高。非直喷燃烧室燃油经济性不好的重要原因之一就是面容比大使散热损失过大。各类柴油机燃烧室都应尽可能减小余隙容积(包括活塞顶与汽缸盖之间的顶隙容积、气门凹坑容积、第一道活塞环以上的环岸容积)，使空气集中在燃烧室凹坑里，以提高空气利用率，使燃油不分散到余隙容积中，以避免不完全燃烧和有害物排放,5加强燃烧期间和燃烧后期的扰流,CCD(combustionchamberfordisturbance)的后期扰动燃烧方式的工作原理：在主燃室之外设一扰动室，在燃烧后期，向扰动室内喷入少量燃料，燃烧气体由扰动室高速喷入主燃室，形成强烈的扰动，使混合气运动再次活化，以加速炭烟的氧化。,加强扰流的系统,加强扰流的系统工作效果,五、柴油机的预混合燃烧,均质压燃(预混压燃)HCCI(HomogeneousChargeCompressionignition)1、HCCI燃烧特性1）全部混合气同时压缩着火2）燃烧放热分为二个阶段3）排放明显改善（低负荷）2.HCCI实现方法,例：丰田UNIBUS燃烧方式,图9.32丰田UNIBUS系统的多层多孔喷油器,其实质是均匀扩散预混合燃烧，为了得到均匀预混混合气，采用特殊的喷嘴，力求在燃烧室内形成一种油束贯穿距离小、喷雾范围大、油粒细而均匀的燃油喷雾。多层多孔喷油器，多喷孔喷油器布置在燃烧室的中心，其喷孔直径为0.08mm，孔数为2030个，喷油夹角分别为55、105和155，喷雾几乎充满了整个燃烧室空间，形成的混合气浓度分布非