柴油机混合气形成与燃烧

1、第五章 柴油机混合气的形成和燃烧 主要内容 第一节第一节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化 第二节第二节 燃烧与放热燃烧与放热 第三节第三节 混合气形成与燃烧室混合气形成与燃烧室 第四节第四节 燃烧过程的优化燃烧过程的优化 第一节第一节 燃油的喷射与雾燃油的喷射与雾化化 一、喷油系统一、喷油系统 1、作用及要求、作用及要求 作用：作用： 定时定量并按一定规律向柴油机各缸定时定量并按一定规律向柴油机各缸 供给高压燃油。供给高压燃油。 要求：要求： 1) 产生足够高的喷油压力；产生足够高的喷油压力； 2) 实现所要求的喷油规律；实现所要求的喷油规律； 3) 对于确定的运转状况，精确控制喷油对于确定

2、的运转状况，精确控制喷油 量；量； 4) 避免出现异常喷射现象。避免出现异常喷射现象。 2、喷油系统的工作原理、喷油系统的工作原理 图图5-1 柱塞式喷油泵燃油供给系柱塞式喷油泵燃油供给系 1喷油器喷油器 2燃油滤清器燃油滤清器 3直列柱塞式喷油泵直列柱塞式喷油泵 4喷油提前器喷油提前器 5输油泵输油泵 6调速器调速器 7油水分离器油水分离器 8油箱油箱 9高压油管高压油管 10回油管回油管 11低压油管低压油管 1. 柱塞式喷油泵供油系统柱塞式喷油泵供油系统 2. 分配式喷油泵供油系统分配式喷油泵供油系统 图图5-2 分配式喷油泵燃油供给系分配式喷油泵燃油供给系 l-油箱油箱 2-油水分离器

3、油水分离器 3-一级输油泵一级输油泵 4-二级输油泵二级输油泵 5-燃油滤清器燃油滤清器 6-调压调压 阀阀 7-分配式喷油泵传动轴分配式喷油泵传动轴 8-调速手柄调速手柄 9-分配式喷油泵体分配式喷油泵体 10-喷油器喷油器 11-回油管回油管12-分配式喷油泵分配式喷油泵 13-喷油提前器喷油提前器 14-调速器传动齿轮调速器传动齿轮 3、喷油泵、喷油泵 图图5-3 A型喷油泵型喷油泵 图图5-4分配式喷油泵分配式喷油泵 4、喷油器、喷油器 图图5-5 喷油器的头部结构喷油器的头部结构 (a) 单孔单孔 (b) 多孔多孔 (c) 标准轴针标准轴针 (d) 节流轴针节流轴针 图图5-6不同喷

4、油嘴的流通特性不同喷油嘴的流通特性 二、喷射与雾化二、喷射与雾化 1.喷射过程喷射过程: n定义：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。 燃油喷射特性指标主要包括：喷油特性 （规律）和喷雾特性 喷喷 射射 过过 程程 喷射延迟阶段喷射延迟阶段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。 图图5-7喷射过程喷射过程 a) 喷油泵端压

5、力喷油泵端压力 b) 喷油器端压力喷油器端压力 c) 针阀升程针阀升程 2.供油规律与供油规律与喷油规律：喷油规律： n供油速率供油速率：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； n喷油速率喷油速率：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； n供油规律供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间） 的变化关系。 n喷油规律喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间） 的变化关系。 差别： 始点差别822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。 图图5-8 供油规律和喷油规律供油规律和喷

6、油规律 n两者的差别主要原因：两者的差别主要原因： 燃油的可压缩性 压力波传播滞后 压力波动 高压容积变化 3.喷雾特性与雾化质量：喷雾特性与雾化质量： n燃油喷入燃烧时后被粉碎分散为细小微粒的过 程，称为燃油的喷雾或雾化燃油的喷雾或雾化。 n将燃油喷射雾化，可以大大增加增加其表面积，加加 速速混合气形成。 n当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m s) 便形成如园锥形状的喷注喷注，也称油束。油束。 油束的几何形状主要包括油束射程油束射程(又称 贯穿距离)和喷雾锥角喷雾锥角或油束的最大宽度。 图图5-9 油束的几何形状和参数油束的几何形状和参数 a 油束射程油束射程L 并不一定越大越

7、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。 b 喷雾锥角喷雾锥角 反映油束的紧密程度。 孔式喷嘴 油束松散，粒细。 轴针式喷嘴 油束紧密，粒粗。 c 雾化质量（雾化特性）雾化质量（雾化特性） 细微度 油滴平均直径 细：雾化好 均匀度 油滴最大直径 - 油滴平均直径匀：雾化好 粒细均匀度好，粒粗均匀度差。 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。 3.不正常喷射不正常喷射 ( (一一) )二次喷射二次喷射 二次喷射是主喷射结束针阀落座后，在过大的反 射波作用下，针阀再

8、次升起进行喷油的一种不正常 现象。二次喷射的出现特使整个喷射延续期拉长， 过后燃烧严重，柴油机经济性下降热负荷增加， 应当要力求消除二次喷射。 消除二次喷射消除二次喷射 (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 (二二)断续喷射断续喷射 (三三)不规则喷射和隔次喷射不规则喷射和隔次喷射 (四四)滴油滴油 在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有 少量柴油滴出，称为滴油滴油。 (五五) 穴蚀穴蚀 第二节第二节 燃烧与放热燃烧与放热 n燃烧过程的特点燃烧过程的特点 1 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。 2 压缩自燃。

9、压缩自燃。 n柴油机的柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：燃烧过程可分为四个阶段： 1 火落后期火落后期(又称为滞燃期又称为滞燃期)； 2 速燃期；速燃期； 3 缓燃期；缓燃期； 4 补燃期补燃期 。 （一）着火（一）着火落后期落后期 从柴油开始喷入燃烧室内从柴油开始喷入燃烧室内(A(A 点点) )起到着火开始点起到着火开始点(B(B点点) )为止为止 的这一段时期称为着火落后期。的这一段时期称为着火落后期。 随压缩过程的进行，缸随压缩过程的进行，缸 内空气压力和温度不断升高，内空气压力和温度不断升高， 在空燃比、压力、温度以及在空燃比、压力、温度以及 流速等条件合适处，多点同流速等条件合适处，多

10、点同 时着火，随着着火区域的扩时着火，随着着火区域的扩 展，缸内压力和温度升高，展，缸内压力和温度升高， 并脱离压缩线。并脱离压缩线。 着火落后期着火落后期 影响着火落后期长短影响着火落后期长短 的主要因素是燃烧室内的主要因素是燃烧室内 工质的状态：工质的状态： 喷油时缸内的温度和喷油时缸内的温度和 压力越高，则着火延迟压力越高，则着火延迟 期越短。期越短。 柴油的自燃性较好（十柴油的自燃性较好（十 六值较高），着火延迟六值较高），着火延迟 期较短。期较短。 其次因素是燃烧室的形其次因素是燃烧室的形 状和壁温等。状和壁温等。 图图5-14 温度与压力对着火落后期的影响温度与压力对着火落后期的影

11、响 （二）速燃期 速燃期速燃期: :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)。 特点：特点：形成多个火焰中心， 持续喷油，即随喷随燃。压 力急剧上升，压力达到最高 （有可能达到13MPa以上）。 速燃期速燃期 影响影响： 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经 济性和动力性会较好；济性和动力性会较好； 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，压力升高率过大，则柴油机工作粗暴， 燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击 负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。 压力升

12、高率应限制在一定的范围之内，压力升高率应限制在一定的范围之内， 柴油机的压力升高率一般应不大于柴油机的压力升高率一般应不大于0.40.5 MPa()曲轴。与汽油机相比，柴油机的曲轴。与汽油机相比，柴油机的压压 力升高率较大。力升高率较大。 控制压力升高率的措施控制压力升高率的措施 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 （三）（三） 缓燃期缓燃期 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。 当缓燃期开始时， 虽然气缸内已形成燃烧 产物，但仍有大量混合 气正在燃烧。 缓燃期 特点：特点： （1）喷油过程基

13、本结束，燃烧速率下 降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。 （2）压力开始下降（气缸容积不断增 大），温度达到最高。最高温度可达2000K 左右，一般在上止点后2035曲轴转角处 出现。 （四）（四） 补燃期补燃期 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。 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 补燃期内燃油的燃烧可称为后燃后燃，由于燃烧时 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。特别在高速、高负荷工况下， 因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短， 这种后燃现象

14、就更为严重。 在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，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，所放出的热量很难有效利用，还使排 气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济 性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧 的燃油量。 二、燃烧放热规律二、燃烧放热规律 （一）（一） 燃烧放热规律的定义燃烧放热规律的定义 l瞬时放热速率瞬时放热速率：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。 l累计放热百分比：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。 l燃烧放热

15、规律：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。 图5-15 88 燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内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。压力温度的变化进而影响到柴油机的性能。 图图5-15燃烧放热规律燃烧放热规律 n（二）理想的燃烧放热规（二）理想的燃烧放热规 律及其控制律及其控制 1. 放热始点放热始点 n 放热始点的位置能保证放热始点的位置能保证 该循环有最大指示热效率。该循环有最大指示热效率。 n柴油机通过喷油提前角的柴油机通过喷油提前角的 变化以及着火落后期长短变化以及着火落后期长短 来加以调控。来加以调控。 图图5-16 喷

16、油提前角的调节特性喷油提前角的调节特性 2. 放热持续期放热持续期 放热持续期首先取决于喷油持续角的大小。其次，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取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程 度。度。 3. 放热规律曲线形状放热规律曲线形状 n直喷式燃烧室柴油机的瞬时直喷式燃烧室柴油机的瞬时 放热速率和累积放热百分比放热速率和累积放热百分比 在燃烧的起始阶段上升最快，在燃烧的起始阶段上升最快， 放热速率很快就达到最大值。放热速率很快就达到最大值。 n高速的直喷式燃烧室柴油机高速的直喷式燃烧室柴油机 的放热速率往往呈现双峰的的放热速率往往呈现双

17、峰的 特点。特点。 n在燃烧的起始阶段，非直喷在燃烧的起始阶段，非直喷 式式燃烧室柴油机的放热速式式燃烧室柴油机的放热速 率和累积放热百分比都上升率和累积放热百分比都上升 得比较慢，放热速率的最大得比较慢，放热速率的最大 值也较低。值也较低。 图图5-18不同类型柴油机的燃烧放热规律比较不同类型柴油机的燃烧放热规律比较 1汽油机汽油机 2直喷式燃烧室柴油机直喷式燃烧室柴油机 3涡流室燃烧室柴油机涡流室燃烧室柴油机 4预燃室燃烧室柴油机预燃室燃烧室柴油机 第三节第三节 混合气形成与燃烧室混合气形成与燃烧室 一、柴油机混合气形成的特点一、柴油机混合气形成的特点和方式：方式： 1. 混合气形成特点混

18、合气形成特点 （1）混合气不均匀混合气不均匀。 （2）过量空气系数较大过量空气系数较大。 （3）混合过程与着火过程和燃烧过程共存。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混合气形成基本方式 1、空间雾化混合空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空间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。 la) 静止空气静止空气 时时 空间雾化混合空间雾化混合 lb) 空气作旋转运动空气作旋转运动 空间雾化混合空间雾化混合 图图5-19 直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式 a) 静止空气静止空气 b) 空气作旋转运动空气

19、作旋转运动 2、 壁面油膜蒸发混合壁面油膜蒸发混合 燃油沿壁面顺气流喷射，在强燃油沿壁面顺气流喷射，在强 烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上 形成一层很薄的油膜。形成一层很薄的油膜。 着火前，燃烧室壁温较低下，着火前，燃烧室壁温较低下， 油膜底层保持液态，表层油膜开始油膜底层保持液态，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，形成少量可燃在空间的少量蒸发，形成少量可燃 混合气。混合气。 着火后，随燃烧的进行，油膜着火后，随燃烧的进行，油膜 受热逐层加速蒸发，使混合气形成受热逐层加速蒸发，使混合气形成 速度和燃烧速度加

20、速。速度和燃烧速度加速。 图图5-20 油膜蒸发混合方式油膜蒸发混合方式 二、缸内气流运动二、缸内气流运动 内燃机缸内 气体运动方式 进气涡流进气涡流 在进气过程中形成的在进气过程中形成的 绕气缸轴线旋转的有组织的绕气缸轴线旋转的有组织的 气流运动，称为进气涡流。气流运动，称为进气涡流。 n产生进气涡流运动的方法有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 导气屏导气屏 设置在进气门上，设置在进气门上， 导引进气流以不同角导引进气流以不同角 度流入气缸在气缸避度流入气缸在气缸避 免的约束配合下产生免的约束

21、配合下产生 涡流。涡流。 切向进气道切向进气道 螺旋进气道螺旋进气道 图图5-21切向气道、螺旋气道的原理切向气道、螺旋气道的原理 a) 切向气道切向气道 b) 纯螺旋气道纯螺旋气道 组合进气系统组合进气系统 在在2个进气门的发动机上，采用不同类型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。流和流速分布。 压缩涡流压缩涡流 在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡 流室时，形成强烈的压缩涡流。流室时，形成强烈的压缩涡流。 2. 挤流挤流 n当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞

22、顶部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，由此产生挤压涡流的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流挤流)。 n当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活塞顶当活塞下行时，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。动也称为逆挤流。 图图5-23挤流的形成挤流的形成 a)无进气涡流或涡流不强时的挤流无进气涡流或涡流不强时的挤流 b)进气涡流强时的挤流进气涡流强时的挤流 c)逆挤流逆挤流 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。 滚流滚流 在进气

23、过程中形成的，绕垂直于气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，缸轴线的有组织的空气旋流，也称为纵涡。也称为纵涡。 三、柴油机燃烧室三、柴油机燃烧室 直接喷射式燃烧室直接喷射式燃烧室 非直喷式燃烧室（分开式燃烧室）非直喷式燃烧室（分开式燃烧室） 1、直接喷射式燃烧室直接喷射式燃烧室： 1） 浅盆形燃烧室浅盆形燃烧室 2） 形燃烧室形燃烧室 3） 挤流口式燃烧室挤流口式燃烧室 4） 球形燃烧室球形燃烧室 图图5-24各种直喷式燃烧室形式各种直喷式燃烧室形式 a) 浅盆形浅盆形 b) 形形 c) 挤流口形挤流口形 d) 球形球形 图图5-26 非回转体燃烧室非回转体燃烧室 a)

24、四角形四角形 b) 微涡流微涡流MTCC c) Quardram d) 花瓣形花瓣形 5）非回转体燃烧室）非回转体燃烧室 、非直喷式燃烧室、非直喷式燃烧室 1）涡流室燃烧室）涡流室燃烧室 图图5-30 涡流室的形状涡流室的形状 a)球形球形 b)圆锥形平底圆锥形平底 c) 圆柱形平底圆柱形平底 其结构特点是除了位于活塞顶部的主燃烧室外，还其结构特点是除了位于活塞顶部的主燃烧室外，还 有位于缸盖的副燃烧室，两者之间有通道相连。燃有位于缸盖的副燃烧室，两者之间有通道相连。燃 油喷入副燃烧室，又称为非直喷式燃烧室油喷入副燃烧室，又称为非直喷式燃烧室 ）预燃室燃烧室预燃室燃烧室 图图5-31预燃室燃烧

25、室预燃室燃烧室 a) 倾斜偏置，单孔道；倾斜偏置，单孔道； b)中央正置，多孔道；中央正置，多孔道； c)侧面正置，单孔道侧面正置，单孔道 第四节第四节 燃烧过程的优化燃烧过程的优化 一、燃烧过程优化的基本原则一、燃烧过程优化的基本原则 目标：燃烧更完善、更柔和、损失小、排出更清洁。目标：燃烧更完善、更柔和、损失小、排出更清洁。 原则：原则： 1. 油油气气燃烧室的最佳配合；燃烧室的最佳配合； 2. 控制着火落后期内的混合气生成量；控制着火落后期内的混合气生成量； 3. 合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动合理组织燃烧室内的涡流和湍流运动 ； 4. 紧凑的燃烧室形状；紧凑的燃烧室形状； 5. 加强

26、燃烧期间和燃烧后期的扰流；加强燃烧期间和燃烧后期的扰流； 6. 优化运转参数。优化运转参数。 优化供油提前角、空燃比（供油量）、压缩比、配优化供油提前角、空燃比（供油量）、压缩比、配 气相位、进气涡流强度、增压比、废气再循环等等。气相位、进气涡流强度、增压比、废气再循环等等。 二、燃油喷射过程的优化二、燃油喷射过程的优化 理想的燃烧：理想的燃烧： 在初期，应控在初期，应控 制燃烧速率，制燃烧速率， 尽可能降低预尽可能降低预 混合燃烧阶段混合燃烧阶段 的放热率峰值；的放热率峰值； 在中期，要保持快速和有效燃烧，以便提高在中期，要保持快速和有效燃烧，以便提高 动力性和经济性；动力性和经济性； 在后

27、期，要尽可能缩短扩散燃烧。在后期，要尽可能缩短扩散燃烧。 图图5-32 柴油机燃烧方案理想图柴油机燃烧方案理想图 对喷油规律的基本要求：对喷油规律的基本要求： 一是喷射开始时段的喷油率不能太高；在一是喷射开始时段的喷油率不能太高；在 燃烧开始后，应有较高的喷油率以期缩短喷油燃烧开始后，应有较高的喷油率以期缩短喷油 持续期，加快燃烧速率。持续期，加快燃烧速率。 二是尽可能减少喷二是尽可能减少喷 油系统中的燃油压油系统中的燃油压 力波动，以防止不力波动，以防止不 正常喷射现象。正常喷射现象。 图图5-33 合理的喷油规律合理的喷油规律 采用双弹簧喷油器；采用双弹簧喷油器； 图图5-35 双弹簧喷油器结构双弹簧喷油器结构 n具体措施：具体措施： 改变凸轮型线；改变凸轮型线； 提高喷油压力