发动机原理——第三章柴油机混合气形成和燃烧

1、第三章柴油机混合气形成和燃烧§ 3-1柴油机混合气形成一两种基本形式（一）空间雾化将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。特点：1对燃料喷雾要求高 （采用多孔喷嘴）燃烧易于完全，经济性好。2对空气运动要求不高后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。3但初期空间分布燃料多，燃烧迅速P ，pmax 工作粗暴。（二）油膜蒸发 （M过程）空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上， 只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，

2、边燃烧。初 期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。特点:1对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高2放热先缓后急 ，pmax工作柔和，噪声小，经济性 较好。3但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格二燃料的喷雾（一）喷雾的作用只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。接触面积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。1 ml 油滴：1 个，d = 9.7 mm， S = 245 mm2雾化：2.99 107个，d = 40 m，S = 15 106mm2面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加。（二

3、）喷雾的形成1油束燃油喷射高压、高速。一级雾化一汽缸中空气的动力作用将油束撕 裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。二级雾化-空气动力作用将片、带、泡或大 颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中， 颗粒大。边上油滴松散，颗粒小。但也有说法正 好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。2着火条件浓度、温度为着火的必要条件中间油粒大，浓度偏高。外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不 高，化学准备没有跟上。等温度适合于着火了，油粒 又过分发散，也不会着火。要控制好浓度与温度的进 程，使之正好配合，方可着火。（三）喷雾特性1 油束射程 L并不一定越大越好，这要根据混合气形成的

4、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 。2 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。3 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。（四）喷油规律 单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化 规律。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。1 喷油延迟角喷油提前角 开始喷油 上止点的曲轴转角。'上止点 停止喷油的曲轴转角。喷油延迟角 ' 开始喷油 停止喷油的

5、曲轴转角。2 喷油延迟角对性能的影响' 喷油持续时间长 , 工作柔和，但油耗增大 , 排放变 差。喷油持续时间短，油耗下降，排放好，但工作粗3喷油延迟角的比较a. '油耗，排放好，但工作粗暴。b. 先急后缓工作粗暴。' 油耗，排放差。c. 先缓后急工作柔和。' 油耗，排放好，尽量采用，但很难做到。（五）喷油嘴1孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孑L数：1 5 个， =0.250.8 mm。雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞2轴针式喷嘴主要用于分隔式燃烧室中。=1 3 mm,通道间隙二 0.0250.05 mm。雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。三 气流

6、运动对混合气形成的影响（一）气流运动的作用无气流运动、油束紧密。有气流运动，油束松散。（二）气流运动组织气流运动，加速混合气形成。1进气涡流使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。（1）切向气道特点：气道母线与汽缸相切。优点：结构简单，气流阻力小V缺点：涡流强度对进气口位置敏感。（2）螺旋气道特点：进气道呈螺旋型。优点：能产生强烈的进气涡流。缺点：工艺要求高，制造、调试难度较高2挤气涡流活塞上行：将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。 活塞下行：燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。 *一1挤气涡流挤气间隙挤气涡流强度挤气面积挤气涡流强度此时进气涡流已经挤气涡流虽然不如进气

7、涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了, 衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。3燃烧涡流燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的 副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高 速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导 向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。（三）热混合作用1刚性涡流涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。2势涡流涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。 一般认为涡流为势涡流。3热混合作用 （主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生）涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动

8、。若一质点密度， 一空气密度。当二时，一质点作圆周运动。当 > 时，一离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。当 < 时，一压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。液体油、燃油蒸汽：> 400，向外运动。燃烧产物：< 0.3，向中心运动。燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开， 火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。§ 3-2柴油机的燃烧过程一燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（一）燃烧过程的特点1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气2压缩自燃。（二）柴油机燃烧的主要研究方向1喷油雾化2喷油规律3气流运动4燃烧室结构配合要好。燃烧过程p -

9、 示功图曲线下的面积表示有用功的大小。（一）着火延迟期i或称滞燃期1-2（着火延迟角j）1 喷油嘴针阀打开向缸高压喷油。此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度（可达400800 C），但并不马上着火。燃烧需要：物理准备一雾化、吸热、蒸发、扩散、混合化学准备 一分解、氧化 （焰前反应）2 缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。一般：i = 0.00070.003 s;对应的曲轴转角称为着火延迟角尽管着火延迟期 j很短，但却对燃烧过程、尤其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此 十分重要。（二）速燃期2-32点开始着火，压力急骤增高，接近等容燃烧。持续喷油，即随喷随燃。3最咼压力点。P3 Pmax 0做功不

10、利，柴油机性能为表示2-3阶段压力升高的急骤程度，引入概念压力升咼率：pP3P2kpa/degCA 32P，Pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命，Pmax（三）缓燃期3-417002000 C。放热量达 704 最高温度点。匚 Tmax喷油在这一阶段停止。燃烧V , p，接近等压燃烧。废气量，氧气、燃油量（四）补燃期4 55 放热量达9597%。补燃期在膨胀过程中。补燃期t , ge，动力性，冷却水温度，排气温度排放差。所以，应尽量减少补燃。柴油机由于随喷随燃，混合时间短，补燃要比汽油机严重。三影响着火延迟期j的因素（一）压缩温度Tc和压力pc 直接影响因 素Pc， Tci（二）压缩比pc

11、， Tci（三） 喷油提前角一影响最大的因素虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧pc ， TciPc， Tci所以，有一个使 i为最小的。高速时：i min 1015 degCA 低速时：imin 5 10 degCA 般：二 5 10 degCA （四）转速nn漏气、散热损失Pc,Tc ;喷油压力 雾化；气流运动 蒸发 混合气形成好转j。但n着火延迟角i（五）十六烷值十六烷值 柴油的自然性缸内p，T大时，影响不大；缸内p，T小时 j。（六）增压增压Pc，Tcj着火前可燃混合气量四 着火延迟期i对柴油机性能的影响 jj期间喷入缸内的燃料量Pmax，Pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命

12、。:混合气形成欠佳柴油机性能五放热规律燃烧放热率 Q/ 随曲轴转角变化的关系由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得（一）放热规律阶段一在速燃期内，约占3 degCA。 Q/阶段一放热量约80%，约占40 degCA。 Q/阶段一在膨胀过程内，放热量约20%。（二）燃烧过程三要素1放热开始时刻2放热规律3放热持续时间（三）希望一先缓后急工作柔和，经济性、动力性好,§ 3-3柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响 一燃油喷射（一） 供油系统的组成油箱 输油泵 滤油器低压油管喷油泵 高压油管 喷油器（喷油嘴）（二） 喷油过程普遍采用柱塞式喷油泵。柱塞上行，使喷油泵内压力升高，当压力

13、升高 到一定值时，克服喷油泵上方出油阀弹簧预紧力和 高压油管内的残余油压，顶开出油阀，通过高压油 管向喷油器供油。上行2点过了 4点之后，打开回油口，使泵内 油压下降。当泵内油压小于出油阀弹簧预紧力和高 压油管内的残余油压力时，出油阀落座，喷油停止。下行2点过了 4点之后，回油停止，重新进油。（三）喷油延迟时间从喷油泵内燃油顶开出油阀进入高压油管至油压压开喷油嘴针阀的时间原因一高压油管中燃油压缩+节流作用dgdtp（四）几何供油规律/从几何关系求出的油泵凸轮每转 度（或/供油每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量/.ml/degPA或ml/s 随曲轴转角（或时间t）<p的变化关系dgp丄 fp

14、Wp ml/s d td gp f pwp ml/degPA 其中fp 柱塞面积mm2 ；wp 柱塞速度ml/degPA 几何供油规律与喷油规律不同喷油泵速度特性及其校正（一）节流作用1理论上（不存在节流）上行一当3点与5点重合时，才开始供油。当2点与4点重合时，既开始回油，停止供油。2实际上（存在节流）上行一当3点不到5点时，由于通道小，节流，已经开始供油。 关闭进油口时一供油提前。当2点过了 4点以后，通道小，节流，才开始回油，停止供油。 开启回油口时一供油持续。所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。（二）喷油泵速度特性每循环供油量随转速n的变化关 系。n节流作用循环供油时间循环供油量

15、 g（三）车用的适应性Me车用一希望n g（例如：低速大负荷工况）g Me喷油泵速度特性一n因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正。（四）校正1出油阀校正可变减压容积和可变减压作用。n节流作用Me可使循环供油量曲线变得较平坦，但若要适合于车用，还需进行调速器校正。2调速器校正n g Me在第六章发动机特性中介绍。三不正常喷射现象（一）二次喷射高压油管内压力波引起。喷射时间雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污 ，炭烟，零件过热。（二）断续喷射进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。（三）隔次喷射低速、尤其是怠速时，油压不足，压不开针阀。下一循环时

16、油压聚足，压开针阀喷射。§ 3-4柴油机的燃烧室-燃烧室的分类(一)直喷式1开式中、大型，中、低速船舶、发电用柴油机不组织进气涡流，空间雾化型混合气蒸发方式。2半开式中、小型，中、咼速车用柴油机(1)型(2)球型(3)复合式（U型）(二)分隔式1涡流室型一小型高速车用柴油机2预燃室型 一小、中、大型，中、高速车用柴油机二直喷半开式燃烧室（一） 型1应用：黄河JN151, 6135Q柴油机；日野ED100, 6128柴油机等。2混合气形成方式：空间雾化。3主要结构参数(1) 虫D0.4 0.6其中dk 燃烧室喉口直径；D 汽缸直径dk油束射程燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率dkD,油

17、束射程,气流运动燃油喷在燃烧室壁面上,雾化差(2) Vk 0.75 0.85Vc其中Vk 燃烧室容积；Vc 活塞位于上止点时的压缩容积VkVc空气利用率，散热面积燃烧好所以，希望Vk尽可能大。Vc4主要特点(1) 长型多孔 (35个) 喷嘴，孔径d = 0.250.4 mm 针阀开启压力19.6 Mpa ，喷雾夹角140160。(2) i工作粗暴。(3) > 1.3, 大 空气利用率空气停留时间NOx(4) 结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好。(二)的改进型1四角型日本五十铃公司研制。主要特点：(1) 四孔喷油嘴，燃油在四角之前喷射。(2) 油束沿气流方向下游燃料分布多,上游燃料分

18、布少，使整个燃烧室内雾化均匀2挤流口型英国泼金斯公司研制。主要特点：挤气面积挤流强度(三) 球型.1 . . . _7'S1应用：黄河JN150, 6120Q-1型柴油机等。!L-2混合气形成方式：油膜蒸发(M过程)3主要结构参数dk，Vl对球型燃烧室的影响可参阅型燃烧室。D Vc4主要特点(1) 螺旋进气道，进气涡流强。(2) 采用单孔喷嘴二0.50.7 mm,或双孔喷嘴二0.30.4mm。喷嘴与汽缸盖平面成70夹角，沿顺气流方向喷射。(3) 由于油膜的隔热作用，缸壁温度合适，200350C。(4) 值较小，二1.1左右，空气利用率。(5) P , pmax，工作柔和、平稳，噪声小。

19、经济性、动力性 较好。(6) 冷起动性和低速性差，排污严重。(7) 限制缸径D不可太大，一般在140 mm之内。Dg油膜厚度蒸发不完全，燃烧恶化（四）复合式 （U型）天津大学史绍熙研制。1应用：新105系列，延安6130柴油机等。2混合气形成方式：空间雾化+油膜蒸发3主要结构参数：参阅 型燃烧室。4主要特点（1） 喷油基本垂直于气流方向（顺7 ）雾化好。（2）采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。（3） 低速时，气流弱一空间分布燃料多改善了冷起动性和低 速性。高速时，气流强一壁面分布燃料多，Pmax，工作柔和、平稳，噪声小。气流运动起重要作用。（4）高速性能较差，对增压适应性差。（5）喉口热负荷高。对

20、进气道、挤气间隙 S0敏感。三分隔式燃烧室主要用于高速柴油机结构特点：整个燃烧室分隔成两个空间， 主燃烧室设于活塞顶部，副燃烧室 位于汽缸盖内，中间用通道连接。(一) 涡流室型1应用：BJ130, 495Q型柴油机等。2混合气形成方式：热混合3主要结构参数涡流室容积Vk 燃烧室容积Vc50 80 %通道截面积 活塞顶面积1 3.5 %通道与涡流室相切，产生压缩涡流。喷油器安装在涡流室中，顺气流方向喷射。4工作原理压缩过程一活塞压迫空气经过通道流入涡流室，在涡流室中形成强烈的、有组织的压缩涡流，涡流流速随转速的提高而增高。燃烧过程一涡流室中喷油后，由于离心力作用，燃油被带到燃烧室外围，部分燃油附着在壁面上，在通道口附近首先着火。在强烈的涡流作用下，燃烧产物 (密度小于空气)被卷向涡流室中央，将新 鲜空气挤向涡流室外围，形成良好的热混合。涡流室中混合气着 火后，涡流室中的压力、温度迅速升高，燃油、空气、混合气和 火焰一起经过通道高速喷向主燃烧室，