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 ， 工作粗ppmax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

2、蒸发，边混合，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 ， 工作柔和，噪声小，经济性ppmax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: 个，d = 40 m，S = mm299107.15106.

3、 2 面积增大 5090 倍，燃烧反应机会大大增加。（二） 喷雾的形成1 油束 燃油喷射 高压、高速。 一级雾化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

4、） 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

5、轴转角。 喷油延迟角 开始喷油 停止喷油的曲轴转角。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，但工作粗暴。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。 孔数: 15 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。 = 13 mm，通道间隙 = 0.0250.05 m

6、m。 雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。三 气流运动对混合气形成的影响（一） 气流运动的作用（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。 挤气间隙 挤气涡流强度 挤气面积 挤气涡

7、流强度 挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，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

8、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。 若 质点密度， 空气密度。 当 = 时， 质点作圆周运动。 当 时， 离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。 当 400 ，向外运动。 燃烧产物: 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 应用: 黄河 JN150，6120

9、Q-1 型柴油机等。2 混合气形成方式: 油膜蒸发 （ M 过程 ）3 主要结构参数 ， 对球型燃烧室的影响可参阅 型燃烧室。dDkVVkc4 主要特点（1） 螺旋进气道，进气涡流强。（2） 采用单孔喷嘴 = 0.50.7 mm，或双孔喷嘴 = 0.30.4 mm。 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，200350。（4） 值较小， = 1.1 左右，空气利用率。（5） ，工作柔和、平稳，噪声小。经济性、动力性ppmax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。 D g 油膜厚度

10、 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 空间分布燃料多 改善了冷起动性和低速性。 高速时，气流强 壁面分布燃料多 ，工作ppmax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。对进气道、挤气间隙敏感。S0三 分隔式燃烧室 主要用于高速柴油机

11、。 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 5080 %涡流室容积燃烧室容积VVkc 13.5 %通道截面积活塞顶面积 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 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 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

12、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，壁面附近的浓混合气首先从涡流室中喷出。 在活塞顶部开有浅的导流槽，形成强烈的燃烧涡流，即二次涡 流，加速混合气的形成与燃烧。5 主要特点（1） 采用轴针式喷嘴 = 1 mm，针阀开启压力 9.812 Mpa 。（2） 涡流强 空气利用率 （ = 1.11.3 ）。（3） n 涡流强度 高速性（4） 压缩涡流、燃烧涡流使后期放热大 工作柔和、平稳，噪声小。（5） 相对散热面积，节流损失

13、经济性，冷起动性。（二） 预燃室型1 应用: 195-2 型柴油机等。2 主要结构参数 2040 %涡流室容积燃烧室容积VVkc 0.250.7 %通道截面积活塞顶面积 通道个数多，截面积小，产生压缩紊流。喷油器安装在预流室中，燃油逆进入预流室的气流方向喷射。3 工作原理 压缩过程 活塞压迫空气经过通道流入预燃室，在预燃室中形成强烈的压缩 紊流，转速越高，紊流越强。 燃烧过程 压缩紊流将一部分小颗粒的燃油吹向预燃室上部，并在那里首先 着火。混合气着火后，预燃室中的压力、温度迅速升高。下部已 预热的燃油、空气、混合气和火焰一起经过通道高速喷向主燃烧 室。 在主燃烧室中形成强烈的燃烧紊流，加速燃油的雾化和混合气的