第五章 柴油机混合气的形成和燃烧

1、第四章 柴油机混合气的形成和燃烧汽油机与柴油机相比主要有如下特点: 汽油机 柴油机1. 点燃式。 压燃式。2.影响小。 影响大。ii3.进入气缸的是混合气，混合时间长。 进入气缸的是新鲜空气，混合时间短。4. 高，热负荷大。 高，机械负荷大。maxTpmax5. 压缩比低， = 610。 压缩比高， = 1222。6. 有爆燃问题。 有工作粗暴问题。7. 组织气流运动的目的是为了 组织气流运动的目的是为了 加速火焰传播，防止爆燃。 促进燃油与空气更好地混合。4-1 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、燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（一） 燃烧过程的特点1

2、高压喷油在气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。二、燃烧过程 p 示功图曲线下的面积表示有用功的大小。（一） 着火延迟期 或称滞燃期 12i （着火延迟角）i1 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 ） ，但并不马上着火。 燃烧需要: 物理准备 雾化、吸热、蒸发、扩散、混合化学准备 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: = 0.00070.003 s；对应的曲轴转角称为着火延迟角。ii 尽管着火延迟期很短，但却对燃

3、烧过程、尤其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分i重要。（二） 速燃期 23 2 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 最高压力点。max3pp 为表示 23 阶段压力升高的急骤程度，引入概念 压力升高率: kpa/degCA 2323ppp ， 冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命pmaxp ， 做功不利，柴油机性能。pmaxp（三） 缓燃期 344 最高温度点。 17002000 。放热量达 7080%。max4TT 喷油在这一阶段停止。 V，p，接近等压燃烧。废气量，氧气、燃油量 燃烧。（四）补燃期 455 放热量达 9597%。 补燃期在膨胀过程中。 补燃期 ，动

4、力性，冷却水温度，排气温度，排放差。teg 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 影响着火延迟期的因素i（一） 压缩温度和压力 直接影响因素cTcp ， cpcTi ln ii（二） 压缩比 ， cpcTi（三） 喷油提前角 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 ， pcTci ， pcTci 所以，有一个使为最小的。i 高速时: 1015 degCA imin 低速时: 510 degCA imin 一 般: = 510 degCA （四） 转速 n n 漏气、散热损失 ，；cpcT 喷油压力 雾化；气流运动 蒸发 混合气形成好

5、转 。i 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 。i（六） 增压 增压 ， cpcTi四 着火延迟期对柴油机性能的影响i 期间喷入缸内的燃料量 着火前可燃混合气量 ii ，。pmaxp ， 冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。ipmaxp 混合气形成欠佳 柴油机性能。i4-2 柴油机混合气的形成和燃烧室柴油机混合气的形成和燃烧室一、 柴油机混合气形成 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

6、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 ， 工作粗暴。pmaxp（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，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，pmaxp经济性较好。3. 但低

7、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、二、 柴油机的燃烧室柴油机的燃烧室燃烧室的分类（一）（一） 直喷式直喷式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、高速车用柴油机（1） 型（2） 球型（3） 复合式 （ U 型 ）（二） 分隔式1. 涡流室型 小型高速车用柴油机。2. 预燃室型 小、中、大型，中、高速车用柴油机。直喷半开式燃烧室（一）（一） 型型1. 应用: 黄河 JN151，6135Q 柴油机；日野 ED100，6128 柴油机等。2. 混合气

8、形成方式: 空间雾化。3. 主要结构参数（1） 0.40.6Ddk 其中 燃烧室喉口直径；D 气缸直径。kd ，油束射程 燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率。Ddk ，油束射程，气流运动 燃油喷在燃烧室壁面上，雾化差。Ddk（2） 0.750.85ckVV 其中 燃烧室容积； 活塞位于上止点时的压缩容积。kVcV 空气利用率，散热面积 燃烧好。ckVV 所以，希望尽可能大。ckVV4 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） 工作粗暴。i（3） 1.3， 大 空气利用率 空气停留时间

9、xNO（4） 结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好。（二）（二） 的改进型的改进型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）（三） 球型球型1. 应用: 黄河 JN150，6120Q-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。DdkckVV4. 主要特点（1） 螺旋进气道，进气涡流强。（2） 采用单孔喷嘴 = 0

10、.50.7 mm，或双孔喷嘴 = 0.30.4 mm。 喷嘴与气缸盖平面成 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、动力性较好。pmaxp（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 蒸发不完全，燃烧恶化。（四）复合式（四）复合式 （ U U 型型 ） 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

11、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 ，工作柔和、平稳，噪声小。pmaxp 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（二）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，副燃烧室位于气缸盖内，中间用通道连接。（一）（一） 涡流室型涡流室型1. 应用: BJ130，495Q 型柴油机等。2. 混合

12、气形成方式: 热混合3. 主要结构参数 5080 %ckVV燃烧室容积涡流室容积 13.5 %活塞顶面积通道截面积 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

13、、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 经济性，冷起动性。（二）（二） 预燃室型预燃室型1 应用: 195-2 型柴油机等。2 主要结构参数 2040 %ckVV燃烧室容积涡流室容积 0.250.7 %活塞顶面积

14、通道截面积 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形成与燃烧。 低速时经通道进入预燃室的气流不足以将燃油吹起，一部分燃油穿透气流喷向主燃烧室，使主燃烧室中初期燃烧的油量增多，压力升高率增大，工作粗暴，

15、噪声增大。 4 主要特点（1） 采用轴针式喷嘴，针阀开启压力 7.812.8 Mpa 。（2） 紊流强 混合气形成改善 。（3） 节流作用大 高速时，工作更加柔和、平稳，噪声更小。（4） 低速性时易工作粗暴，噪声大。（5） 相对散热面积，节流损失 经济性。4-3 影响燃烧过程的因素影响燃烧过程的因素一、柴油的性能一、柴油的性能1.1.柴油的自燃性柴油的自燃性柴油的自燃性用十六烷值评定。 着火性 ，易于起动，工作柔和。十六烷值 馏分较重，蒸发性 ，粘度 ，碳烟 ，经济性下降。 国产柴油十六烷值：40502.2.柴油的蒸发性柴油的蒸发性柴油的蒸发性用馏程表示。 馏程低，说明这种燃油轻馏分多，蒸发性

16、好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。50%的馏出温度、90%和 95%馏出温度表示。二、使用方面的因素二、使用方面的因素1.1.负荷负荷柴油机的负荷调节方法是“质调节” ，即空气量基本上不随负荷变化，而只调节循环供油量。负荷增大，循环供油量也增大，过量空气系数减小，单位容积内混合气燃烧放出的热量增加，使缸内温度上升，缩短着火延迟期，从而降低了柴油机的工作粗暴。负荷对着火延迟期的影响，如图 4-24 所示。图 4-24 负荷对着火延迟期的影响在中、小负荷工况下，燃烧热效率的变化一般不大，但随负荷增大，循环供油量加大，使喷油持续角增加，燃烧过程延长，并且过量空气系数减小，不完全燃烧现象增加，使燃

17、烧热效率下降。负荷过大，过量空气系数过小，因空气不足，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性进一步下降。当柴油机冷起动及怠速运转时，缸内温度低，润滑油粘度大，柴油机摩擦损失较大，尽管无负荷，但循环供油量却不能太小；而且因缸内温度低，着火延迟时间增长，致使压力升高率大，产生强烈噪音，通常称为“惰转噪音” 。 “惰转噪音”是在怠速或低速小负荷运转条件下产生的特殊现象，随着负荷加大，柴油机热状态正常后， “惰转噪音”会自行消失。2.2.转速转速转速升高时，由于散热损失和活塞环的漏气损失减小，使压缩终点的温度和压力增高；转速升高也会使喷油压力提高，改善燃油的雾化，这些都使得以秒为单位的着火落后期缩短，而以

18、曲轴转角为单位的着火延迟期则有可能缩短，也可能延长，如图转速对着火延迟期影响，如图 4-25 所示。图 4-25 转速对着火延迟期影响虚线-直喷式燃烧室 实线-涡流室燃烧室一般来说，转速过高或过低时，都会使燃烧热效率降低。转速过高时，燃烧所占的曲轴转角加大，充气效率下降，热效率下降；转速过低时，空气涡流减弱，喷油压力下降，使混合气质量变差，热效率也会下降。3.3.供油提前角供油提前角供油提前角过大，喷油时气缸内温度、压力较低，着火落后期较长，压力升高率和最大燃烧压力增大，导致柴油机工作粗暴，的排放量也会由于燃烧温度的升高而增加。过早燃烧XNO还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性。供油提前角过小，燃油不能在上止点附近及时燃烧，微粒的排放也会增加，排气温度升高，散热损失增加，对柴油机的经济性和动力性也不利。对于每一种工况，均有一个最佳的供油提前角，此时在负荷及转速不变的前提下，功率最高有效燃油消耗率最低。但为了兼顾降低的排放量和燃烧 图 4-26 喷油提前角的XNO影响噪声的需要，一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角。如图 4-26 所示为一直喷式柴油机在不变的中等转速和中等负荷下，喷油提前角的变化所产生