柴油机的燃烧主讲

1、第六章第六章 柴油机混合气形成与燃烧柴油机混合气形成与燃烧本章要求：本章要求：了解：了解：柴油机有害排放物的生成机理与噪声，柴油机燃烧室的柴油机有害排放物的生成机理与噪声，柴油机燃烧室的分类，特点和对燃烧的影响。分类，特点和对燃烧的影响。理解：理解：影响燃烧的因素和措施。影响燃烧的因素和措施。掌握：掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油机的喷射柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油机的喷射与雾化。与雾化。Zhujiebin 柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同： 1 1、混合气形成的方法：、混合气形成的方法： 汽油机：缸外喷射（大部分），较均匀一致。

2、汽油机：缸外喷射（大部分），较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气柴油机：缸内形成混合气, ,燃烧时混合气不均匀。燃烧时混合气不均匀。 2 2、着火和燃烧的方式：、着火和燃烧的方式： 汽油机：点燃式，着火后靠汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧火焰传播燃烧，着火时机、，着火时机、地点均能控制。地点均能控制。 柴油机：压燃式柴油机：压燃式, ,油滴扩散燃烧油滴扩散燃烧, ,着火时机、地点不能控着火时机、地点不能控制。制。 3 3、保证及时、完全燃烧的方法：、保证及时、完全燃烧的方法： 汽油机：提高火焰传播速度。汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。柴油机：保证及时形成较均

3、匀的混合气。第一节第一节 混合气形成与燃烧过程混合气形成与燃烧过程 柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时, ,借助借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室, ,以以便与空气形成可燃混合气。便与空气形成可燃混合气。油滴的着火要满足两个条件：油滴的着火要满足两个条件：（1 1）混合气的温度要高于着火临界温度。）混合气的温度要高于着火临界温度。（2 2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。着火界限之内。 一、燃烧方式一、燃烧方式-油滴扩散燃烧油滴扩散燃烧图图6-1 6-

4、1 单个油滴的着火区域单个油滴的着火区域T Tc c- -热空气温热空气温度度；T Tw w- -油滴周围油滴周围混合气温混合气温度度；C Cu u- -油滴周围油滴周围混合气浓混合气浓度度；W-W-化学反应化学反应速度速度。二、燃烧过程二、燃烧过程- -滞燃期滞燃期 - -速燃期速燃期 - -缓燃期缓燃期 - -后燃期后燃期1)1)喷油始点喷油始点 2)2)缸内压力线偏离纯压缩线始点缸内压力线偏离纯压缩线始点3)3)最高压力点最高压力点 4)4)最高温度点最高温度点、滞燃期（、滞燃期（1-21-2） 在压缩终点在压缩终点,Tc=450-800,Tc=450-800,大于柴油的自燃温大于柴油的

5、自燃温度（度（330-350330-350）, ,但但不会立即着火不会立即着火, ,进行着火前进行着火前的准备。的准备。 物理准备物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。 化学准备化学准备：裂化，着火前的氧化反应。：裂化，着火前的氧化反应。 一般着火延迟时间一般着火延迟时间i i0.0007-0.003s0.0007-0.003s 从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。( (图图6-2)6-2)、速燃期（、速燃期（2-32-3） （图（图6-26-2） 着火后，

6、着火后，在滞燃期内形成的混合气此时同时在滞燃期内形成的混合气此时同时燃烧燃烧，活塞在上止点附近，接近于，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧等容燃烧，平，平均压力升高很快，放热率大。均压力升高很快，放热率大。 柴油机柴油机P/P/一般一般0.40.6MPa/0.40.6MPa/A 同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。喷油常在速燃期结束。、缓燃期（、缓燃期（3-43-4） （图（图6-26-2） 速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的总放热量的707080%80%。一般

7、在上止点后。一般在上止点后20203535CACA，出现，出现循环最高温度，达循环最高温度，达1600160020002000。大部分燃油在此阶段燃。大部分燃油在此阶段燃烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。 温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于等等压燃烧压燃烧。由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求11。、后燃期（、后燃期（4-4-） 从温度最高到燃料燃烧结束。从温度最高到燃料燃烧结束。 远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度

8、升远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，故故应尽量减少后燃应尽量减少后燃。三、燃烧过程中存在的问题三、燃烧过程中存在的问题 1.1.混合气形成困难，燃烧不完全。混合气形成困难，燃烧不完全。混合极不均匀混合极不均匀混合气形成时间短，边喷油、边混合、混合气形成时间短，边喷油、边混合、 边燃烧。边燃烧。 改进措施：改进措施： 促进混合气的形成。促进混合气的形成。 结构上，促进缸内的涡流运动。结构上，促进缸内的涡流运动。 供给较多的空气。供给较多的空气。 大于大于1 1，一般取，一般取1.31

9、.3。但是至少。但是至少30%30%的空气未被利的空气未被利用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。 2.2.工作粗暴，燃烧噪音较大。工作粗暴，燃烧噪音较大。 速燃期内速燃期内, ,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动塞、曲轴等机件产生强烈的振动, ,并通过气缸壁传到外并通过气缸壁传到外部部, ,形成形成燃烧噪音燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的燃烧噪音与速燃期内的P/P/有很大关系有很大关系。为使工作。为

10、使工作柔和，要求柔和，要求P/400kpa/P/400kpa/CACA。 压力升高率的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合压力升高率的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合气的数量有关，气的数量有关，缩短着火延迟时间缩短着火延迟时间i i，减少滞燃期内减少滞燃期内的喷油量的喷油量，抑制此阶段混合气的形成，抑制此阶段混合气的形成, ,可减小可减小燃烧噪音燃烧噪音, ,但与提高动力性相矛盾。但与提高动力性相矛盾。3.3.排气冒黑烟排气冒黑烟 主要发生在大负荷工况时主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。，如加速，爬坡时。 燃油在燃油在高温缺氧高温缺氧下燃烧时易形成下燃烧时易形成碳烟碳烟。减少黑烟的主要措施减

11、少黑烟的主要措施: : (1) (1)增加过量空气系数增加过量空气系数。与提高柴油机的动力与提高柴油机的动力性相矛盾。性相矛盾。（2 2）改善混合气的形成。）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。和性相矛盾。4.4.排气冒蓝烟、白烟排气冒蓝烟、白烟 在冷起动及怠速、低负荷运转时在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.60.61 1微米的颗粒构成，而蓝烟是由微米的颗粒构成，而蓝烟是由0.60

12、.6微米以微米以下的颗粒构成。下的颗粒构成。 暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。变为无色。图图6-3 柴油机与汽油机的放热规律柴油机与汽油机的放热规律定义：定义：放热率放热率dQ/d(dQ/d(每度曲轴转每度曲轴转角的放热量角的放热量) )随曲轴随曲轴转角的变化关系。转角的变化关系。它决定压力升高率它决定压力升高率(噪音噪音)的变化和热效率。的变化和热效率。燃烧持续时间燃烧持续时间最佳约最佳约为为40 A（视频）（视频） 四、燃烧过程的放热规律四、燃烧过程的放热规律第二节第二节 柴油机混合气的形成柴油机混合气的形成柴油机混合气形成靠三方面的相互作

13、用柴油机混合气形成靠三方面的相互作用: :一一. .燃烧室的结构燃烧室的结构; ;二二. .燃料的喷雾燃料的喷雾; ;三三. .缸内适当的空气运动。缸内适当的空气运动。混合气形成特点混合气形成特点: 1、缸内形成、缸内形成 2、时间极短、时间极短 3、过量空气系数较大、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合保证燃烧完全、及时靠加快混合气的形成速度保证燃烧完全、及时靠加快混合气的形成速度（汽油机是提高火焰传播速度）（汽油机是提高火焰传播速度）混合气形成方法混合气形成方法: 由不同喷雾及气流运动组成了各种混合气形成方由不同喷雾及气流运动

14、组成了各种混合气形成方式，其基本型式可分为：式，其基本型式可分为： 空间雾化混合，油膜蒸发混合。空间雾化混合，油膜蒸发混合。 空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流混合。滴与空气涡流混合。 油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气与空气涡流混合。发油气与空气涡流混合。 在车用柴油机中，两种方式均有，但多数在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空间雾化混合为主。以空间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。发混合方式为主。 1.1.燃油的雾化燃油的雾化

15、 燃油在经喷孔燃油在经喷孔喷出时，在气喷出时，在气缸中被破碎成缸中被破碎成微粒的过程。微粒的过程。 油束由中心到外部：油束由中心到外部：油粒直径逐渐？油粒直径逐渐？运动速度逐渐？运动速度逐渐？油粒温度逐渐？油粒温度逐渐？喷油横截喷油横截面上燃油面上燃油分布分布喷油横截面喷油横截面上油粒速度上油粒速度L:射程射程 :锥角锥角图图6-5 喷注的形状喷注的形状一、燃油的喷雾一、燃油的喷雾三、典型燃烧室结构分析三、典型燃烧室结构分析 1 1燃烧室分为两大类燃烧室分为两大类: :直喷式和分隔式直喷式和分隔式。 直喷式燃烧室直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的

16、一个统一空间。一个统一空间。（缸径大于（缸径大于100mm100mm，转速大于，转速大于3000r/min3000r/min的柴油机基本用直喷式的）的柴油机基本用直喷式的）直喷式燃烧室根据凹坑深度分：直喷式燃烧室根据凹坑深度分： 开式燃烧室开式燃烧室浅坑型，如浅坑型，如浅盆形浅盆形或或浅浅形形燃烧室燃烧室 半开式燃烧室半开式燃烧室深坑型，如深坑型，如形形和和球形球形燃烧室燃烧室分隔式燃烧室分隔式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。：由主燃室和副燃室两部分组成。 如：如：涡流室式涡流室式燃烧室和燃烧室和预燃室式预燃室式燃烧室燃烧室（高速小缸径柴油机多采用分开式燃烧室）（高速小缸径柴油机多采用分开

17、式燃烧室）3 3、直喷式燃烧室的空气涡流运动、直喷式燃烧室的空气涡流运动 空气涡流运动是加速混合气形成的空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段；也是保证完善燃烧的重有效手段；也是保证完善燃烧的重要条件。要条件。 直喷式燃烧室产生涡流运动的方法直喷式燃烧室产生涡流运动的方法有有2 2种：种： 1 1）进气涡流）进气涡流靠切向进气道和螺旋靠切向进气道和螺旋进气道形成。进气道形成。切向进气道：切向进气道：气道母线与气缸相切，气道母线与气缸相切，在气门前强烈收缩，使气流越来越在气门前强烈收缩，使气流越来越快进入气缸后受缸壁的约束而转向，快进入气缸后受缸壁的约束而转向，形成涡流。形成涡流。螺旋进气道：螺

18、旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于高速柴油机上。高速柴油机上。2 2）挤气涡流）挤气涡流-在压缩行程后在压缩行程后期，活塞接近上止期，活塞接近上止点时，活塞顶上方点时，活塞顶上方环形空间中的空气环形空间中的空气被挤入活塞顶部的被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的燃烧室内，造成的空气的涡流运动。空气的涡流运动。涡流强度较进气涡涡流强度较进气涡流小，只起

19、辅助作流小，只起辅助作用。用。逆挤流逆挤流4 4、直喷式燃烧室、直喷式燃烧室1 1）开式燃烧室浅坑型）开式燃烧室浅坑型 混合气形成混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分布实现。进气无涡流，或涡流较弱。分布实现。进气无涡流，或涡流较弱。 特点特点：结构简单，：结构简单，起动性好，经济性好，热负起动性好，经济性好，热负荷低；但荷低；但工作粗暴工作粗暴，对燃料要求高。，对燃料要求高。 如：浅如：浅型燃烧室。型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。浅浅型燃烧室

20、型燃烧室2 2）半开式燃烧室深坑型）半开式燃烧室深坑型 混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。 型燃烧室（典型）型燃烧室（典型） 混合气形成：混合气形成：空间雾化混合为主。空间雾化混合为主。 一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。速混合气的形成。主要特点：主要特点：z面容比小，面容比小，Q放放，经济性好。，经济性好。z低温起动性好低温起动性好z采用多孔喷嘴，高压喷射。采

21、用多孔喷嘴，高压喷射。zP/，工作粗暴。，工作粗暴。z大，动力性差。大，动力性差。z形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。z多用于多用于3000r/min以下的柴油机（车用柴油机）。以下的柴油机（车用柴油机）。型燃烧室型燃烧室 球形燃烧室球形燃烧室 混合气形成：油膜蒸发。混合气形成：油膜蒸发。 一般采用单孔喷嘴，一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。 主要特点：主要特点：z 面容比小，经济性好。面容比小，经济性好。z 对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。种燃料。z 冷起

22、动困难。冷起动困难。z 低速、加速时冒黑烟。低速、加速时冒黑烟。z 不适于增压，变工况适应性差。不适于增压，变工况适应性差。球型燃烧室球型燃烧室5 5、分开式燃烧室、分开式燃烧室1 1）涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室 混合气形成：混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。器。主要特点：主要特点：z喷雾质量要求不高喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低)zP/较小，工作柔和，噪音低较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活塞已下行）活塞已下行）z空

23、气利用率高，空气利用率高，值可较小值可较小（1.2.13）z高速性能好。高速性能好。（涡流随转速升高而加强）（涡流随转速升高而加强）z排污低排污低（最高燃烧温度低）（最高燃烧温度低）z变工况适应性好，对转速不敏感变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的流动特性基本（转速变化，涡流的流动特性基本不变）不变）z面容比大，经济性较差，启动性差面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）（传热和流动损失大，装电热塞）涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室1 1）预燃室）预燃室式燃烧室式燃烧室 混合气形成：混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。式喷

24、油器。主要特点：主要特点：z喷雾质量要求不高喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃燃烧涡流烧涡流形成混合气）。形成混合气）。zP/较小，工作柔和。较小，工作柔和。z空气利用率高，空气利用率高，值可较小。值可较小。z变工况适应性好，对转速不敏感。变工况适应性好，对转速不敏感。zNOx排放低排放低z启动性差，面容比较大，经济性差启动性差，面容比较大，经济性差z低速噪声（惰转噪声）大低速噪声（惰转噪声）大(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，预燃室气体速度低，油束贯穿力大，喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长

25、)预燃室式燃烧室预燃室式燃烧室各种燃烧室的比较各种燃烧室的比较第四节第四节 影响燃烧过程的因素影响燃烧过程的因素一、燃油的影响一、燃油的影响1 1燃油的着火性燃油的着火性 是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。 用用十六烷值十六烷值表示。表示。十六烷值高十六烷值高，着火性好，滞燃期短，着火性好，滞燃期短，P/较小，工作柔和。十较小，工作柔和。十六烷值高，起动性好。六烷值高，起动性好。十六烷值过高十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。 车用柴油机的十六烷值，一般为车用柴油机的十六烷值，一般为40405050。2

26、2十六烷值对燃烧过程的影响。十六烷值对燃烧过程的影响。3 3 蒸发性蒸发性 蒸发性过好，蒸发性过好，工作粗暴工作粗暴。 蒸发性差，蒸发性差，燃烧不完全。燃烧不完全。 蒸发性适中。蒸发性适中。 二、压缩性二、压缩性的影响的影响 提高发动机工作的热效率，提高发动机工作的热效率，改改善柴油机冷起动性。善柴油机冷起动性。 但但过大过大造成燃烧最高压力过大造成燃烧最高压力过大，曲柄连杆机构承受过高的机械负荷，机械曲柄连杆机构承受过高的机械负荷，机械磨损磨损，使用寿命，使用寿命。 当当2121时，时，i i的提高不明显。的提高不明显。 压缩比的选择：保证冷起动容易和在各种工况下活的可靠而压缩比的选择：保证

27、冷起动容易和在各种工况下活的可靠而有效的燃烧为前提，尽量选用较低的压缩比。有效的燃烧为前提，尽量选用较低的压缩比。Q:Q:汽油机的压缩比有什么要求？汽油机的压缩比有什么要求？三、使用方面因素的影响三、使用方面因素的影响（一）喷油规律（一）喷油规律 1 1柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。律。 2. 2. 喷油速率的变化要先缓后急。喷油速率的变化要先缓后急。 喷油规律可以通过改变喷油泵凸轮轴的凸轮型喷油规律可以通过改变喷油泵凸轮轴的凸轮型面加以调整。面加以调整。（二）供油提前角（二）供油提前角1 1定义：定义： 高压油泵柱塞关闭进油孔瞬时到上止点之间高压油泵柱塞关闭进油孔瞬时到上止点之间的曲轴转角。的曲轴转角。 2 2过大、过小的危害：过大、过小的危害： 过大过大滞燃期滞燃期柴油机工作粗暴，怠速不稳，柴油机工作粗暴，怠速不稳，冷起动困难。冷起动困难。 压缩负功压缩负功，发动机功率，发动机功率，gege。 过小过小后燃量后燃量，排气温度，排气温度， i i， 发动机功率发动机功率，gege。（三）转速（三）转速n n 转速升高时，压缩终点的温度和压力增高，同时，喷转速升高时，压缩终点的温度和压力增高，同时，喷油压力增高，从而改善燃油的雾化；并且气缸内的空油压力增高，从