第5章 柴油机混合气的形成

着火延迟期速燃期缓燃期后燃期第5章柴油机混合气的形成和燃烧

柴油机燃烧过程、喷油速率和放热规律

1.着火延迟期

着火延迟期又称为滞燃期、着火落后期，从燃油开始喷入燃烧室内(A点)至压力线明显脱离压缩线开始急剧上升(B点)

注意：柴油机着火延迟期的长短会明显影响滞燃期内喷油量和预制混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力、经济性、排放特性以及噪声振动，必须精确控制着火延迟期的影响因素十六烷值温度压力燃烧室形式壁温2.速燃期

压力升高率从提高动力性和经济性的角度，希望dp／dφ大一些dp／dφ过大会使柴油机工作粗暴，运动零部件受到过大冲击载荷，过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加。为兼顾柴油机运转平稳性，dp／dφ不宜超过0.4MPa／(°)，而为了抑制氮氧化物的生成，dp／dφ还应更低。3.缓燃期

特点：采取措施使后期喷入的燃油能及时得到足够的空气，尽可能地加速混合气的形成，保证迅速而完全的燃烧，从而提高柴油机的经济性和动力性。柴油机燃烧室内的最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20°～35°曲轴转角处出现。

缓燃期不缓4.补燃期

缓燃期D点到燃料基本燃烧完毕。累积放热率大于95%。后燃远离上止点，热量不能有效利用，散热损失增加，热负荷增加，排温升高。补燃期要短5.1.2燃烧放热规律

1.燃烧放热规律的定义瞬时放热速率是指单位时间内(或l°曲轴转角内)燃烧的燃油所放出的热量；累积放热百分比，是指从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧放热规律燃烧放热规律

2.柴油机合理的燃烧放热规律

1)放热规律三要素

一般将燃烧放热始点(相位)、放热持续期和放热率曲线的形状称为放热规律三要素

2)理想的燃烧放热规律合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急，燃烧持续时间不宜过长（汽、柴）放热始点的位置要能保证最大燃烧压力出现在上止点后10°～15°。柴油机通过喷油提前角的变化以及着火落后期长短来加以调控燃烧放热规律曲线形状

应先缓后急。在开始放热阶段，不希望燃烧放热速率上升得过快，以降低压力升高比，使柴油机的工作粗暴得到控制；然后燃烧应加速进行，使绝大部分燃油在尽可能靠近上止点处完成燃烧，以提高经济性。燃烧持续时间燃烧持续时间原则上越短越好。

汽油机和柴油机燃烧过程主要特点对比

DI机燃烧放热先急后缓，燃烧持续期较长 5.2柴油机混合气的形成原理

5.2.1燃油的喷射与雾化

柱塞式喷油泵燃油供给系分配式喷油泵燃油供给系

喷油器不同喷油嘴的流通特性

2.喷射与雾化

1)喷射过程(1)喷射延迟阶段(2)主喷射阶段(3)喷油结束阶段2)供油规律与喷油规律单位凸轮轴转角(或单位时间)由喷油泵供入高压油路中的燃油量称供油速率；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称为喷油速率

两者的差别主要原因：(1)燃油的可压缩性(2)压力波传播滞后（相位差）(3)压力波动（形状上的差异）(4)高压容积变化高压油管的弹性变形及出油阀、针阀两个弹性系统的影响a)正常喷射b)二次喷射c)断续喷射d)隔次喷射穴蚀：高压容积内产生压力波动时，会出现低于燃油蒸气压的压力，故而形成汽泡，压力升高，汽泡爆裂产生冲击波，多次作用于金属表面引起。3)异常喷射与穴蚀

对喷射系统的要求对喷油规律的基本要求尽可能减少喷油系统中的燃油压力波动，以防止不正常喷射现象

不同转速、负荷下，在最佳喷油时刻精确提供所需燃油量。“先缓后急，断油迅速”良好的油束特性以满足燃烧室的要求提高系统的工作可靠性和使用寿命合理的喷油规律及其实现合理的喷油规律

1）改变凸轮型线

2）双弹簧喷油器

双弹簧喷油器喷射规律形状与单弹簧喷油器进行对比a)单弹簧喷油器(b)双弹簧喷油器

3）预喷射和多段喷射

预喷射对燃烧特性的影响

多段喷射的示意图5.2.2燃烧室与混合气形成1.柴油机的混合气形成特点和方式

1)空间雾化混合2)油膜蒸发混合

3)两种混合方式的对比

空间雾化燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用

喷雾细、均匀。较多的油滴受热蒸发，着火延迟期内形成大量的可燃混合气，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放高。如果减小着火延迟期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。空间雾化混合方式有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。

油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。

大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。2.缸内气流运动1)涡流

进气涡流：在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称为进气涡流(2)压缩涡流

：在涡流室燃烧室中，气体在进气过程中并不产生旋流，而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2)挤流3)湍流

4)滚流

进气道气门出口速度分布各种涡流比导气屏设置在进气门上，可调节涡流强度，涡流比0～4切向气道形状简单，涡流比1～2螺旋气道的形状最复杂，涡流比2～4，同样涡流比时的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机涡流比进入凹坑时增大涡流比随曲轴转角的变化压缩涡流在涡流室燃烧室中，气体在进气过程中并不产生旋流，而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挤流挤流也是一种有效的缸内气体运动，在压缩过程中，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(挤流)a)无进气涡流b)进气涡流强时的挤流

c)逆挤流

或涡流不强时的挤流

湍流在气缸中形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流，也称微涡流。湍流可以促进燃油和空气的微混合程度，加速燃烧过程。滚流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称为滚流(tremble)，也称为纵涡或横轴涡流。柴油机燃烧室

各种直喷式燃烧室形式(a)浅盆形(b)ω形(c)挤流口形(d)球形

浅盆形燃烧室的特点ω形燃烧室的特点属于半开式燃烧室，在活塞顶部设有比较深的凹坑，其中ω形凹坑的中心凸起是为了帮助形成涡流以及排除气流运动很弱的中心区域的空气而设置的。一般dk／D为0.6左右，dk／h＝1.5～3.5。采用4～6孔均布的多孔喷油器中央布置(四气门时)或偏心布置(二气门时)，喷雾贯穿率一般为1.05。空气运动以进气涡流为主，挤流为辅。进气涡流比介于最低的浅盘形燃烧室(<1.5)和最高的球形燃烧室(>3)之间，通过减小dk／D，和余隙高度S0，可使挤流强度增加。由于利用燃油喷射和空气运动两方面的作用形成混合气，因而比浅盘形更容易形成均匀的混合气，空气利用率提高，可在过量空气系数声1.3～1.5的条件下实现完全燃烧。

挤流口形燃烧室

非回转体燃烧室(a)四角形(b)微涡流MTCC(c)Quardram(d)花瓣形日本小松公司的微涡流燃烧室

MTCC(microturbulencecombustionchamber)

在半开式燃烧室的基础之上，利用燃烧室形状的设计来产生微涡流，改善混合气形成和燃烧。除大尺度的涡流(如进气涡流和挤压涡流)以外，小尺度的涡流，又称为微涡流或湍流，对混合气形成和燃烧的促进作用已得到公认。微涡流主要是利用大尺度的涡流在燃烧室内不同位置造成的速度差以及流经一些特殊设计的边角、凹凸时产生的气流扰动所形成的

MAN公司的J．S．Meurer博士——

M燃烧过程

M燃烧过程表述喷油射束沿球形燃烧室壁面并顺气流喷射，燃油被喷涂在壁面上形成油膜。为保证形成很薄的厚度均匀的油膜，需要很强的涡流(涡流比>3)。在较低壁温的控制下(200—350)，燃料在着火前以较低速度蒸发，在着火落后期内生成的混合气较少，因而初期燃烧放热率和压力升高率低。随燃烧进行，缸内温度和火焰热辐射强度提高，使得油膜蒸发加速，燃烧也随之加速。各种直喷式燃烧室比较示直喷式燃烧室柴油机的性能特点1)燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。直喷式柴油机比分隔式柴油机有效燃油消耗率约低10％～20％，但其工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。2)燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小，也没有主、副室之间的节流损失，一方面可使冷起动性能较好，另一方面也是经济性好的重要原因。3)对喷射系统的要求较高，4)NO的排放量比分隔式燃烧室柴油机高，开式燃烧室的微粒排放量相对较低。5)对转速的变化较为敏感，较难同时兼顾高速和低速工况的性能，分隔式燃烧室——涡流室涡流室容积约占整个燃烧室压缩容积的50％～60％。涡流室与主燃烧室之间通道的截面积约为占活塞截面积的1％～3．5％通道方向与活塞顶成一定的倾斜角度在压缩过程中，空气从主燃烧室经通道流入涡流室，在涡流室内形成强烈的有组织的压缩涡流涡流室形状分隔式燃烧室——预燃室预燃室布置形式预燃室预燃室容积约占整个燃烧室压缩容积的35％一45％预燃室与主燃烧室之间通道的截面积约为活塞截面积的0．3——0．6％在压缩过程中，气缸内部分空气流入预燃室内，由于连接通道截面积很小，且不与预燃室相切，所以在预燃室内形成强烈的无组织的紊流分隔式燃烧室柴油机的性能特点空气利用率较高，最小的过量空气系数可达1．2左右高速下有较好的性能。对喷射系统的要求低，可以使用轴针式喷油器，喷射压力较低。工作平稳，燃烧噪声小。散热损失和通道节流作用引起的流动损失。较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。低负荷下的碳烟排放量大冷起动性差分隔式燃烧室柴油机的性能特点

(1)采用浓、稀两段混合燃烧方式，前段过浓(还原)气氛，抑制了NOx的生成和燃烧温度，而后段的稀燃(氧化)气氛和二次涡流又促进了炭烟的快速氧化，因而NOx和微粒排放均低于直喷式燃烧室，但低负荷下的碳烟排放量较大。(2)由于初期放热率低，因而压力升高率和最高燃烧压力均低于直喷式燃烧室，燃烧柔和，振动噪声小。(3)对于涡流室，压缩涡流随发动机转速升高而增强，即转速越高，混合气形成和燃烧速度越高，因此涡流室式燃烧室适合于高速柴油机，其转速可高达5000r／min。(4)缸内气流运动自始至终比较强烈，空气利用率好，可在过量空气系数1.2左右的条件下正常工作。(5)对喷油系统要求不高，不需要进气涡流，进气道形状简单，因而加工制造成本低，使用故障少。(6)燃烧室结构复杂，表面积与容积之比较大，加上强烈的空气运动的影响，使散热损失较大，通道节流作用引起的流动损失也较大。因此，分隔式燃烧室柴油机较直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。(7)散热损失大和喷雾质量不高，冷起动性能不如直喷式燃烧室不同柴油机燃烧室的对比及选型1)在燃油经济性方面，直喷式明显优于非直喷式。在能源问题已成为全球性重大问题的今天，直喷式柴油机由过去主要用于中重型卡车变为现在日益向中小型卡车以及轿车领域扩展。目前新研制的缸径D>100mm的高速柴油机几乎都采用直喷式燃烧室，而在D<100mm柴油机上采用直喷式的机型也逐渐增多。2)在排放特性上，非直喷式柴油机在原理上是低排放燃烧方式，比直喷式柴油机有优势，但近年来发展的高压喷射和电控喷射等技术，使直喷式柴油机的NO和微粒排放有了显著的改善，缩小了在排放特性上与非直喷式柴油机的差距。3