长安大发动机原理讲义03柴油机混合气形成和燃烧

《发动机原理》第三章柴油机混合气形成和燃烧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3但初期空间分布燃料多，燃烧迅速→↑,pmax↑→工作粗暴。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。Δφ2放热先缓后急→↓,pmaxΔφ3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。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。1ml油滴:1个，d=9.7mm，S=245mm2面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加。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。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β反映油束的紧密程度。孔式喷嘴—β↑→油束松散，粒细。轴针式喷嘴—β↓→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。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θ—开始喷油→上止点的曲轴转角。θ’—上止点→停止喷油的曲轴转角。喷油延迟角|θ|+|θ’|—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|θ|+|θ’|↑↑→喷油持续时间长,工作柔和，但油耗增大,排放变差。|θ|+|θ’|↓↓→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.|θ|+|θ’|↓↓→油耗↓,排放好，但工作粗暴。b.先急后缓θ’↑→油耗↑,排放差。c.先缓后急θ’↓→油耗↓,排放好,尽量采用，但很难做到。1孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:1～5个，φ=0.25～0.8mm。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。φ=1～3mm，通道间隙δ=0.025～0.05mm。雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。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→ηv↑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。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，压差力使质点向中当p’>p时，—离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。当p’<p时，—压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。液体油、燃油蒸汽:p’>400p，向外运动。燃烧产物:p’<0.3p，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。1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2压缩自燃。2喷油规律3气流运动4燃烧室结构p-φ示功图曲线下的面积表示有用功的大小。（着火延迟角φi）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400～800℃),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:τi=0.0007～0.003[s]；对应的曲轴转角称为着火延迟角φi。尽管着火延迟期τi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。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。p3=pmax。为表示2－3阶段压力升高的急骤程度，引入概念压力升高率:[kpa/degCA]↓↓,pmax↓↓→做功不利，柴油机性能↓↑↑,p↓↓,pmax↓↓→做功不利，柴油机性能↓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↓。5—放热量达95～97%。补燃期在膨胀过程中。补燃期↑→ηt↓,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，补燃要比汽三影响着火延迟期τi的因素（一）压缩温度Tc和压力pc—直接影响因素|lnτi|↑→τi↓ε↑→pc↑,Tc↑→τi↓θ↓↓→虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧↓θ↑↑→pc↓,Tc↓→τi↑所以，有一个使τi为最小的θ。高速时:θτimin=10～15[degCA]低速时:θτimin=5～10[degCA]n↑→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→τi↓。但n↑→着火延迟角φi↑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→τi↓。四着火延迟期τi对柴油机性能的影响τi↑→τi期间喷入缸内的燃料量↑→着火前可燃混合气量↑τi↑↑→↑↑,pmax↑↑→冲击载荷↑,工作粗暴，柴油机寿命↓。τi↓↓→混合气形成欠佳→柴油机性能↓燃烧放热率ΔQ/Δφ随曲轴转角φ变化的关系。由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。1放热开始时刻2放热规律3放热持续时间工作柔和，经济性、动力性好，排放少，补燃少。上止点油箱→输油泵→滤油器→低压油管→喷油泵→高压油管→喷油器（喷油嘴）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。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—高压油管中燃油压缩+节流作用从几何关系求出的油泵凸轮每转一度（或每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量[ml/degPA或ml/s]随曲轴转角φ（或时间t）其中Jp—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。1理论上（不存在节流）上行—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—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—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—供油持续。所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。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Δg↑车用—希望n↑→Δg↓→Me↓（例如:低速大负荷工况）喷油泵速度特性—n↑→Δg↑→Me↑可变减压容积和可变减压作用。n↑→节流作用↑→Δg↓→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2调速器校正n↑→Δg↓↓→Me↓↓在第六章发动机特性中介绍。《发动机原理》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。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。低速、尤其是怠速时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。怠速运转不稳定。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《发动机原理》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↓。Ddk↓↓,油束射程↑↑,气流运动↓→燃油喷在燃烧室壁面上，雾化差。D其中Vk—燃烧室容积；Vc—活塞位于上止点时的压缩容积。↑→空气利用率↑,散热面积↓→燃烧好。所以，希望Vk尽可能大。cVc4主要特点（1）长型多孔（3～5个）喷嘴，孔径d=0.25～0.4[mm]。（2）τi↑→工作粗暴。→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。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↑→“↓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《发动机原理》对球型燃烧室的影响可参阅⑴型燃烧室。4主要特点（1）螺旋进气道，进气涡流强。（2）采用单孔喷嘴Φ=0.5～0.7mm，或双孔喷嘴Φ=0.3～0.4mm。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，200～350℃。（4）α值较小，α=1.1左右，空气利用率↑。（5）↓,p（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140mm之内。D↑↑→Δg↑→油膜厚度↑→蒸发不完全，燃烧恶化。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→↓,pmax↓,工作柔和、平稳，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S0敏感。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。1应用:BJ130，495Q型柴油机等。2混合气形成方式:热混合《发动机原理》3主要结构参数燃烧室容积Vc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焰一起经过通道高速喷向主燃烧室，壁面附近的浓混合