汽车发动机原理课件：柴油机的燃烧过程

一、柴油机的着火柴油机的燃烧过程是从压缩行程上止点前喷油开始到膨胀行程燃烧终了为止，所占时间很短(为50°~70°曲轴转角，高速柴油机只有3

~6ms)，是一个非常复杂的物理化学过程。柴油机利用柴油化学安定性差，易自燃的特点，采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火，在压缩行程的末期将柴油喷入汽缸，此时缸内空气温度高达500

~900℃，远远超过了柴油的自燃温度，但燃料并不能立即着火燃烧。要使可燃混合气着火燃烧，必须具备如下两个条件:(１)可燃混合气必须加热到某一临界温度以上，否则，燃料就不能着火，燃料不用外界能量点燃而能自行着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。(２)可燃混合气中燃料与空气的比例要在着火界限范围内才能着火燃烧，若混合气过浓，说明氧分子相对较少，燃料分子过多，混合气过稀，表明燃料分子过少氧分子过多，这两种情况的氧化反应程度都不够。因此，混合气过浓或过稀超出了着火界限就不能着火。柴油机汽缸内燃料油束的着火情况非常复杂，位于油束外围直径很小的油滴，在很短时间内即蒸发完毕，这时虽然可以形成有适当浓度的混合气区域，但由于温度不够或化学准备来不及，则此处不可能着火，经过一段时间后，扩散作用使这个部分的混合气变稀，也难以着火。所以首先着火的地点不在最小油滴处，也不在油束核心浓度过高的部分，而是在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。二、柴油机燃烧过程的划分阶段柴油机的燃烧基本上是喷雾的非定常紊流扩散燃烧，即在燃烧室所限制的狭窄空间内的高温、高压环境下，经高压喷射的高浓度燃料喷雾在空间分配不均的状态下，在极短的时间内进行的一种燃烧形态。柴油机的燃烧过程是柴油机工作过程的核心部分，为便于分析，通常利用展开示功图，根据汽缸中工质压力和温度的变化规律，将其人为地划分为四个阶段，即着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期，如图5-1所示。１.着火延迟期着火延迟期又称为滞燃期(如图5-1中的AB段)，从喷油始点A到由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升的B点(着火点)。在着火延迟期内，喷入到燃烧室高温、高压气体中的燃料进行着粉碎、雾化、扩散、加热、蒸发汽化和空气混合直至在某些局部区域形成可燃混合气的物理准备阶段，以及燃料分子的裂化、低温多阶段着火的化学准备阶段。在此阶段，物理过程和化学过程是同时相继进行的。在图中，由于柴油汽化吸热，造成在着火前dQB

/dφ曲线出现负值，一旦开始燃烧放热dQB

/dφ很快由负变正，因此可以取dQB

/dφ明显上升前第一个极小值点，或dQB

/dφ=0点作为着火点，这在曲线上比示功图的B点容易判定。以秒和曲轴转角为单位的着火延迟期，分别用τi和φi表示，一般τi=0.7~3ms，φi=8°~12°，柴油机着火延迟期长短决定了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。在燃料十六烷值一定的情况下，影响着火延迟期长短的主要因素是燃烧室内的温度和压力，温度或压力越高，则着火延迟期越短。２.速燃期速燃期又称预混合燃烧期(如图5-1中的BC段)，即从压力脱离压缩线开始急剧上升(B点)至燃烧放热率变缓的突变点(C点)，速燃期内，在着火延迟期的极短的时间内准备好的非均质预混合气几乎同时开始燃烧，而且活塞又靠近上止点，因此使燃烧室内的压力、温度和dp

/dφ急剧上升，燃烧放热速率dQB

/dφ很快达到最高值。压力升高率dp

/dφ对柴油机的性能有重要的影响，若压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪声和温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加，同时运动零部件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命，但由于燃烧迅速进行，柴油机的经济性和动力性会较好，压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的平均压力升高率dp

/dφ一般不应大于0.4~0.5MPa/(°)。与汽油机相比，柴油机的平均压力升高率较大，其大小主要取决于着火延迟期内形成的可燃混合气的多少，而可燃混合气的生成量要受着火延迟期内喷射燃料量的多少、着火延迟期的长短、燃料的蒸发混合速度、空气运动、燃烧室形状和燃料物化特性等多种因素的影响。随着大量在着火延迟期内生成的可燃混合气燃烧殆尽，燃烧放热速率暂时降至较低水平，出现图5-1中曲线上的谷点C，以此作为速燃期和预混合燃烧阶段的结束点要比直接在示功图上更容易判断，速燃期中，累积放热率可达20％~30％。３.缓燃期缓燃期又称扩散燃烧期(如图5-1中的CD段)，即从C点至最高燃烧温度点(D点)，一般喷射过程在缓燃期都已结束，随着燃烧过程的进行，空气逐渐减少而燃烧产物不断增多，燃烧的进行也渐趋缓慢，缓燃期的燃烧具有扩散燃烧的特征，混合气形成的速度和质量起着十分重要的作用，在此期间，参与燃烧的是速燃期内未燃烧的燃料和缓燃期内喷入的燃料，特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，边以高温单阶段方式着火参与燃烧。柴油机的最高燃烧压力pmax一般为5

~9MPa，增压柴油机有可能大于13MPa，同汽油机一样，柴油机也希望pmax出现在上止点后10°~15°，这样可以获得较好的动力性和经济性，但与汽油机不同的是，Ｃ点的位置不仅取决于喷油提前角，也取决于着火延迟期和速燃期的长短。缓燃期结束时，累积放热率可达80％左右，燃气温度可达1700

~2000℃，一般在上止点后20°~35°曲轴转角处出现。在这一阶段内，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，才能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，由于不可能形成完全均匀的混合气，所以使柴油机必须在过量空气系数大于１的条件下工作，保证基本上完全燃烧的最小过量空气系数的大小随燃烧室的不同而异，在分隔室燃烧室中最小可达1.2。４.补燃期补燃期又称后燃期(如图5-1中的DE段)，即从最高温度点(D点)至燃油基本燃烧完毕E点(累计放热率大于95％)，由于柴油机混合气形成时间短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖到膨胀过程中继续燃烧，特别是在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为严重。三、燃烧放热规律瞬时放热速率是指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内(或１°曲轴转角内)燃烧的燃油所放出的热量，而累积放热百分比，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，燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内压力、温度的变化，进而影响到柴油机的性能。不同类型发动机的燃烧过程有着不同的特点，其燃烧放热规律也有所不同，图5-2给出了一个比较不同类型的非增压发动机、在全负荷和中等转速工况下的燃烧放热规律的实例。为便于相互之间的比较，图中作为纵坐标的放热速率是每升工作容积的瞬时放热速率[Ｊ/(°)Ｌ]。从图5-2中可以看到，直喷式燃烧室柴油机的放热速率和累积放热百分比在燃烧的起始阶段上升最快，放热速率很快就达到最大值，而且这一最大值相对两种分隔式燃烧室柴油机都高，此外，高速的直喷式燃烧室柴油机的放热速率往往呈现双峰的特点。在燃烧的起始阶段，两种分隔式燃烧室柴油机的放热速率和累积放热百分比都上升得比较慢，放热速率的最大值也较低且燃烧过程持续较长，其中对预燃室燃烧室柴油机来说，这些特点更为明显。１.燃烧放热规律三要素燃烧放热始点、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续时间被认为是燃烧放热规律的三要素。(1)放热始点，决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心(指放热率曲线包围的面心)距上止点的位置。

(2)放热规律曲线形状，决定了前后放热量的比例，对噪声、振动和有害排放量都有很大的影响。(３)燃烧持续期，其长短在一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比大小的反映，显然这是决定循环热效率的一个极为关键的因素，对有害排放量也有较大的影响。放热规律三要素既有各自的特点，又相互关联，对其进行合理选择与控制是极为重要的。２.理想的燃烧放热规律及其控制(１)放热始点的要求及控制，一般来说，较理想的燃烧放热规律要求有一合适的燃烧起点，希望放热始点的位置能保证最大燃烧压力pmax出现在上止点后10°~15°，为此，柴油机通过控制喷油提前角的变化以及着火延迟期长短来加以调控，由于各工况的着火延迟期不相同，所以每个工况都有其最佳的喷油提前角。柴油机要求其喷油提前角随转速及负荷增加都应提前(增加)，随转速增加而提前的原因与汽油机类似，即油量调节杆位置不变时，高转速的着火延迟角要比低转速大得多，再加上喷油持续角和相应的燃烧持续角也都加大(这是喷油和燃烧特性所决定的)，所以要求喷油提前角随转速增加而提前。传统的车用柴油机一般都装有自动喷油提前器来完成随转速增加而提前的功能，因随负荷增加喷油提前角提前量较小，一般未予控制，电控柴油机则可通过喷油提前角MAP图进行两者的精确控制。选择喷油始点的位置十分重要，喷油站点若在上止点前不远，则缸内温度及压力均达压缩行程的较大值，此时，着火延迟时间会减小，喷油过早，着火延迟时间会增加，再加上放热中心向前移，会使噪声大大增加；(２)放热规律曲线形状的影响及控制，影响放热规律曲线形状的因素比较复杂。为便于定性分析，一般假定四种柴油机简单的放热率图形，见图5-3，并据此计算出各自的示功图a，b，c和d曲线。图中，假定四种放热规律都在上止点开始放热，放热总量相同，持续期均为40°，曲线a先快后慢的放热形状初期放热多，dp/dφ值最大，pmax达8MPa，此时的指示效率ηi为52.9％，是四种方案中的最高值，曲线d先慢后快的放热形状则相反，放热速率前缓后急，dp/dφ和pmax都最低，ηi也最小，为45.4％。汽油机一般具有类似图5-3曲线d先慢后快的放热率形状，直喷式柴油机两阶段燃烧的特点，决定了它的放热率曲线更接近图5-3中曲线a的形状，因而噪声、振动大，爆发压力高，同时对ηi也较有利。为了改进直喷式柴油机放热率曲线所引起的不利影响，应通过喷油、气流、燃烧室的相互协调来加以改变和控制，例如近代在喷油系统中作了若干改进，在不增长喷油持续期的前提下尽可能降低初期喷油率，由于初期喷油量的减少，使放热率的第一个峰值下降dp/dφ和pmax都相应降低。(３)燃烧持续期的要求及控制。燃烧持续期原则上是越短越好，汽油机一般为40°~50°，柴油机一般小于50°~60°。