柴油机混合气的形成和燃烧课件

柴油機混合氣的形成和燃燒

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柴油機燃燒過程6.1柴油機燃燒過程6.1.1正常燃燒過程以展開示功圖研究燃燒過程。壓縮線無燃燒膨脹線噴油著火最高壓力最高溫度壓縮線無燃燒膨脹線噴油著火最高壓力最高溫度著火延遲期快速燃燒期緩燃期後燃期噴油提前角

柴油機燃燒分為正常燃燒與非正常燃燒。正常燃燒是指發動機正常工作的燃燒，是相對於不正常燃燒而言的。柴油機正常燃燒過程分為四個階段：

（1）著火延遲期（1—2）即Ⅰ階段。

（2）快速燃燒期（2—3）即Ⅱ階段。

（3）緩燃期（3—4）即Ⅲ階段。（4）後燃期

（4—）即Ⅳ階段。

與汽油機相比，柴油機多了一個緩燃期。著火延遲期（Ⅰ階段）從噴油開始到壓力線脫離壓縮線所佔用的曲軸轉角。快速燃燒期（Ⅱ階段）從壓力線脫離壓縮線到出現最高燃燒壓力所佔用的曲軸轉角。緩燃期（Ⅲ階段）從最高燃燒壓力到出現最高燃燒溫度所佔用的曲軸轉角。後燃期（Ⅳ階段）最高燃燒溫度出現以後的燃燒。最高溫度最高壓力1．正常燃燒過程的評價

A、特點：過程複雜，有物理準備—

形成混合氣，有化學準備—

氧化反應速度逐漸加快；缸內壓力無明顯升高。

B、評價指標

著火延遲期長度Dj12=j2

-j1（1）著火延遲期著火延遲期噴油提前角

C、影響因素：

十六烷值十六烷值高，著火延遲期短。

點火時的缸內氣體狀態氣體溫度和壓力越高，著火延遲期越短。

噴油提前角

從噴油到上止點間的曲軸轉角。1．正常燃燒過程的評價

A、特點：預混燃燒、多點燃燒；同時又形成混合氣；缸內壓力急劇升高。

B、評價指標最高燃燒壓力（最高爆發壓力）pZ

以及出現時刻j3

。希望j3在上止點後15~20°曲軸轉角之內。平均壓力升高率表示壓力升高的急劇程度。（2）速燃期速燃期第六章柴油機混合氣形成與燃燒6.1

柴油機燃燒過程1．正常燃燒過程的評價（2）速燃期速燃期

C、燃燒過程

燃燒為預混燃燒，開始是著火延遲期形成的非均質混合氣中多點燃燒，後來燃燒的是噴束擴散形成的混合氣，轉入擴散燃燒。因為是多點燃燒，故燃燒速度快，壓力升高率大，工作粗暴，振動強，雜訊高。1．正常燃燒過程的評價

A、特點：擴散燃燒；可能有邊噴射、邊形成混合氣、邊燃燒；缸內壓力下降慢。

B、評價指標最高燃燒溫度TZ

緩燃期延續時間

Dj34=j4-j3

希望儘量縮短

C、燃燒過程比較粗大的油滴獨立燃燒，氣流運動對完善過程作用極大。如燃燒不好，出現碳煙排放。（3）緩燃期緩燃期1．正常燃燒過程的評價

特點：燃燒速度慢，燃燒放熱因活塞下行不能利用，反而使排氣溫度升高。後燃雖不能絕對消除，但通過完善燃燒過程，可儘量減少。（4）後燃期後燃期2．柴油機燃燒過程組織的困難（1）節能與排放的矛盾原因：節能要求燃燒完全，使燃燒溫度高，雖然CO、HC和碳煙排放少，但NOX排放多。

（2）碳煙與氮氧化物排放的矛盾原因：消除碳煙要燃燒完全，使燃燒溫度高，氮氧化物排放多。而對減少氮氧化物排放有利的措施，又可能導致碳煙；反之亦然。（3）節能與工作柔和要求的矛盾原因：工作柔和要求前期少噴油，會造成後燃嚴重，經濟性和動力性差；如燃燒完全，前期噴油多，則壓力升高快，工作粗暴。6.1.2柴油機的不正常燃燒過程正常燃燒過程要求燃油定時、定量並且穩定噴入氣缸；燃油形成混合氣的數量與燃燒要求配合。不正常燃燒噴射時刻過遲、過早；噴射不穩定：數量變化或斷續噴射；燃油形成混合氣的數量與燃燒要求不配合。習慣上統稱為不正常噴射。第六章柴油機混合氣形成與燃燒

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柴油機的混合氣形成過程6.2柴油機混合氣形成過程6.2.1柴油機的燃油噴射燃油系統1、燃油系統（1）燃油系統的作用

將燃料定時、定量地噴入氣缸，並形成符合燃燒要求的混合氣。

（2）噴油泵的作用將燃料定時、定量地輸送給噴油嘴，並保證穩定的噴射壓力。（3）噴油嘴的作用將燃料噴射到氣缸，並達到一定的霧化品質。2、噴油嘴的類型（1）噴油嘴的類型孔式軸針式孔式軸針式2、噴油嘴的類型（1）噴油嘴的類型

（2）噴油嘴開啟特性孔式軸針式

孔式噴油器用於直噴式燃燒室，孔數多而小，開啟特性快；軸針式噴油器用於分隔式燃燒室，有自潔作用，僅有1~2個孔，孔徑較大，開啟特性先慢後快。3、噴油過程

（1）噴油延遲階段供油提前角j供噴油提前角j噴噴油泵出油（出油閥升起）到噴油嘴噴油（針閥升起）

Dj=j噴

—j

供（2）主噴射階段

噴油嘴噴油到噴油泵停止出油（出油閥關閉），高壓油管壓力急劇下降（3）停止噴油階段噴油泵停止出油到噴油嘴停止噴油（針閥關閉）4、噴油規律

（1）供油規律:供油速率。單位時間噴油泵供油量與噴油泵凸輪轉角（時間）的關係

（2）噴油規律:噴油速率。單位時間噴油器噴油量與噴油泵凸輪轉角（時間）的關係差異在於：

A、燃油可壓縮性

B、油管彈性變形

C、壓力波傳遞反射（3）理想噴油規律：“先少後多、先慢後快”6.2.2柴油機的不正常噴射

（1）二次噴射:針閥打開二次。針閥落座後，由於壓力波動致使針閥再次打開。後噴的燃油油壓低，霧化不良，積碳增多；容易出現噴孔堵塞；後燃嚴重，經濟性下降；排溫高、冒黑煙。（2）斷續噴射（多次噴射）：針閥振盪，多次開閉。迴圈噴油量恰好引起壓力波動，並與噴油嘴固有頻率發生諧振。噴油時間正常，但噴油壓力低，霧化不良；針閥運動次數多，易磨損；動力性、經濟性下降；排氣容易冒黑煙。

（3）隔次噴射：低速、尤其是怠速時，油量少，油壓不足，壓不開針閥；下一迴圈時油壓湊足，壓開針閥噴射。怠速運轉不穩定。6.2.3噴束特性與燃油霧化1、油束特性參數：

宏觀參數（1）油束錐角b

反映油束的緊密程度。孔式噴嘴的

大，油束鬆散，顆粒細小；軸針式噴嘴的

小，油束緊縮，顆粒較粗大。（2）射程L反映油束的穿透能力。（3）油束最大寬度B

反映油束的分佈特性。6.2.3噴束特性與燃油霧化1、油束特性參數：

微觀參數（4）平均直徑反映油滴的細小程度。油束越鬆散，顆粒越細小。

（5）均勻度反映油滴的一致性。宏觀參數的影響因素有：

A．噴射壓力

B．噴油嘴長度直徑比

C．空氣燃油密度比6.2.3噴束特性與燃油霧化2、霧化品質：

燃油的霧化品質主要由平均直徑決定。油滴的平均直徑越小，則蒸發速度越快，越容易和空氣混合，形成可燃混合氣，故霧化品質越好。

平均直徑的影響因素有：

A．噴射壓力；B．噴油嘴噴孔直徑；C．油束流速；D．空氣壓力與密度；E．燃油粘度

燃油噴射霧化是混合氣形成的準備工作。柴油機燃燒室結構不同，對霧化品質的要求不同。6.2.4柴油機混合氣形成特點1、混合氣形成方式

根據混合氣形成原理即對霧化品質的要求，柴油機混合氣有兩種基本形成方式。

空間霧化混合

利用燃油與空氣的相對運動形成混合氣。霧化品質越高，混合氣形成越快，混合越均勻。空間霧化形成的混合氣，包括完全氣相和極其細小油滴。

油膜蒸發混合利用燃燒室壁面高溫使其表面的燃油油膜蒸發形成混合氣。燃燒室壁溫越高，混合氣形成越快。油膜蒸發形成的混合氣是完全氣相的。在實際柴油機中，混合氣形成兼有兩種方式，不能截然區分開，只是何種方式為主。6.2.4柴油機混合氣形成特點2、混合氣形成特點

柴油機混合氣形成在氣缸中進行。這是因為柴油蒸發性差，需要利用氣缸內壓縮高溫的緣故。柴油機混合氣形成的特點是：混合氣形成時間短；混合氣不均勻；空氣過量；多數情況下，需要組織空氣運動。3、混合氣形成過程

空間霧化混合

霧化→蒸發→擴散混合

油膜蒸發混合蒸發→擴散混合因此，油膜蒸發混合必須組織空氣運動。6.2.5對燃油系統的要求

1、不能有不正常噴射；

2、儘量接近按理想噴油規律工作；

3、根據發動機工況，可以調節迴圈供油量；

4、各氣缸迴圈供油量均勻；

5、根據燃燒室特點控制油束特性。兩種混合方式的特點工作柔和工作粗暴滯燃期形成的可燃混合氣數量少滯燃期形成的可燃混合氣數量多混合氣是氣相混合氣混合氣是氣液兩相混合氣燃料在壁面上形成油膜燃料在空氣中是細小油滴大部分燃料塗布到壁面上大部分燃料噴射霧化油膜蒸發混合空間霧化混合第六章柴油機混合氣形成與燃燒

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典型柴油機燃燒室6.3典型柴油機燃燒室6.3.1柴油機燃燒室的分類及要求1、總體目標

(1)經濟性好；

(2)排放性能好；

(3)動力性滿足需要；2、技術要求

(1)結構緊湊，面容比小；

(2)充氣效率高；

(3)組織適當氣流運動；

(4)燃油油束、氣體運動與燃燒室三者要配合。3、分類（兩種類型）直接噴射式統一（室）式開式半開式球型油膜間接噴射式分隔（室）式渦流室式預燃室式6.3.2直噴式燃燒室1、開式燃燒室6.3.2直噴式燃燒室1、開式燃燒室

整個燃燒室是由氣缸蓋底平面、活塞頂面及氣缸壁所形成的統一容積。燃油直接噴人氣缸，混合氣形成是空間霧化混合。燃澆室中一般不組織空氣渦流運動，依靠油束的擴展與空氣混合。淺盆形燃燒室的最大優點是經濟性好，容易起動。對轉速和燃料較敏感，因為噴霧品質隨轉速和燃油粘度而變。大型柴油機採用淺盆形燃燒室。6.3.2直噴式燃燒室2、半開式燃燒室

對車用小型高速柴油機，由於轉速高（可達5000r／min)，混合氣形成和燃燒的時間極短，採用空間霧化混合時，不能只依賴油束的霧化，還要組織進氣渦流。半開式燃燒室將活塞頂上的凹坑加深，凹坑口徑縮小，燃燒室基本上集中在活塞頂部。混合氣形成既利用一定的噴霧品質，同時組織進氣渦流及形成擠流促進混合氣形成和燃燒。

半開式燃燒室對燃油系統的要求不很高。由於利用進氣渦流，提高了空氣利用率，過量空氣係數為1.3~1.5，並保持燃油消耗率低和起動容易的優點。6.3.2直噴式燃燒室2、半開式燃燒室

半開式燃燒室的形狀很多，應用最多的是ω形燃燒室。燃燒室底部中心有一個凸起，目的是幫助形成擠流，並使燃燒室形狀與油束配合，將空氣集中在油束附近。5.3.2直噴式燃燒室2、半開式燃燒室

進氣渦流強度對發動機性能有很大影響。渦流過弱，混合氣形成和燃燒不好，性能下降；渦流過強，增加熱損失，還使相鄰油束之間的燃燒發生干擾，性能也下降。因此對於每一工況有一最佳渦流強度。6.3.2直噴式燃燒室3、球形油膜燃燒室

球形油膜燃燒室佈置在活塞頂部，混合氣主要是油膜蒸發混合形成，燃燒室中組織強烈進氣渦流。

燃油順氣流方向沿燃燒室壁面噴射，在強烈的進氣渦流作用下，在燃燒室壁上形成油膜。燃燒室壁溫控制在200~350℃，使壁面上燃料在比較低的溫度下蒸發，以控制燃料的裂解反應。

蒸發的油氣與空氣混合形成混合氣。噴射時，會從油束中分散出一小部分燃料，在空氣中混合，形成可燃混合氣，並在適當時著火，然後點燃從壁面蒸發形成的可燃混合氣。隨著燃燒進行，大量熱量輻射在油膜上，使油膜加速蒸發，不斷提供新鮮混合氣，保證迅速地燃燒。6.3.2直噴式燃燒室3、球形油膜燃燒室

球形油膜燃燒室改進了空間霧化方式存在壓力升高率大，發動機工作粗暴；大負荷有黑煙。

球形燃燒室優點是：發動機工作柔和，燃燒雜訊小，排氣煙度小，性能好。此外，球形油膜燃燒室便於使用輕質燃料，也可使用汽油。

球形油膜燃燒室缺陷在於：1)冷起動困難；2)加速性能較差；3)低負荷時冒藍煙，HC排放增加；4)低速性能差；5)增壓適應性差。球形燃燒室主要應用在小型高速柴油機，缸徑在75~130mm範圍，不適合大缸徑柴油機。6.3.3間接噴射式燃燒室1、渦流室燃燒室

燃燒室分為兩部分，主燃燒室和渦流室，兩者之間由一個或數個通道相連。通道方向與渦流室相切。渦流室容積約占整個燃燒室容積的50%~80%，通道的面積為活塞面積的1.2%~3.5%。噴油嘴安裝在禍流室內，燃油順渦流方向噴射。在壓縮過程中，氣缸中空氣經過通道流入渦流室，形成強烈的渦流，使噴入渦流室中的燃油形成混合氣。

當渦流室中著火燃燒後，其中的氣體壓力、溫度迅速升高，將渦流室中末燃燒的燃料、空氣及燃氣一起經過通道流入主燃燒室中，並形成燃燒渦流（二次渦流)，在主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。6.3.3間接噴射式燃燒室1、渦流室燃燒室6.3.3間接噴射式燃燒室1、渦流室燃燒室

渦流室燃燒室主要特點

(1)混合氣形成和燃燒主要是利用有組織的強烈壓縮渦流；

(2)混合氣形成品質對轉速變化不敏感；

(3)充氣效率較高；

(4)壓力升高率較小，運轉平穩；

(5)節流損失和散熱損失大，冷起動困難，燃油消耗率較高；

(6)NOX、HC和微粒排放比直噴式柴油機低。

影響發動機性能的因素

(1)渦流室的結構，其主要結構參數是渦流室容積與壓縮容積之比(VK/VC)；通道截面積與活塞面積之比(A/FP)。

VK/VC越大或A/FP

越小，則壓縮渦流越強。6.3.3間接噴射式燃燒室1、渦流室燃燒室(2)連接通道的位置當通道位置與渦流室相切時，壓縮渦流較強。流出路徑短，渦流室中氣體容易流出。(3)活塞頂部形狀主燃燒室裏有較多的空氣，為充分利用這些空氣，在活塞頂上開有導流槽和凹坑。影響發動機性能的因素6.3.3間接噴射式燃燒室2、預燃室燃燒室

燃燒室分為兩部分，主燃燒室和預燃室，兩者之間由一個或數個通道相連。噴油嘴安裝在預燃室中心線附近。由於連接通道不與預燃室相切，所以並不產生有組織的強烈渦流，但空氣流過通道產生強烈湍流，空氣湍流使一部分燃料霧化混合。著火後，預燃室中壓力、溫度迅速升高，利用這部分燃料燃燒的能量將預燃室中的混合氣高速噴入主燃燒室，並在主燃燒室內造成空氣運動（燃燒渦流），促使大部分燃料在主燃燒室內混合燃燒。

預燃室燃燒室的經濟性差，現代壓燃式發動機基本上不採用。6.3.4改進直噴式燃燒室紊流直噴式燃燒室

由於進氣渦流對充氣效率有影響，因此發展出紊流直噴式燃燒室。小松105系列柴油機MTCC燃燒室(MicroTurbulenceCombustionChamber)比較有代表性。燃燒室凹坑的上部為四角形，下部為圓形，上下部連接處經切削加工，過渡圓滑。設計目的是利用紊流增加緩燃期的燃燒速率，以推遲噴油提前角，使速燃期爆發壓力和溫度下降，減少NOX，工作柔和。6.3.4改進直噴式燃燒室紊流直噴式燃燒室

由於進氣渦流對充氣效率有影響，因此發展出紊流直噴式燃燒室。小松105系列柴油機MTCC燃燒室(MicroTurbulenceCombustionChamber)比較有代表性。燃燒室凹坑的上部為四角形，下部為圓形，上下部連接處經切削加工，過渡圓滑。設計目的是利用紊流增加緩燃期的燃燒速率，以推遲噴油提前角，使速燃期爆發壓力和溫度下降，減少NOX，工作柔和。第五章柴油機混合氣形成與燃燒5.3典型柴油機燃燒室5.3.4改進直噴式燃燒室紊流直噴式燃燒室

在四角形凹坑和圓形凹坑的交界面上，底部的氣流旋轉速度高，上部氣流旋轉受到四角形阻礙，旋轉速度下降，存在著氣流速度差，產生紊流；上部四角形凹坑的四角處氣流（小渦流）旋轉方向與中間氣流（大渦流）的方向相反，也產生紊流。燃油對著交界面噴射，先通過低速大渦流區，然後通過紊流區，最後到達下部高速大渦流區。第六章柴油機混合氣形成與燃燒