第三章 柴油机汽油机混合气形成和燃烧

1、,第三章,柴油机混合气形成和燃烧,柴油机与汽油机相比主要有如下特点：,将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动实现破碎雾化、吸热蒸发，达到充分混合。 特点： 喷射压力2030MPa 对喷雾要求高(多孔喷嘴)燃烧易于完全，经济性好. 对气流要求不高后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速p，pmax工作粗暴，NOx较高。 主要用于大、中型柴油机。,一、形成混合气的两种基本形式,3.1 柴油机混合气形成,空间雾化,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

2、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： 对燃料喷雾要求不高(采用单、双孔喷嘴)，对空气运动要求高，NOx较少，HC较高。 空间雾化混合气先着火点燃剥离油膜，放热先缓后急p ，pmax工作柔和，噪声小，经济性好. 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。单独采用油膜蒸发方式的内燃机日趋渐少。,油膜蒸发,二、燃料的喷雾,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 雾化后:299107个，d

3、=40m，S=1.5106mm2 面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加。,喷雾的作用,油束的形成及特性, 1.油束的形成 燃油喷射高压(1225MPa)高速(100300m/s) . 一级雾化：气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。 特点：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

4、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。, 1.油束射程L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 反映油束的紧密程度。 孔式喷嘴油束松散，粒细； 轴针式喷嘴油束紧密，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。,喷雾特性,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

5、.喷油延迟角 喷油提前角开始喷油上止点的曲轴转角。 上止点停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角： 2.喷油延迟角对性能的影响 喷油持续时间长，工作柔和，但油 耗增大，排放变差。 喷油持续时间短，油耗下降，排放 好，但工作粗暴。,喷油规律,3.喷油延迟角的比较 先急后缓 工作粗暴； 油耗，排放差。 先缓后急 工作柔和； 油耗，排放好尽量采用.,1.孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:16个，=0.250.8mm 。 孔数越多，孔径越小，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。=13mm ，通道间隙 = 0.0250.05 mm 。 雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。,喷油嘴构造

6、,1.进气涡流使进气气流 相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。 切向气道特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小v。 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 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。,三、气流运动对混合气形成的影响,气流运动的作用,气流运动,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：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

7、.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，气 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。,热混合作用,1.刚性涡流涡流中心 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，壁面处速度为零。 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，压差力使质点向中心运动。 若为质点密度，为空气密度。 当= 时，质点作圆周运动。 当时，离心力为

8、主，质点呈螺旋形向外运动。,当 400，向外运动。 燃烧产物： 0.3，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。,柴油机燃烧过程的特点 1.范围：着火过程和燃烧过程，从开始喷油燃烧完 2.时间：极短，高速柴油机只有310ms； 3.空间：很小，小功率柴油机的只有2060ml； 4.燃烧方式：反应物很不均匀且与燃烧产物同处一 室，压缩自燃和多源着火。 柴油机燃烧的主要研究方向 1.喷油雾化 2.喷油规律 3.气流运动 4.燃烧室结构 四者配合要好。,第二节 柴油机燃烧过程,1喷油嘴针阀打开向缸高压喷油. 此时，缸内温

9、度虽已远远超过柴油的自燃温度(可达400800)，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：i=0.00070.003s；对应的曲轴转角称为着火延迟角i 。尽管着,一、燃烧过程,滞燃期12(着火延迟角),火延迟期很短，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，随喷随燃. 3最高压力点。 为表示23阶段压力升高的急骤程度，引入压力升高率概念： kpa/A p，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 p ，pmax做功不利，

10、柴油机性能。 i p ，p300500 kpa/A,速燃期23,4最高温度点，T4=Tmax=17002000，大部分燃油在此燃烧，放热量达7080%。喷油在这一阶段停止. V ，p ，接近等压燃烧，废气量，氧气、燃油量燃烧速度。,缓燃期34,补燃期45,5放热量达9597%。补燃期属于膨胀过程。补燃期t，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，补燃要比汽油机严重。,60 40 20 0 20 40 60 80,，进气温度、采用增压pc，Tci lni i。,二、影响着火延迟期i的因素,压缩温度和压力直接影响因素, 虽然喷油时的压力较高

11、，但着火时刻推迟，使燃烧 pc，Tc i; pc，Tc i。 所以，有一个使i 为最小的。 高速时:imin=1015 A; 低速时:imin=510 A 一般： =510 A；,喷油提前角影响最大的因素,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i。 但n 着火延迟角i。,转速n,十六烷值CN,CN柴油自然性缸内p，T大时，影响不大 缸内p，T小时i。,增压,增压pc，Tci。,三、着火延迟期i对柴油机性能的影响,ii期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量p，pmax。 i p ， pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 i混合气形成欠佳柴油机性能。,一、燃

12、油喷射,柴油机供油系统组成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）。 喷油过程,第三节柴油机供油系统的工作特性,柴油机的燃油喷射、气流运动和燃烧室结构三者之间的匹配情况对柴油机的燃烧过程和整机性能有重要影响。有关气流运动和燃烧室结构方面问题将结合柴油机的燃烧室一起讨论，本节仅讨论燃油喷射对燃烧过程的影响。燃油喷射的情况取决于供油系统的工作特性。,喷油过程,喷油泵以在柱塞开始关闭进油孔的瞬间作为供油始点，泵油室里的燃油被压缩而压力升高，当泵油室里的压力超过出油阀弹簧和高压油管中残压Pr的联合作用时,燃油进入高压油管。此时喷 油器并不能马上喷油，当喷 油器内的压力升高到超过针 阀开启

13、压力p0时，针阀才打 开将燃油喷入气缸。所以喷 油器的实际喷油始点落后于 喷油泵的供油始点，从柱塞 开始关闭进油孔到针阀打开 的时间称为喷油延迟，由于 喷油延迟使实际喷油提前角 比几何供油提前角要小。在 针阀打开过程中，一部分燃,油喷入气缸，虽然喷油器内的压力将下降，但喷油泵端柱塞继续上升压油，所以喷油泵端的压力仍继续上升。 当柱塞斜槽打开回油孔时，最初由于开度小有节流 作用，泵油室中的压力并不会立刻下降，当回油孔开大 时，喷油泵端的压力才急剧下降。而喷油器端的压力下 降较喷油泵端迟，当喷油器处的 压力降到低于针阀落座压力ps时 针阀关闭，便停止喷油。 泵油室中压力下降到出油阀 落座压力时，出

14、油阀关闭，燃油 便停止进入高压油管。喷油器针 阀在开启和关闭时，由于燃油的 压力波动，可能使针阀产生振动， 并有可能引起不正常的喷射。,由于燃油具有一定的可压缩性，高压供油系统工作过程中将不断出现压力波的传播。压力波的传播需要时间，压力波的反射、叠加等将造成实际喷油过程(喷油规律)与柱寒供油过程(供油规律)的差别。 几何供油规律指从几何关系求出的油泵凸轮每转1(或每秒)喷油泵泵入的燃油量(mm3/deg泵轴或mm3/s)随凸轮转角 (或时间t)的变化关系。由于它纯粹是由几何关系决定的，因此只要知道柱塞的运动特性即可求得: 式中：fp为柱塞面积 mm2； wp为柱塞速度 mm/s或mm/deg泵

15、轴。,儿何供汕规律和喷油规律,喷油规律是指在喷油过程中每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油里随时间或泵轴转角的变化关系，即:,左图是一台国产高速大功率柴油机的供油规律与喷油规律。两者曲线形状有较大差异。,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。,节流作用,二、喷油泵速度特性及其校正,喷油泵速度特性,喷油

16、泵速度特性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g。,车用：希望ngMe(例如：低速大负荷工况). 喷油泵速度特性：ngMe。 因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正.,车用柴油机要求的适应性,出油阀校正,在减压带开始下落到密封锥面落 座这段时间内，高压油管中增加的容 积为d2h/4，即为减压容积。若减压 容积能随转速发生变化，则可改变或 控制高压油管中的残余压力，从而改 变喷油泵的速度特性。,1.可变减压容积 要使减压容积随转速发生变化,只要使减压带高度h能随转速变化即可。 方案1：出油阀尾部开楔形槽(4条，向阀顶逐渐变浅) nV燃油冲击减压环 带的力减压

17、环带升程 (节流作用) 断油时间提 前相当于h的增大高 压管的减压容积 g。 方案2：用中心的小孔节流作用 取代前者的楔形槽。 原理同前。,2.可变减压作用 利用减压带凸肩与阀座内孔间的不同配合间隙得到不同的减压作用。小油泵：0.0250.076mm，大油泵可达：0.18mm。 原理回油孔打开高压油管泵端油压 输油泵压力减压环带开始落座高压油管泵端部位出现低压区虽有喷嘴端燃油迅速回流填补，但减压带与阀座孔间存在间隙泵腔内燃油回流到高压油管内减压作用削弱. 工作情况n出油阀落座快，时间短泵腔回流燃油量(节流作用较大)减压带的减压作用 g.n出油阀落座慢，时间相对增长泵腔回流燃油量(节流作用较小)

18、 减压效果 残余压力升高g.,3.出油阀校正总结： 可变减压容积和可变减压作用。 n节流作用gMe。 即使经过出油阀校正，柴油机的扭矩Me曲线仍比汽油机的平缓。 可使循环供油量曲线变得较平坦，但若要适合于车用，还需进行调速器校正。,调速器校正,ngMe。 在第六章发动机特性中介绍。,三、不正常喷射现象,原因：n或高负荷高压油管内压力针阀、出油阀落座速度快反弹能力也较大系统内形成油压反射波当油压反射波与前进波(供油波)叠加针阀开启压力针阀二次开启，形成二次喷射。 危害：喷射时间雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污，炭烟，喷孔积炭，零件过热。尽量避免。 影响因素：加大柱塞直径、凸轮形线过陡，提高喷

19、油速度，增加柱塞速度、提高喷油压力，喷孔直径过小、出油阀减压环带凸缘磨损等都会增加二次喷油的趋向,二次喷射,出油阀减压环带凸缘与座孔间隙过小、出油阀弹簧减弱减压作用 高压油管残压 进入喷油嘴燃油量不稳定喷射延迟 低负荷和怠速不规则喷射可能性。喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。,断续喷射,喷油泵供油速度过小，喷射系统容积过大，使供油脉冲传不到针阀处，或油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。只有隔几个循环才喷一次，造成低负荷和怠速运转不稳定。,隔次喷射,4.4 柴油机的燃烧室,燃油喷射、气流运动和燃烧室结构三者之间的匹配是完善燃烧过程的关键所在。有关气流运动问题在本节将

20、结合柴油机的燃烧室一起讨论。,一、柴油机燃烧室的分类,结构特点：位于活塞顶部，具有统一空间的燃烧室. 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 型 球型 复合式（U型）,直喷式,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。,分隔式,二、直喷半开式燃烧室,1.半分开式燃烧室组成：活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，基本上分为二个空间：活塞中的燃烧室容积Vk及活塞顶上的余隙容积V。 2.对气流要求较高，对燃油系统 的要求降低。混合气的形成一方 面依靠喷雾质量，另一方面利

21、用 进气涡流和挤流使燃烧室内产生 空气运动。,1.应用：黄河JN151，6135Q；日野ED100，6128等。 2.混合气形成方式：螺旋或切向进气道，空间雾化。 3.主要结构参数： 口径比dk/D =0.40.6; 式中：dk为燃烧室喉口直径；D为缸径; dk/D，油束射程燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率。dk/D，油束射程,气流运动燃油喷在燃烧室壁面上，雾化差。 Vk/Vc=0.750.85 式中：Vk为燃烧室容积;Vc为活塞位于上止点时的压缩容积。 Vk/Vc空气利用率，散热面积燃烧好。所以，希望Vk/Vc尽可能大。,型,4.主要特点 长型多孔(35个)喷嘴，孔径d=0.250.4mm

22、。针阀开启压力19.6MPa，喷雾夹角140160。 i工作粗暴。 1.3，大空气利用率空气停留时间NOx. 结构简单紧凑，散热面积，冷起动性好，经济性好,的改进型,1.四角型 日本五十铃公司研制。 主要特点： 四孔喷油嘴，燃油喷射在四角。 油束沿气流方向下游燃料分布多，上 游燃料分布少，使整个燃烧室内雾化均匀。,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.主要特点 螺旋进气道，进气涡流强。 采用单孔喷嘴=0.50.7mm，或双孔喷嘴=0.30.4 mm。喷嘴与缸盖平面成70

23、夹角，沿顺气流方向喷射。 由于油膜的隔热作用，缸壁温度合适，200350。 值较小，=1.1左右，空气利用率。 p，pmax，工作柔和，噪声小。经济性、动力性好. 冷起动性和低速性差，排污严重。 Dg油膜厚度蒸发不完全，燃烧恶化。,球型,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。 3.主要结构参数：参阅型燃烧室。 4.主要特点 喷油基本垂直于气流方向（顺7）雾化好。 采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。 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 p ，pmax，工作柔和，噪声小。气流运动起

24、重要作用。 高速性能较差，对增压适应性差。 喉口热负荷高。对进气道、挤气间隙S0敏感。,复合式(U型),三、分隔式燃烧室,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，副燃烧室位于气缸盖内，中间用通道连接。,涡流室型,1.应用: BJ130，495Q型柴油机等。 2.混合气形成方式：热混合。 3.主要结构参数 通道与涡流室相切，产生压缩涡流。喷油器安装在涡流室中，顺气流方向喷射。,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。在强烈的涡流作用下，燃烧产物(密度小于空气)被卷向涡流室中央，将新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后，涡流室中