第三章 柴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,重点：燃料的喷射与雾化； 使用因素对燃烧过程的影响； 燃烧室。 难点：使用因素对燃烧过程的影响；,第一节 柴油机混和气形成,一 、两种基本形式 （一） 空间雾化 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 排气冒烟。 3 .但初期空间分布燃料多，燃烧迅速 ， 工作粗暴。,（二） 油膜蒸发 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

2、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。 2.放热先缓后急 ， 工作柔和，噪声小，经济性较好。 3. 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。,二、 燃料的喷雾 （一） 喷雾的作用 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。 1 mL燃油（球体） 油滴: 1 个， d

3、 = 12mm，S = 576 mm2 雾化: 3107 个，d = 40 m，S = 1.5 105 mm2 面积增大 2604 倍，燃烧反应机会大大增加。,（二） 喷雾的形成及着火条件 1、油束 燃油喷射 高压、高速。 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。 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。,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，

4、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。,经历一段时间，油粒变小，在油粒外形成一层燃料与空气的混合气，接近油粒表面的混合气燃空比较高，由于蒸发需要吸收汽化潜热，所以这里的温度T较低。随着离开油粒表面的距离增加，混合气的燃空比降低，温度升高，图中的曲线分别表示燃空比和温度的变化情况。,试验表明，发火地点不在燃空比较高的油粒表面附近，也不在远离油粒表面的稀混合气的地方，而是在离开油粒表面一定距离、混合气燃空比适当而温度足够高的地方，这里的反应速度w较高.,温度,浓度,着火必须具备两个条件,（三） 喷雾特性 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

5、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。,（四） 喷油规律 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。 a ）先急后缓 工作粗暴 油耗 , 排放差。 b ）先缓后急 工作柔和 油耗 , 排放好, 尽量采用，但很难做到。,（五）影响

6、油束特性的因素,1）喷油嘴构造,a） 孔式喷嘴 主要用于直喷式燃烧室中。 孔数: 15个， = 0.250.8 mm2。 雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。 b）轴针式喷嘴 主要用于分隔式燃烧室中。 = 13 mm2，通道间隙 = 0.0250.05 mm2。 雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。,2）喷油压力 压力燃油流出速度扰动程度和介质阻力 雾化细度及均匀度雾化质量 压力喷油器涨裂且磨损制造要求 3）介质反压力 介质密度反压力作用在油束上的空气阻力雾化有所改善（喷雾锥角增加、射程缩短）,4）喷油泵凸轮外形及转速 凸轮形状较陡或转速较高时，均使喷油泵的柱塞供油速度加快，由于节流

7、作用会使油管中的燃油压力增加，从而使喷油速度增大， 因此雾化变好，油束射程和喷雾锥角均有所增加。,三、空气运动对混合气形成的影响 （一） 气流运动的作用 空气运动可以促使油束分散，增大混合的范围。,（二） 气流运动 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 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

8、，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,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。,（三） 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

9、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 质点密度， 空气密度。 当 = 时， 质点作圆周运动。 当 时， 离心力为主，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。,第二节 柴油机的燃烧过程,燃烧过程包括着火过程和燃烧过程； 范围：从压缩末期燃油开始喷入气缸到膨胀行程燃烧终点为止。 （一） 燃烧过程的特点 1、高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。 2、压缩自燃。 （二） 柴油机燃烧的主要研究方向 1、喷油雾化 2 、喷油

10、规律 3、气流运动 4、燃烧室结构,混合气形成,着火,燃烧,产物,滞燃期,物理延迟,化学延迟,燃油喷雾,燃烧,燃油的 先期氧 化反应,燃料空气混 合物的氧化,完全燃烧产物： CO2、H2O、 SO2等,燃料热分解,局部 着火,油粒与空 气混合,不完全燃烧 （温度过低 或混合物过 稀过浓）,燃油蒸发,燃油蒸气与 空气混合,完全燃烧 （温度、氧 浓度合适）,不完全燃烧 产物：CO、 碳烟、HC、 燃料蒸气等,不完全氧化和 热分解生成物 与空气的混合,空间,油膜,滞燃期,速燃期,缓燃期,补燃期,6,一、燃烧过程进行情况 分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。 1）滞燃期（着火延迟期） 1 喷油

11、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 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: = 0.00070.003 s；对应的曲轴转角称为着火延迟角。 尽管着火延迟期很短，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）速燃期 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 点最高压力点。 。 为表示23阶段压力升高的急骤程度，引入概念 平均压力升高率: kpa/degCA ， 冲击载荷，工作

12、粗暴，柴油机寿命 ， 做功不利，柴油机性能,3） 缓燃期 34 4点最高温度点。 17002000 。 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。 4）补燃期 45 5 点放热量达9597%。 补燃期在膨胀过程中。 补燃期 ， ，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。,二、着火延迟的影响因素 （一） 压缩温度 和压力 直接影响因素,， ln ,（二） 压缩比 （三） 喷油提前角 影响最大的因素, ， , ， 高速时: 1015 degCA 低速时: 510 degC

13、A 一 般: = 510 degCA ,（四） 转速N,n 漏气、散热损失 ， ； 喷油压力 雾化；气流运动 蒸发 混合气形成好转 。 但n 着火延迟角 （2n ）,（五） 十六烷值,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 。,（六） 增压 增压 ， ,三、 着火延迟期对柴油机性能的影响 1.着火延迟期对燃烧过程的影响 1）对最高燃烧压力和最大压力升高率的影响 期间喷入缸内的燃料量 着火前可燃混合气量 ， 。 ， 冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 混合气形成欠佳 柴油机性能,2）对示功图图形的影响,当燃料相同而喷油提前角不同时，即喷油时气缸内的温度和压力不同，喷油提

14、前角大时，着火延迟长，示功图图形大，压力、温度、压力升高比高，有时甚至会发生燃烧压力振荡。,当喷油提前角相同而燃料的着火延迟期不同时，则i短的示功图图形大而丰满， i长的燃料示功图小，峰值低而后移，后燃严重。,3）对放热规律的影响 燃烧放热率随曲轴转角 变化的关系。 由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。,线2的滞燃期较长，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较多，导致预混合燃烧的放热峰值较高，而其扩散燃烧时的放热曲线稍低。 线1的滞燃期较短，从而在滞燃期内积存的可燃混合气量较少，所以其预混合燃烧放热峰值较低，而扩散燃烧阶段的放热阶段的放热曲线稍高。,2.着火延迟期对柴油机性能的影响 1）对平

15、均有效压力和功率的影响,i iop时，着火延迟期过短，最高燃烧压力在上止点前过早出现，使压缩过程中消耗的负功过大，散热损失增加，使Pe下降；,i iop时，示功图的峰值位置将在上止点后过迟出现，燃烧过程推迟，热效率降低，使Pe下降；,2）对燃油消耗率的影响 存在一个最佳的着火延迟期！,3）对烟度和排气温度的影响,着火延迟期对排气温度的影响趋势与对燃油消耗率的影响趋势大致相同；对烟度的影响趋势则相反，着火延迟期过短，则预混合燃烧阶段烧掉的燃料量减少，而扩散燃烧阶段燃烧的燃油量增多，后燃增加，故烟度升高。,第三节 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响,一、 燃油喷射 （一） 供油系统的组成

16、 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）,柴油机燃油供给系统,滤清器,回油管,高压油管,喷油器,涡流室,油箱,油水分离器,输油泵,空气滤清器,喷油泵,分泵 回油,调速器,排气管,（二） 喷油过程 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。,（三） 喷油延迟时间 从喷油

17、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。 （四） 几何供油规律和喷油规律 几何供油规律： 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 mm3/degPA或mm3/s 随泵轴转角 （或时间 t ） 的变化关系。 ml/s , mm3/degPA 其中 柱塞面积 mm2 ； 柱塞速度 m/degPA 。 几何供油规律与喷油规律不同。 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量随时间或泵轴转角的变化关系。,二 喷油泵速度特性及其校正 （一） 节流作用 1 .理论上 （不存在节流） 上行当3点与5点重合时，开始供油。 当2点与4点重合

18、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。,（二） 喷油泵速度特性 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,（三） 车用的适应性 车用 希望n g Me （例如: 低速大负荷工况） 喷油泵速度特性 n g Me 因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正。,（四） 校正 1. 出油阀校正 可变减压容积和可变减压作用。 n 节流作用 g

19、 Me 可使循环供油量曲线变得较平坦，但若要适合于车用，还需进行调速器校正。,利用出油阀减压带凸肩与出油阀座内孔之间配合间隙可以得到不同的减压作用。,2 调速器校正 n g Me 在第六章发动机特性中介绍。,三、不正常喷射现象 （一） 二次喷射 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。 （二） 断续喷射 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。 （三） 隔次喷射 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。,原因：喷油器的结构参数选择不合理，以及油泵、高

20、压油管和喷油器三者之间的匹配不合理。 判断匹配是否合理的方法：采用静力特性曲线的形状判断。 静力特性曲线：指喷油腔内的压力Pin与通过喷孔的喷油流速c0之间的特性关系。,曲线有一个谷值A将曲线分为正斜率和负斜率段两部分。正斜率段：针阀密封锥面周围的环形通过面积大大超过喷孔总面积，且针阀到达限制位置之后的工作情况；负斜率：针阀升程尚未达到限位之前的工作情况。,第四节 柴油机的燃烧室,一 燃烧室的分类 （一） 直喷式 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） 型 （2） 球型 （3） 复合式 （

21、 U型 ） （二） 分隔式 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,3-9,二 直喷半开式燃烧室 （一） 型,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 （1） 0.40.6 其中 燃烧室喉口直径；D 汽缸直径。,，油束射程 燃油喷在燃烧室局部空间，空气利用率。 ，油束射程，气流运动 燃油喷在燃烧室壁面上，雾化差。 （2） 0.750.85 其中 燃烧室容积； 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 尽可能大。,4、 主要特点

22、 （1） 长型多孔 （35 个） 喷嘴，孔径 d = 0.250.4 mm 。 针阀开启压力 19.6 Mpa ，喷雾夹角 140160。 （2）工作易粗暴。 （3） 1.3， 大 空气利用率 空气停留时间 （4） 结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好。,（二） 的改进型 1 .四角型 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 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 ,（三） 球型 1. 应用: 黄河JN150， 6120Q-1型柴油机等。 2

23、. 混合气形成方式: 油膜蒸发 （ M过程 ） 3. 主要结构参数 ， 对球型燃烧室的影响可参阅 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 = 0.50.7 mm，或双孔喷嘴 = 0.30.4 mm。 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，200350。 （4） 值较小， = 1.1 左右，空气利用率。 （5） ， ，工作柔和、平稳，噪声小。经济性、动力性较好。 （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140 mm之内。 D g 油膜厚度 蒸发不完全，燃烧恶化。,（

24、四） 复合式 （ U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 （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 ， ，工作柔和、平稳，噪声小。 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、挤气间隙敏感。,直喷式共同特点： 1）燃烧迅速，经济性好，耗油率低； 2）燃

25、烧室结构简单，面容比小，散热损失小，冷启动好； 3）对喷射系统要求较高； 4）半开式对进气道要求较高； 5）氮氧化物排放量高； 6）对转速的变化较为敏感； 7）压力升高率大，噪声大，工作易粗暴。,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，副燃烧室位于汽缸盖内，中间用通道连接。,（一） 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 4852 % 13.5 % 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，涡流室中的压力、温度迅速升高，燃油、空气、混合气和火焰一起经过通道高速喷向主燃烧室，壁面附近的浓混合气首先从涡流室中喷出。在活塞顶部开有浅的导流槽，形成强烈的燃烧涡流，即二次涡流，加速混合气的形成与燃烧。,5 .