第五章 柴油机混合气的形成与燃烧.ppt

1、1,第五章 柴油机混合气的形成和燃烧,本章要求： 了解：柴油机有害排放物和燃烧噪声生成机理， 柴油机燃烧室的分类、特点。 理解：影响燃烧的因素和改善措施。 掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程， 柴油机的喷射与雾化。,2,柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同： 汽油机 柴油机 混合方式： 着火燃烧： 进气涡流：,缸外混合（少数缸内） 缸内混合 （混合时间长） （混合时间短）,点燃、预混合燃烧 压燃、扩散燃烧 （着火时间、地点可控） （着火时刻、地点不可控）,加速火焰传播 促进燃油与空气混合 防止爆燃 加速燃烧,3,第1节 燃油的喷射与雾化,指从喷油泵开始供油到喷油器停止喷油的全过程。,包括：

2、喷射延迟、主喷和喷油结束三个阶段。,一、喷射与雾化 1、喷射过程：,柴油机的燃烧过程取决于混合气的形成，而后者又取决于燃料的喷射与雾化、缸内的气流运动和燃烧室的结构。,4,1）喷油延迟：,从喷油泵柱塞关闭进油孔瞬间到喷油器针阀升起（喷油开始）。,供油提前角G,喷油提前角P,喷油延迟角=G-P,喷油延迟角随发动机转速的提高和高压油管长度增加而增大。,*思考：供油（或喷油）提前角过大或过小会产生什么问题？,5,2）主喷油： 3）喷油结束：,从喷油器开始喷油到喷油器端压力开始急剧下降。,持续时间取决于喷油泵柱塞的有效行程。,从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油。,由于喷油压力低，雾化差，希望

3、断油迅速、彻底，以减少这一阶段的喷油量。,6,2、供油规律和喷油规律：,分别指供油速率和喷油速率随凸轮转角或时间的变化规律。,两者的特点：,1）供油规律决定喷油规律；,2）喷油持续时间大于供油时间；,3）喷油时刻落后于供油时刻；,4）循环喷油量少于循环供油量；,5）最大喷油速率低于最高供油速率；,6）喷油规律较供油规律明显畸变。,7,造成喷油规律与供油规律差异的主要原因：,1）燃油的可压缩性：,2）压力波传递的滞后：,产生压力波并使循环供油量大于循环喷油量。,3）压力波动：,喷油时刻落后于供油时刻（高压油管越长、转速越高，落后角度越大）。,造成喷油规律明显畸变。,4）高压容积变化（高压油管和两

4、阀）：,主要造成循环供油量大于循环喷油量。,*思考：喷油规律的影响因素主要有那些？,（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）,8,3、喷雾特性与雾化特性：,燃油雾化：,指燃油喷入燃烧室后被破碎成细小液滴的过程（喷雾越细越好）。,油束几何形状：,1）油束射程（贯穿距离）L,2）喷雾锥角或油束最大宽度B,在喷油压力和喷孔不变的前提下，喷雾锥角越大，雾化好，但贯穿距离L会相应减小。,希望L和都要大,9,3）贯穿率：,指油束贯穿距离与喷孔轴线到燃烧室壁面距离的比值，即L/R。,当贯穿率1时，,会有部分燃油喷射到燃烧室壁面上，,故一般直喷式柴油机采用较小的贯穿率。,10,影响油束几何形状的主要

5、因素：,1）喷射压力,2）喷油孔的长/径比,3）介质反力（取决于空气密度或压力）,喷射压力增大，L和增大，雾化效果越好。,长/径比增大，L增大而减小。,压缩终了压力越大，增大（雾化好）但L减小。,11,油束的雾化质量：,指油束中液滴的细度和均匀度。,1）平均粒径：,2）索特粒径：,所有油粒直径的算术平均值。,（无法表示不同油粒的分布情况）,所有油粒总体积与总面积之比。,在循环供油量相同的情况下: SMD值越小，雾化效果也就越好;,若SMD相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也就基本相同。,12,3）粒径分布：,表示油粒大小及其分布。,1-油粒细而均匀,2-油粒粗细不均匀,3-油粒粗但均匀,粒

6、径分布与喷射压力、喷射背压和喷孔直径有关。,13,4、不正常喷射：,1）二次喷射：,喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次开启的喷油现象，,危害：,首先，喷射压力小，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增加且易积碳而堵塞喷孔；,其次，在燃烧后期喷入，后燃严重，经济性下降且加重高温零件的热负荷。,*思考：可采取那些措施避免二次喷射？,（加大针阀弹簧刚度、增大减压容积和喷孔直径、减小高压油管直径和长度）,二次喷射,易发生在高速、大负荷工况下。,14,2）断续喷射：,喷油泵供油跟不上喷油针阀流通截面上的出油量，而造成的针阀周期性的跳动。,危害：,加重针阀偶件的磨损。,*思考：可采取那些措施避免断续喷射？,（

7、加大供油速率（提高柱塞平均运动速度和直径，改善油泵凸轮型线）、减少针阀直径和喷孔直径）,断续喷射,易发生在低速、小负荷区。,15,3）不规则喷射和隔次喷射：,由于供油量过小，造成每循环供油量不均匀，甚至有些循环不喷油的现象。,危害：,使怠速工况不稳甚至停车（只能采用较高的怠速转速）。,*思考：可采取那些措施避免不规则喷射？,（加大柱塞直径，减小针阀弹簧刚度（慎用），减少高压容积）,易发生在怠速工况下（或者喷油设备偶件过度磨损）。,16,4）喷油器滴漏：,喷射终了时，仍有燃油流出的现象；,危害：,由于是流出，雾化极差，易积碳和堵塞喷孔。,*思考：可采取那些措施避免滴漏？,（增加针阀刚度，减小针阀

8、压力室容积及喷孔面积，增大出油阀减压容积）,产生的原因：,一是系统压力不能迅速下降，导致针阀落座速度慢；,二是针阀下压力室容积过大，燃油受热膨胀后溢出；,三是针阀偶件磨损造成漏油。,17,5）穴蚀：,是由于高压油路中油压低于燃油蒸汽压，产生气泡和气泡破裂所至。严重危害系统的正常工作和使用寿命。,减压阀减压速度过快或喷油孔面积过大。因而可采取减少减压容积和喷孔面积的方法来消除穴蚀（但要避免出现二次喷射）。,产生的原因：,18,第2节 燃烧与放热,1、着火落后期（滞燃期，A-B）,一、柴油机燃烧过程,2、速燃期（急燃期，B-C）,3、缓燃期（C-D）,4、补燃期（后燃期，D-E）,19,1、着火落

9、后期（滞燃期，A-B）,从燃油开始喷入燃烧室到开始着火燃烧（压力线明显脱离纯压缩线而急剧升高）,原因：,物理准备、化学准备,影响因素：,压缩比（压缩终了温度与压力） 十六烷值,20,2、速燃期（急燃期，B-C）,从开始着火燃烧到压力达到最高点（最高爆发压力，通常喷油在此阶段结束）。,特点：,着火落后期内形成的可燃混合气在上止点附近多点着火迅速燃烧。,21,压力升高率的影响因素：,综合来讲，希望 不超过0.4MPa。,动力性,运转平稳性,压力升高率对性能的影响：,越大,排放性,越好,越差,越差,着火落后期内形成的可燃混合气数量,*思考：如何控制压力升高率？,22,3、缓燃期（C-D）,从压力最高

10、点到温度最高点。,特点：,1、大部分燃油在此期间燃烧（放热量占70-80%），并出现循环最高温度Tmax=1600-2000； 2、由于活塞于下行，作功效率差； 3、燃烧产物多，氧浓度低，燃烧速度很慢； 4、高温缺氧燃烧，是生成碳烟的主要阶段。,23,如何改进缓燃期燃烧性能：,从其特点来看，第1条是必然性的，只能着手于2、3、4条。,1、加快混合，缩短缓燃期燃烧时间； 2、采用大的过量空气系数（1.2以上）。,24,4、补燃期（后燃期，D-E）,从温度最高点直到燃料基本燃烧完。,特点：,1、远离上止点放热，排温高、热负荷严重（高速大负荷尤为严重）； 2、部分碳烟等不完全燃烧产物在此期间被氧化。

11、,改进：,加速混合、缩短后燃期,25,二、燃烧过程中存在的问题,混合时间短+废气干扰,边喷、边混合、边烧,1、混合气形成困难，燃烧不完全,改进措施： 加速空气运动 组织进气涡流、压缩涡流等 采用大的过量空气系数（1.2） 在进气不变的情况下意味着少喷油，动力性下降，与提高动力性相矛盾。,26,速燃期压力升高率大，燃烧噪音大，运转稳定性差。,2、燃烧噪音、运转稳定性,改进措施： 减少着火落后期内形成的可燃混合气数量 缩短着火落后期 高压缩比（提高温度与压力）、高十六烷值 减少着火落后期的喷油量 先缓后急的喷油模式,但是通过降低压力升高率来控制燃烧噪音、改善运转稳定性的同时会降低最高爆发压力，使动

12、力性下降。,27,三、燃烧放热规律,1、定义：,燃烧放热快,放热速率,累计放热百分比,燃烧放热规律,意义：,压力和温度升高快,因此，燃烧放热规律直接影响到柴油机的工作性能。,放热规律的测定：,28,（1）放热始点,燃烧放热规律,（在持续期和速率曲线不变的情况下）,放热始点（起点） 放热持续期 放热曲线形状,始点提前：,放热规律三要素：,压缩负功增大、热效率降低；,始点推迟：,压力升高率和最高爆发压力小，热效率低且后燃严重。,2、理想放热规律,29,1）喷油提前角,放热始点的控制：,通常是以最大功率和最小油耗为目标。,燃烧放热规律,2）着火落后期,具体措施：,转速、负荷，相应提前角应加大。,缩短

13、着火落后期，以减少预喷油量。,提高压缩终了的压力与温度,（增压柴油机噪音小的原因）,30,（2）放热持续期与放热曲线形状,最高爆发压力、温度 和压力升高率大,燃烧放热规律,动力性好、效率高 但噪音、运转稳定性和排放性差,（在总放热量不变的情况下）,持续期越短、曲线越陡,31,放热持续期的控制：,1）喷油持续时间,2）燃烧时间,混合快慢,加强汽缸内的空气运动,放热曲线形状的影响：,放热先快后慢,放热规律对示功图的影响,放热先慢后快,效率高、但工作粗暴、NOX排放高,效率低、但工作柔和、排放好,32,第3节 混合气形成与燃烧,1、缸内形成 2、时间极短 3、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空

14、气涡流运动三方面配合,柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：,喷雾雾化,空气运动 燃烧室结构,加快混合气的形成是保证及时、完全燃烧（汽油机是提高火焰传播速度）,混合气形成特点:,一、混合气形成特点,33,二、混合气形成方式,空间雾化混合 油膜蒸发混合,1、空间雾化混合：,将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流进行混合。,混合效果主要取决于：,喷雾特性、空气涡流,空间雾化混合,涡流混合的作用：,过弱,混合效果差,过强,使燃烧产物与邻近喷雾重叠,a、促使油束分散,b、实现热力混合,34,空间雾化混合的特点：,优点：,喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、效率高。,缺点：,初期形成混合气过多，使压力、温

15、度急剧上升，发动机工作粗暴（噪音大），NOx排放高；若减少初期喷油量，将导致后期高温裂解严重，碳烟增加。,2、油膜蒸发混合：,将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气的形式与空气涡流混合（一般用于球形燃烧室）。,混合效果取决于：,燃烧室壁面温度、空气涡流,油膜蒸发混合,混合快慢取决于喷雾特性和空气涡流,35,油膜蒸发混合的特点：,优点：,初期形成混合气量少，发动机工作柔和、NOx排放少；燃烧过程中，燃烧始终是蒸发后与空气混合，避免了高温下油滴的裂解，碳烟排放低。,低温蒸发速度慢，冷起动性能差；对工况变化的反映能力差；另外，对涡流变化敏感，且热效率也不及空间雾化混合方式。,缺点：,混合快慢取决于燃烧室

16、壁面温度和空气涡流,在车用柴油机中，通常是上述两种方式共存，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室以油膜蒸发混合方式为主。,36,三、缸内气流运动,1、涡流：,主要可分为：涡流、挤流、滚流和湍流。,分进气涡流、压缩涡流和燃烧涡流三种。,（1）进气涡流：在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的气流运动（通常人为组织）。,进气涡流,涡流比 ：,涡流转速与发动机转速之比（用于衡量涡流强度）。,37,切向气道,螺旋进气道,进气涡流的组织：,a、切向进气道：涡流比通常为1-2，适用于对涡流强度要求不高的发动机；,但是：进气涡流会增大进气阻力，降低进气充量。,b、螺旋进气道：涡流比为2-4，适用于涡流强度要求较高

17、的发动机。,38,（2）压缩涡流：,进气过程中不组织涡流，而是在压缩过程中，在涡流室内产生涡流运动（会影响压缩功和热效率）。,（3）燃烧涡流：,涡流室型燃烧室， 燃烧过程中由于压力差产生的涡流（会影响热效率）。,压缩涡流,燃烧涡流,39,2、挤流：,压缩过程中，气缸内空气被挤入活塞顶部燃烧室凹坑而形成的挤压涡流运动。,3、滚流：,进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线旋转的气流运动（通常人为组织）。,进气滚流,由于气流会引起能量损失，且高速与低速时差异较大，难于精确控制，故现代柴油机倾向于高压直喷方向发展。,40,四、柴油机燃烧室,1、直喷式：开式（浅盆型）和半开式（型、球型）。,（直喷式与分隔式）

18、,（1）浅盆形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比0.7）,浅形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,空间雾化为主，故采用较多的喷孔数（7-12）和较高的喷射压力；一般不组织进气涡流，要求贯穿率1。,动力性、经济性和起动性好；,通常用于缸径较大、转速较低的发动机。,最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、NOx和碳烟排放高。,缺点：,41,（2）形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比0.7）,形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,空间雾化混合为主，采用多孔喷嘴(4-6)，组织一定进气涡流和挤流，以加速混合气的形成。,动力性、经济性和起动性好，适合于高速柴油机需求；,通常用于缸径为80-140mm之间、转速4500r/min

19、的发动机。,最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、NOx和碳烟排放高，且对转速变化敏感。,缺点：,42,（3）非回转体燃烧室,结构特点：,燃烧室中特殊设计了一些边角和凹凸。,43,优点：,燃烧改善，HC和CO排放低，对转速变化不敏感。,缺点：,NOx排放较高，加工复杂，一些突出部位热负荷严重。,44,（4）球形燃烧室,球形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,油膜蒸发为主，需要强涡流保证均匀而薄的油膜的形成（通常采用螺旋进气道加强进气涡流）。,冷起动性差。,1、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数； 2、混合均匀，避免油滴高温裂解，故碳烟排放低，动力性与经济性较好； 3、工作柔和、NOx排放低。,缺点

20、：,45,1、燃烧迅速，经济性好； 2、面容比小，散热损失小，冷起动性能好； 3、对喷射系统要求较高； 4、半开式对进气气流有较高要求； 5、变工况适应性差，对转速敏感; 6、NOx和碳烟排放高； 7、压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴。,直喷式燃烧室特点：,46,2、非直喷式（分隔式）：,涡流室燃烧室,预燃室燃烧室,1、二次涡流或湍流（压缩和燃烧）加速混合，抑制碳烟的生成；,4、对进气涡流和喷雾要求低；,特点：,2、浓稀两段混合燃烧，抑制了NOx的生成，且燃烧柔和，噪音小；,3、散热与节流损失大，冷起动性与经济性差；,5、涡流室适合于高速柴油机；,6、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数

21、。,47,第4节 燃烧过程的优化,柴油机燃烧优化的难点：,一、燃烧过程优化的基本原则,1、动力性、经济性、运转稳定性（噪音）、排放性的改善往往相互矛盾；,2、车用柴油机工作范围广泛，对油-气-燃烧室三者间的配合影响很大。,燃油雾化、空气运动、燃烧室结构,48,柴油机燃烧优化的一般原则：,1、控制着火落后期内形成的混合气数量,2、合理组织燃烧室气流运动,动力性、经济性与燃烧噪音、NOx排放的折中,加速混合与燃烧、避免局部过浓,充量降低、损失增大,3、紧凑的燃烧室结构（F/V要小）,减少散热、提高空气利用率,减少余隙容积,49,4、运转参数的优化（喷油提前角、喷油规律、压缩比、配气相位、增压比、EGR率等）,喷油提前角,过大：,过小：,转速、负荷越大,着火落后期长，工作粗暴、动力性、经济性和排放性（NOx）变差；,不能在上止点附近燃烧，动力性与经济性差、同时碳烟排放