第五章(4节)燃烧.ppt

1、第四节 压燃式内燃机的燃烧 本小节讨论下面几个问题 一、柴油机的着火与燃烧过程 二、柴油机放热规律 三、柴油机燃烧噪声 四、柴油机的冷起动性能 燃烧动画 动画2,一、着火与燃烧过程 柴油机的缸内燃烧过程是 一个极其复杂的物理化学变化过程，其特点是：时间短暂、燃料物理化学变化复杂。目前，仍不能对其中许多细节问题给出明确答复。下图给出柴油机燃烧过程中物理化学变化大致情况。 可见，大致可以 分为： 混合气形成； 着火：燃烧；产物形 成四个过程。 其中混合气形成 和着火过程合称着火 延迟期（物理与化学 ）。 每个过程描述如 垂直所示。,（一）着火现象 1、单个油滴的着火 因柴油机是压燃着火，所以， 燃

2、料喷入燃烧室后，先分散成许多细小油滴，这些细小油滴经过复杂的物理准备（加热、蒸发、扩散与空气的混合等）和化学准备（分解、氧化等）阶段后，自行着火燃烧。下面先从介绍单一油滴的着火情况。 右图是一个油滴置于静止热 空气中的着火过程。横坐标R为 油滴半径方向，纵坐标为温度、 燃空比、反应速度等参数。 油滴蒸发过程： 空气温度为T0，油滴初始温 度Tu；受空气加热，油滴温度升 高，同时表面开始蒸发，并向四 周扩散，与空气混合，形成浓度 不同的混合气分布。,混合气浓度分布： 在油滴蒸发过程中，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（如图）。其特点： 接近油粒表面的混合气燃空比较高，但

3、温度T较低（因蒸发吸收汽化潜热）。 随着半径距离增加，混合气燃空比降低，温度升高。 图中给出了燃空比和温度变 化曲线。 因燃料的着火是有一定条件 的，所以，发火地点不会在燃空 比较高的油粒表面附近，也不会 在远离油粒表面的稀混气地方， 而是在离开油粒表面有一定距离 且混合气燃空比适当而温度足够 高的地方，这里化学反应速度 较高（即着火区域）。,所以，油滴蒸发着火需要具备两个条件： 1）燃料蒸气与空气比例要在一定范围（称作着火范围或着火界限）内。 着火界限可用混合气浓度表示（也可用局部地区的过量空气系数表示）。 混合气过浓，氧分子少；混合气过稀，则燃料分子少，这两种情况的氧化反应速度都不够，因此

4、混合气过浓或过稀均超出着火界限，不能着火。 着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着火界限扩大。 2）可燃混合气必须加热到某一临界温度（称为着火温度或自燃温度）以上。 低于这一温度，燃料不能着火。把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。,着火温度与压力的关系： 不同燃料的自燃性 能是不同的，因此着火 温度在一定程度上反映 了燃料的自燃性能。如 图，柴油的自燃性能比 汽油的好。 但并不是燃料本身 所固有的物理常数，它 与介质压力、加热条件 及测试方法等因素有关 。例如，当压力升高时 ，着火温度减小，如图 所示。,2、柴油机的着火 在实

5、际柴油机中，燃料是以油束形式喷入缸内，其着火比单个油滴着火要复杂的多。其特点是： 燃料喷入气缸后，分散成大小不同的油粒群； 油粒与空气有相对运动，气缸中各点温度也有所差别； 每个油粒都要经历蒸发、混合及氧化等物理化学的准备阶段，但准备的时间 有长有短； 相邻油粒形成的混合气区域会相互干扰、互相渗透。 油束着火情况可用右图来描述： 1）外围直径很小的油粒 可在很短时间内蒸发完毕，形成 有适当浓度的混合气区域，但因温度 不够或化学准备不足，还来不及使混 合气着火。再经历一段时间，又由于 扩散作用使混合气变稀，也难于着火。,所以，首先着火的地方不在最小油粒的地方，而油束核心部分浓度过高也不会首先着火

6、。 2）首先着火地点 多处着火：在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。在气缸中，形成合适浓度的混合气及温度条件相同的地方不止一个，因此首先着火的地方的火核，一般也不止一个，而是几处同时着火。 着火点不相同：柴油机各个循环喷油情况与温度状况不可能完全相同，从而使各个循环的火核形成地点也不一定相同。 3）火焰传播 火核形成后开始火焰传播，在 火焰传播过程中如果遇不到合适的 可燃混合气如混合气过浓或过稀， 火焰传播将中断。同时，由于其他 油粒混合气形成与准备的完成，又 有新的火焰核心和火焰前锋形成。,（二）燃烧阶段的划分 可以从不同的角度，对柴油机燃烧过程进行研究，方法有高速摄影、光谱分析

7、、采样分析等。 1、示功图-工程上，应用最多的方法是用示功图来分析燃烧过程。图为燃料燃烧后，气缸中压力和温度不断升高，它们是反映燃烧进行情况的重要参数，同时，示功图也容易测试得出。 典型的示功图如 图所示，曲线ABCD E表示气缸中正常燃 烧时的压力曲线，A BF表示气缸内不进行 燃烧时的纯压缩膨胀 曲线，图中还画出了 喷油嘴针阀的升程曲 线。,根据燃烧特征，柴油机燃烧过程划分为四个阶段。 第阶段-着火延迟阶段（AB段）,其特点是： 首先压缩过程中，空气压力、温度不断升高，燃料着火温度不断下降（因压力升高）。-如图 喷油嘴针阀在上止点前的A点开启，向气缸喷入燃料。这时缸内空气温度虽高达600（

8、远高于燃料当时压力下的自燃温度） ，但燃料不马上着火，而是 稍有落后，直到B点 才开始着火燃烧，同 时压力开始急剧升高。 B点相当于燃烧时压 力曲线与纯压缩曲线 的分离处。 从A点到B点为止， 这一段时间称为滞燃 期。,燃料在滞燃期内的变化： 滞燃期内，喷入的燃料要经历一系列物理、化学方面的变化过程，包括： 物理准备阶段-燃料雾化、加热、蒸发、扩散、与空气混合等； 化学准备阶段-燃料分解、氧化等。 滞燃期的表示： 滞燃期可以从示功图上直接测定，以时间i或角度 i表示。 柴油机中，一般i=0.73ms； 或 i = 4.20-18CA / （n/1000） 式中n的单位为r/min。 i时间虽短

9、，但对燃烧过程影响很大，直接影响第阶段的燃烧。,第阶段-急燃期（ BC段），其特点是： 压力急剧上升，因为在这一阶段中，滞燃期内喷入气缸的燃料几乎同时燃烧。 活塞靠近上止点、燃烧时气缸容积较小，气缸中压力升高特别快。 压力升高的急剧程度一般用平均压力升高比 dp/d 来表示，即 （5-28） 压力升高比决定了柴油机 运转平稳性，若压力升高比太 大，则柴油机工作粗暴，运动 零件受到很大冲击负荷，就会 缩短发动机的寿命。 所以，要控制柴油机的这 一参数，一般dp/d 控制在0.4 MPa/CA以内。,第阶段-缓燃期（CD段），其特点是： 气缸容积不断增加，从压力急剧升高的终点C，到压力开始急剧下降

10、的D点（最大压力）为止。 燃烧必须很快，才能使气缸压 力稍有上升或几乎保持不变。 有些柴油机缓燃期内燃料仍继 续喷射-若燃料喷在高温废气区 域，则燃料得不到氧气易裂解 形成碳烟；若燃料喷到有氧气 的地方，则燃料因缸内高温化 学反应很快，滞燃期很短，能 很快着火燃烧；但若氧气渗透不充分，过浓混合气也容易裂解形成碳烟。 可见，加强缓燃期内的缸内空气运动，可加速混合气形成，使柴油在上止点附近能迅速、完全的燃烧。 在第阶段结束时，柴油机燃气温度一般可高达17002000。,第阶段-后燃期（DE段），其特点是： 从缓燃期终点（D点）到燃料基本上完全燃烧时（E点）为止。 燃烧时间短促，燃料和空气混合不均匀

11、，总有一些燃料不能及时烧完，一直拖到膨胀线还在继续燃烧。 高速、高负荷时，过量空气少，后燃现象比较严重，有时甚至一直继续到排气过程之中。 活塞下行运动，使燃料在较低膨胀比下放热，所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机经济性下降。 后燃增加热负荷（活塞组和 排气温度）。 因后燃会带来一系列的问 题（热效率、热负荷、有害排 放量等），所以，应该尽量减 少柴油机的过后燃烧。,2、燃烧阶段的另一种划分 根据燃烧和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可分成以下两个阶段：预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段。 在预混燃烧阶段，放热速率较快，其大小决取于滞燃期中燃油与空气的混合数量。-相当前

12、面的第二阶段 在扩散燃烧阶段，放热速率一般比预混燃烧慢，主要是因为这时燃烧放热速率由空气和燃料形成可燃混合气的速率控制。-相当前面的第三、四阶段,（三）滞燃期 滞燃期虽然很短，但对燃烧过程有极大影响，特别是在空间混合气形成的燃烧系统中影响更大。 滞燃期越长，滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气就越多，因第阶段中已喷入缸内的燃料几乎是一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使用寿命。 如果滞燃期过长，可能在滞燃期内会喷入全部燃料，则随后的燃烧就难以控制（柴油机高速时有可能产生这种情况）。,最高燃烧压力和最大压力升高比与滞

13、燃期的关系： 下图给出了非增压直喷高速柴油机最高燃烧压力和最大压力升高比与滞燃期的关系，可知，两者随滞燃期增加而线性增加。 因此，应该设法缩短滞燃期，以便能控制燃烧过程、降低柴油机机械负荷，使之运转平稳， 但滞燃期极短，对混合气形成也不利，会使柴油机性能恶化（扩散燃烧部分增加）。,影响滞燃期的因素： 因素很多，正常运转时有如下参数：压缩温度和压力（主要因素）、燃料性质、喷油提前角、转速、增压压力和空气温度等。 1、压缩温度和压力 下图给出了压缩压力和温度对滞燃期影响，其中纵坐标为滞燃期的对数，横坐标为压缩温度Tc倒数。 可见：压缩温度和压力提高，滞 燃期减小（若提高压缩比，可促使滞 燃期减小）

14、 ；燃料性质对滞燃期有一 定影响，十六烷值为5055的柴油与 十六烷值为70的柴油，在较高压缩温 度和压力下，滞燃期差别较小；压缩 温度下降，差别增大；十六烷值高的 燃料滞燃期较小，汽油（十六烷值 15）着火性能较差，滞燃期大得多。,2、喷油定时 喷油定时对滞燃期影响是通过压缩温度和压力间接起作用。 如果喷油早，即燃料进入气缸时的空气温度和压力较低，使滞燃期长； 如果喷油迟，初始温度和压力升高，但上止点前作用时间缩短，可能着火前活塞已开始下行，使空气温度和压力降低，也使滞燃期增加。 因此，存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。,右图给出一试验结果： 最短滞燃期的喷油提前 角 -高转速时为上止点前1

15、0 -15CA之间；怠速时为上 止点前5-10 CA 。 一般希望在上止点前5 10CA开始着火燃烧， 以保证燃烧在上止点附近完 成，获得较好的功率和经济 指标。 但是，获得较好功率和 经济指标的最佳喷油提前角与对应于最短滞燃期的喷油提前角是 不一致的。 一般最佳喷油提前角是根据功率和经济性能来调整的，它要大于滞燃期最短的喷油提前角。,3、转速影响 转速对滞燃期影响也是通过压缩压力、温度、喷油压力以及空气扰动等因素间接起作用。 转速升高时，由于通过活塞环的漏气损失及散热损失减小，使压缩温度、压力增高； 转速升高会使喷油压力有所提高，使燃油雾化得到改善，促使着火准备过程加快； 转速升高使燃烧室中

16、的空气扰动加速，促使燃料蒸发，但在正常运转条件下，空气扰动对滞燃期只有次要的影响。 所以，转速升高时，上述这些因素都提高混合气形成的速度，使滞燃期减小。,下图给出柴油机转速对滞燃期的影响，可见： 随着转速增加，以秒计滞燃期i缩短； 但如以曲轴转角计，则滞燃期 i =6ni ，根据以秒计滞燃期i的减少程度，滞燃期可能随转速升高而增加，也可能随转速的升高而减小。,4、增压压力影响 柴油机增压后，进入气缸的空气充量密度增加，进气压力和温度的提高使压缩终了压力和温度升高，这都直接影响燃料着火燃烧的条件。图5-45是增压压力对滞燃期的影响。由图可见，随着增压压力提高，滞燃期显著缩短。,5、增压空气温度影

17、响 当增压比为2时，一般不使用中冷器，进气温度约为100，使滞燃期大为减少； 但高增压一般采用中间冷却，进气温度冷却到4060。在这个温度范围内，进气温度变化对缩短滞燃期的影响较小，如下图所示。 一般来说，增压后使滞燃期缩短，减缓初期燃烧速度，使压力升高比有所降低，但燃烧持续时间要拉长一些。 例如135柴油机， 增压压力从0.162MPa 增加到0.225MPa时， 因滞燃期缩短，使压 力升高比由0.332MPa /CA下降到0.216 MPa/CA。,6、起动影响 发动机起动时，由于转速、气缸压力、温度都较低，混合气形成情况较差，对滞燃期就有较大的影响。 因此，在起动条件下，空气运动、喷嘴结

18、构、燃烧室壁温等因素就成为为影响滞燃期的重要因素。这些因素影响，以后结合具体发动机会谈到。,二、放热规律 1、放热规律计算理论基础 在闭式系统中，燃料燃烧放出的总热量分配流向：一部分传给工质，使工质内能增加，并对外做功，另一部分传到燃烧室壁上。 根据热力学第一定律，有 （5-29） 式中，QB为燃料燃烧放出的热量； Q为工质吸收的热量；-等于内能变化加上机械能 QW为传给气缸壁面的热量； U为工质内能的变化； W为工质对活塞所作的机械功。,因QB、Q和QW均随曲线转角 变化，将（5-29）对曲轴转角 微分，得 （5-30） 式中： dQB/d 为燃料燃烧的瞬时燃烧率（或称放热率），dQB/d

19、亦随 而变，通常将dQB/d 随曲轴转角的变化关系称为燃烧规律、放热规律或放热率曲线； dQ/d 为工质的瞬时加热速率（简称加热率），将dQ/d 随曲线转角的变化关系称为加热规律； dQW/d 为工质对燃烧室壁面的传热速率（简称传热率），将 dQW/d 随曲轴转角 的变化关系称为传热规律； m为工质的质量；u为工质的比内能；p为气缸中的气体压力；V为气缸容积。,根据实测示功图（气缸压力随曲轴转角变化曲线），由活塞连杆运动学得气缸工作容积的变化，可以得到第二项机械功； 由状态方程式计算缸内气体温度T，由T和工质成分，再应用有关公式计算出工质的比内能，这样可以得到第一项总内能变化； 由传热公式，计

20、算出第三项传热量； 就可以直接应用式（5-30）计算出燃烧放热率。 至于放热率数值计算的细节，例如对工质质量处理及比内能计算公式、传热公式等，可参阅有关参考书。,下图是一计算实例。图中瞬时累积放热是用百分比x画出的。定义：x=QB / QB0 式中QB0为每循环燃料燃烧的放热量。 理论上：燃烧前，QB=0，x=0；燃烧结束时，QB=QB0，x=1。如果x计算结果不符合这一条件，表示某些计算和测量误差较大。 对放热率计算精度最大的影响因素：压力测量精度、上止点位置精度、压缩比测量精度（对容积变化）、示功图曲线光顺方法等。,2、加热规律及其作用 由于传热部分所占的比例很小，所以也可用加热规律（与放

21、热规律形状相似）分析燃烧过程的进展情况。工程上所用的燃烧分析仪，许多都是采用这一方法。由式（5-30）可知加热规律为： （5-31） 因在柴油机燃烧期间，工质质量m变化很小。假定m不变，并忽略工质成分对比内能影响，即工质比内能仅是温度的函数，则 （5-32） 应用理想气体状态方程，pV= mRT及R = cp-cv 和=cp/cv等关系式，代入式（5-31），就可导出气缸压力的变化率为 （5-33）,以及气缸压力对曲轴转角的二阶导数 （5-34） 式中：为比热比，cp为比定压热容，cV为比定容热容。 由式（5-33）、式（5-34）可知，当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律（

22、或加热规律）所决定，所以，燃烧放热规律强烈地影响柴油机的平均有效压力、燃油消耗率、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。,3、不同放热规律对柴油机性能的影响 柴油机实际放热规律是很复杂的，为了便于分析，用四个简单的放热规律进行分析计算，计算结果如下图所示。 假设：四种放热规律都在上止点开始放热，在上止点后40CA结束，燃烧持续时间为40CA。分析： 前直角曲线a初期放热多， 压力迅速上升，最高燃烧压力 为8MPa，此时热效率为52.9%； 后直角曲线d初期放热少， 在容积不断增大的情况下放热， 放热使气体压力升高小于膨胀 使气体压力下降，所以压力反 而下降，此时热效率最小，为 45.4%； 曲线b

23、、c则介于两者之间。,其它分析： 假设放热规律相同、放热开始时刻或放热持续时间不同，也可进行分析计算。 计算表明：放热开始时刻、放热持续时间对工作过程的参数有较大影响。 假设燃烧持续时间不变，如为40(CA)，则不论放热规律如何，只要都在最有利时刻放热，则热效率差别很小，但p/ 变化较大。,4、燃烧过程三要素 放热时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素，它们对发动机性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。 从减少燃烧噪声、降低机械负荷角度出发，希望降低压力升高比p/ （意味着较多的燃料不在上止点附近燃烧，结果燃烧过程拉长，热效率下降，燃油消耗率增加。 ）和最高燃烧压

24、力； 从提高柴油机热效率出发，希望燃料在上止点附近燃烧完毕，结果使燃烧压力升高比增加。 因此，降低燃烧噪声（工作平稳性）与提高经济性（经济运行）之间往往发生矛盾。 如何解决这个矛盾，保证柴油机运转既平稳又经济，是组织柴油机燃烧过程所要解决的主要问题之一。,理想放热规律： 比较理想的放热规律是-先缓后急，即 开始放热要适中，压力升高比不超过0.4MPa/CA，以满足运转柔和的要求； 随后燃烧要加快，使燃料尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应超过上止点后40CA，以满足经济运转的要求。 这个原则说起来是容易的，定量解决有许多困难。因为合适的放热规律要求合适的喷油规律与之配合，即喷油要先少后

25、多。目前，在高速柴油机中用喷油规律来控制燃烧规律是难以做到的。所以，必须研制开发新的燃油喷射系统。 不过放热开始时刻、放热持续时间可由喷油时刻和喷油持续时间在一定程度上予以控制。,三、燃烧噪声 因燃料的滞燃期随当时当地压力和温度不同而变化，所以，在滞燃期内喷入缸内的每一部分柴油，滞燃期各不相同。 先喷入的燃料滞燃期较长，随后喷入的燃料滞燃期较短（因气缸中空气压力、温度不断升高）。因此，属于多处着火，一旦着火，就有较多的燃料参加燃烧。 所以，柴油机燃烧是冲击性的，使燃烧初期压力急剧升高。急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞曲轴零件产生强烈振动，并通过气缸壁面传至外部，从而形成燃烧噪声。 燃烧噪声

26、与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，则产生强烈震音，称这种现象为柴油机工作粗暴（或敲缸）。 一般压力升高比在0.5MPa/CA以上，就明显感到有强烈的震音。 为了保证柴油机稳静运转，压力升高比应控制在0.4 Mpa / CA以下。 此外，过大的压力升高比会使柴油机运动零件受到强烈冲击负荷，降低发动机使用寿命。,下图给出了一台车用柴油机噪声实测值的例子。由图可知， 1）对中等排量（5L）涡流式车用柴油机（左图）：燃烧噪声所占的比例显著地表现在低速范围，在高速范围主要是机械噪声的影响， 2）对较大排量（13.5L）直喷式柴油机（右图）：燃烧噪声在整个转速范围内的影响都是很大的。,降低燃烧

27、噪声的根本措施是-适当降低压力升高比，而压力升高比取决于滞燃期和在滞燃期内形成的可燃混合气数量。 因此降低燃烧噪声的主要途径有：-从滞燃期、喷油量、混合气量着手。 1、缩短滞燃期 选用十六烷值高的燃料或 在燃烧室内造成着火热区等方 法，可以缩短滞燃期。 右图是在相同喷油提前角 下，燃烧不同十六烷值燃料时 的示功图。 由图可见，高十六烷值的 燃料，压力升高平缓，最高燃 烧压力也低。,2、减小滞燃期内的喷油量 若使初期燃烧油量减少，可以使压力升高比和最高压力减小。 减小初期喷油量，就要求初期喷油速率小，但整个喷油持续时间又不得拉长，否则影响经济性。实际措施有： 采用双凸起油泵凸轮，使初期喷油量减少

28、，对运行稳定性有一定的改进。-在大型低速柴油机 采用引导喷射（Pilot Injection），又称二级喷射，即在压缩行程后期，在主喷射之前先喷入少量燃油量，作为着火之用。这种方法可以达到喷油量先少后多目的，并可缩短主喷射期燃油的着火延迟，降低燃烧噪声。 3、减少滞燃期内形成的可燃混合气数量 将大部分燃料喷到燃烧室壁上，只有很小部分分散在热空气中，形成少量可燃混合气首先着火，保证初期放热较小，这是油膜混合气形成（油膜燃烧）采用的方法。,柴油机冷起动或怠速时： 气缸中温度较低；燃料滞燃期较长；此时，润滑油粘度较高，柴油机磨擦损失较大；尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当大，因此压力升高比也较大，产生

29、较强的震音。 这种噪声是在低速运转特殊条件下产生的，一般称怠速敲缸。随着转速升高及带负荷运行，柴油机状态正常，怠速噪声即自行消失。 四、柴油机的冷起动性能 冷起动难易是柴油机的一个重要性能指标，对用户来说，甚至是最重要的性能指标。 下面从柴油机着火燃烧角度讨论一下柴油机的冷起动性能问题。,一般柴油机，在不加特殊的冷起动措施（例如加装电热塞、起动液、进气空气预热等）时，大致均可在10-5的环境下顺利起动。 在更低的环境温度下，冷起动会遇到困难，原因是： 1）气缸内压缩始点温度下降、气缸壁传热增大，由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压力下降。 2）低温时燃料粘性增大、起动转速低，使燃料的蒸发和雾化均恶化，从而影响混合气的形成。 3）润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。 要使柴油机顺利起动，必须满足以下两个条件： 1）压缩温度必须足够高，即tctmin。tmin（ ts ）为在气缸内某种燃料有可能开始着火的最低临界温度，ts为燃料的自燃温度