内燃机原理78.ppt

1、铁道装备专业,内 燃 机 原 理,中南大学机电工程学院,第七章 电 气 设 备,第一节 概述 一、一般内燃机的电气设备的组成： 电源系统、点火系、起动系及仪表等。在电控汽油机和电控柴油机中还有电控系统 。 二、主要特点： 1、一般采用蓄电池，内燃机的电源都是直流电源。 2、除电控系统外，电路多采用单线制，即电源的正极与各用电设备的相应端用导线相连，而电源的负极则与机体等金属构件相连，俗称为“搭铁”,第二节 电源系统,一、组成：蓄电池和发电机及其调节器。 二、功用：1、向内燃机本身各用电设备供电外，同时要向汽车及工程机械的全部用电设备的供电。2、发电机的容量除必须满足内燃机及工程机械正常工作时的

2、全部用电量外，还要给蓄电池充电。,三、组成部件的结构分析和工作原理 （一）蓄电池 1、功用：主要用于起动内燃机，有时又称起动蓄电池。当内燃机未起动或转速很低时，蓄电池也能帮助发电机向整机用电设备供电。 2、要求：应有足够的放电量(容量，Ah)，电池内阻要很小，足够大的放电电流。,3、结构分析：目前起动蓄电池多用酸性蓄电池，亦称铅蓄电池。由正负极板、隔板、容器、电解液等组成，如图7-1所示。图中蓄电池由3个单格串联组成，每个单格电压约2V，额定电压为6V。常见的还有6个单格组成的12V的蓄电池。蓄电池的极板由铅锑合金浇铸成的栅架及栅架格内填满的活性物质组成。正极板的活性物质为棕色二氧化铅，负极板

3、的活性物质为海绵状纯铅。蓄电池的容器内安装极板及盛放电解液。电解液是稀硫酸。,4、特性分析：蓄电池内电解液的比重与蓄电池的充电状态有关，可用比重计测量电解液的比重来确定蓄电池的充电状态。电解液比重又受温度的影响，,蓄电池的容量是指在放电允许的范围内，蓄电池输出的电量，单位是Ah。若以Q表示容量，则 (7-2) 式中 I-放电电流(A)； T-放电时间(h)。 Q并不是个常数，它与放电电流的大小及放电时间的长短有关，与放电时的温度也有关。为了保持蓄电池的使用性能，延长寿命，使用中的蓄电池应经常保持在全充电状态。,（二）、发电机1、发电机的分类：直流发电机和硅整流交流发电机。2、结构和性能特点分析

4、：直流发电机：结构上存在着弱点，它的整流子由许多相互绝缘的铜片组成，通过碳刷与接线柱联结，不适宜高速运转。 硅整流交流发电机： （1）体积小、质量轻、结构简单(见图7-2)、维修方便、使用寿命长，一般可达5000h以上。其磨损部件实际上只有滚动轴承。只通过激磁电流的电刷几乎没有磨损，发电机寿命实际上只取决于滚动轴承的寿命。（2）内燃机低速运转时对蓄电池充电性能好。 （3）硅整流发电机没有干扰电波。 （4）可以简化与发电机相匹配的调节器结构。 硅整流发电机只需一组节压器就可以了。因为整流器的二极管具有单向导电性，反向电流不能流过二极管，所以不需断流器。另外，硅整流发电机自身有一种限制最大输出电流

5、的作用，所以也不需要限流器。,(三)硅整流发电机的构造各种型号的硅整流发电机的基本构造大致是相同的。图7-2为JFl3系列硅整流发电机的结构图。,(四)硅整流发电机的工作原理 硅整流发电机是由三相交流发电机及整流器两部分组成的。发电机的定子绕组为三相电枢绕组接成星形；整流器则均采用三相桥式整流器，其线路如图7-5所示。,硅整流发电机的整流器，由6只硅二极管组成，接成三相桥式整流电路，如图7-7所示。,(五)硅整流发电机的电压调节器硅整流发电机的电压调节器有触点振动式节压器、无触点晶体管电压调节器及两种结构混合式节压器等多种形式。,1.单级振动式电压调节器 图7-8为单级振动式结构原理图。,2双

6、级振动式电压调节器,3晶体管电压调节器 振动式电压调节器触点易被电弧烧蚀，寿命及可靠性受到限制，触点要经常保养，触点火花对无线电有干扰；晶体管电压调节器可以克服上述缺点。 晶体管电压调节器主要是利用晶体管的开关特性设计的。它的接线方法与双级振动式电压调节器的第二对触点的接法相同。当晶体管导通时把励磁绕组短路；晶体管截止时，又使励磁绕组与发电机电枢接通，如图7-12所示。实际应用时，普通开关K是用稳压管代替的，如图7-13所示线路的代表稳压管。,第三节 蓄电池点火系,一、概述： 1、定义：点火系是对汽油机每个气缸都能交替给出具有一定强度的电火花所必需的装置。 2、常用的点火系：有蓄电池点火系，电

7、子点火系、磁电机点火系及飞轮磁电机点火系等几种。 二、蓄电池点火系的组成及工作原理 1、基本组成： 其组成如图7-15所示。它由初级电路(低压电路)和次级电路(高压电路)组成。初级电路包括蓄电池12、电流表11、点火开关10、附加电阻3、点火线圈的初级线圈6、包括在分电器2中的断电器及与其并联的电容器组成。次级电路产生高压电，它包括点火线圈中的次级线圈5、配电器及盖7、高压线8、火花塞9和阻尼电阻18。,2、蓄电池点火系的工作原理： 如图7-16所示。,三、蓄电池点火系的三个基本元件结构和工作原理 1点火线圈结构分析：如图7-17所示,2分电器（断电-配电器） 结构分析：如图7-18所示。分电

8、器由断电器、配电器、离心式点火提前装置、真空式点火提前装置和辛烷值选择器等组成，,最佳点火提前角的定义及其对汽油机工作的影响和对断电器的特别要求： A 最佳点火提前角的定义：火花塞点火时活塞在到达上止点之前的位置所对应的曲柄所在位置，与活塞到达上止点时曲柄所在位置之间的夹角称为“最佳点火提前角”。 B最佳点火时刻对汽油机工作的影响分析： 点火提前角太大或太小对内燃机的动力性及经济性都不利，甚至会使汽油机不能正常工作。“最佳点火提前角”，即使是在同一台汽油机，和汽油机的转速及负荷有关，应能随汽油机的转速及负荷变化而变化。,转速增高，最佳点火提前角应变大；转速降低时应变小。高转速时，对应于同样曲轴

9、转角的以秒计的时间变短了，反之，转速降低，对应同样曲轴转角的时间增加，点火提前角就应适当减小。当汽油机负荷变化时，也要求不同的点火提前角。负荷增大，最佳点火提前角应减小，负荷减小最佳点火提前角应变大。 C要求：为使内燃机能在动力性及经济性最有利的条件下工作，要求触点断开的时刻在内燃机各种工况下都能符合“最佳点火提前角”对应的时刻。这不仅要求断电器凸轮的运动必须和曲轴的运动通过传动比不变的齿轮、链轮等联系起来，还要根据汽油机的不同工况能自动调节点火提前角。 D为了满足汽油机在不同转速及负荷下对点火提前角的坚求，在分电器上加上了离心式点火提前调节装置及真空式点火提前调节装置。,图7-21所示为常见

10、的离心式点火提前调节装置。,为使汽油机能在负荷变化时也都能在最佳点火提前角下工作，分电器上还装有真空式点火提前调节装置，如图725所示。它包括外壳4、膜片5、拉杆3及弹簧6。,E 分电器还装有辛烷值选择器。同一台汽油机换用不同标号的汽油时，由于汽油的抗爆指标辛烷值的不同，点火提前角也要作适当的调整，才能使汽油机在最佳点火提前角下工作。使用辛烷值标号较低的汽油时，必须减小点火提前角，以免发生“爆燃”。辛烷值选择器是采用用手转动分电器壳体的办法，实现改变点火提前角的。F 分电器的最上部分(图718)，包括配电器盖20、分火头等组成配电器。所以，有时也叫分电器为断电-配电器（见图7-25）。由于断电

11、器触点的开、闭，使点火线圈次级线圈感应出的高压电，还需经过配电器才能准时地分配到各缸火花塞上去。,3火花塞 结构分析：火花塞的构造如图7-27所示。 对火花塞的要求和实际应对措施：火花塞工作时要保持适中的温度。火花塞正常工作，其绝缘体下端（裙部）的温度应保持在5006000C到800-8500C之间。低于5006000C这个“自净温度”，火花塞上的油渍不能完全燃烧，易形成积碳，高压电通过积碳流过，导致断火。火花塞温度高于8008500C时，汽油机易发生表面点火，即当混合气进入气缸后，还未等到火花塞跳火便被炽热的火花塞本身点燃，这种燃烧现象称为“早燃”，这是异常的燃烧现象，对汽油机有害，且使汽油

12、机性能变坏。为使火花塞绝缘体下端裙部在汽油机工作时具有正常温度，必须使火花塞散出的热量与火花塞裙部从汽油机燃烧室中吸收的热量平衡，并在汽油机正常工况下保持稳定。对热负荷较高的强化汽油机，为避免火花塞过热，要求火花塞裙部的导热能力强些，下部绝缘体与燃气的接触面小些。这种火花塞称“冷型”火花塞。相反，对强化程度较低的汽油机，为避免积炭而采用与燃气接触面积较大的“热型”火花塞。,第四节 电子点火系,电子点火系统的分类：根据储能方式不同可分为电感式和电容式，根据有无触点又可分为有触点和无触点两类，而无触点式中又可分为磁电式、霍尔效应式、光电式、数字式等多种形式。 一、无触点电子点火装置 1、结构分析：

13、使用一个脉冲触发器代替断电器去接通或断开初级电路；外加一个电子控制的放大器电路。 2、工作分析：没有断电器触点，不存在触点抖动、触点间隙放电等弊病，可得到更高的发火率；没有断电器凸轮、顶块等磨损零件，提高了工作的可靠性和使用寿命，且在整个转速范围内有精确的时间控制；次级火花能量高，可采用较大的火花塞间隙，能够点燃稀薄混合气，改善汽油机的经济性、提高废气净化效果。无触点电感储能式结构简单，价格便宜，安装调试方便，因而使用更为广泛。,3、触发脉冲的产生方式：常见的有磁脉冲式、光电式、霍尔效应式等。,（2）光电式 光电式无触点电子点火装置是应用光电效应原理，以发光元件、遮光盘和光敏器件组成电脉冲信号

14、发生器,（1）磁脉冲式(发电机式) 信号发生器装在分电器内的底板上，定时转子1装在分电器轴2上随分电器轴旋转，定时转子凸起齿数与汽油机气缸数相同。,（3）霍尔式霍尔效应原理：如图7-34所示，当半导体基片(霍尔元件)的两侧通以电流I，同时在垂直于基片平面方向设置磁场B，则在垂直于电流I和磁场B的半导体基片另两侧产生一个电压UH，这种现象称为霍尔效应，霍尔效应产生的电压UH，称为霍尔电压。霍尔电压UH与电流I和磁场B的乘积成正比,结构分析：图735所示为霍尔信号发生器，触发叶轮1由分电器轴2驱动，叶轮边缘的叶片数与汽油机气缸数相等，它在永磁铁3和霍尔集成块4之间转动。霍尔发生器的输出脉冲电压仅与

15、触发叶轮叶片数有关，而与触发叶轮的转速无关，即与汽油机转速无关，具有较高的点火正时精度，且有利于低温或其他恶劣条件下的起动。,二、数字式电控点火系,最佳点火提前角除了与汽油机的转速和进气歧管绝对压力(负荷)有关外，还与汽油机燃烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、大气压力、冷却水温度等因素有关。,数字式电子控制点火系统的高压配电方式分有分电器式和无分电器式两种型式。 1有分电器式:有分电器式点火系统电路如图7-37所示。ECU根据各输入信号，确定点火时间，并将点火正时信号IGT送至点火器，当IGT信号为低电平时，点火线圈初级电流被切断，次级线圈中感应出高压电，再由分电器送至相应气缸火花塞产生电火花。

16、,2无分电器式(1)二极管分配式 二极管分配式采用同时点火方式，工作原理如图7-38所示。,(2) 点火线圈分配式,点火线圈分配式无分电器点火系统是将来自点火线圈的高压电直接分配给火花塞，有同时点火和单独点火两种形式。 同时点火即用一个点火线圈对达到压缩和排气行程上止点的两个气缸同时实施点火，处于压缩行程的气缸混合气被点燃而作功，正在排气的一缸火花塞点空火，如图7-39所示。,单独点火即为每一个气缸的火花塞都配一个点火线圈，单独直接地对每个气缸点火，这种点火系统的点火线圈做得很小，与火花塞装在一起，取消了高压导线，能量损失小，效率高，电磁干扰小，可在9 000rmin的宽广转速范围内提供足够的

17、点火能量和高电压。其原理如图740所示。,第八章 内燃机的燃烧过程,第一节 汽油机的燃烧过程与燃烧室 燃烧过程的两个基本要求：完全与及时。 一、正常燃烧 1燃烧过程的3个时期及其定义 诱导期：从点火开始到火焰中心形成的时期。如图8 -l中的I。 显燃期：从火焰形成到火焰传到最后燃烧部分的混合气(或称末端混合气)所经历的时期。如图8-1中的。在示功图上，它常以气体压力开始偏离压缩线的时刻(点2)为起点，而以最高压力(点3)为终点。,后燃期：显然期后，部分未来得及燃烧的燃料和燃烧不完全产物在膨胀过程的初期继续放热的时期，如图8-1中的。后燃期的长短视后燃量的多少而定。有时后燃甚至延续到整个排气过程

18、，以致废气在下一循环的进气过程开始时窜入进气管及化油器，引燃新鲜混合气，这就是化油器的回火现象。,2火焰传播速度与燃烧速率,燃料的热量主要是在显燃期内放出的，因此，显然期的长短及其所对应的活塞位置，对于内燃机的热效率是有很大影响的。从提高循环热效率的角度来看，希望燃烧时间愈短愈好。因为显燃期愈短，在此期间内的放热愈集中，内燃机的动力性和经济性就愈好。要缩短显燃期，就耍提高混合气的燃烧速率，使气体最高压力和最高温度出现在活塞位于上止点附近的位置，使燃料放出的热量获得较充分的利用，减少后燃，从而提高内燃机的热效率和功率。,燃烧过程的两种概念：火焰传播速度和燃烧速率。火焰传播速度是指混合气燃烧时，火

19、焰前锋面在其法向的传播速度；燃烧速率是指单位火焰前锋面积在单位时间内燃烧的混合气质量。火焰传播速度愈快，燃烧速率就愈快、单位时间内放出的热量就愈多，气缸内压力增长就愈快，内燃机发出的功率也就愈大。,从提高内燃机的功率与防上噪声和工作粗暴这两方面，对压力升高率的要求是有矛盾的，解决这个矛盾的原则是：在工作柔和的条件下，尽可能地提高燃烧速率。,3、压力升高率：单位曲轴转角的压力变化率(dp/d，Pa/0CA）。显然期内的压力升高率既是衡量内燃机动力性能的指标，也是衡量内燃机工作粗暴程度的指标。在图8-1的示功图上，可用点3与点2的平均压力升高率来表示。一般最高压力出现在上止点后120-150CA时

20、，内燃机的热效率较高，工作柔和。,二、不正常燃烧 (一)爆震燃烧 1、定义：在正常火焰的传播过程中，在燃烧室内局部的未燃混合气，由于受到正常火焰面的压缩和辐射，温度和压力不断升高，以致可在正常火焰面到达之前而自燃，（它的火焰传播速度最高可达1 5002 000ms。）且燃烧伴随着冲击波，形同爆炸，称为爆震燃烧(简称爆燃)。爆燃的外部特征是：气缸中发出清脆的金属敲击声；排气中出现黑烟、屑片和火星；内燃机过热；功率和经济性下降。汽油机在低速大负荷、气缸温度较高的情况下，爆燃较易发生。,3、消除爆燃基本措施：采用辛烷值较高的汽油；改善燃烧室结构；在内燃机工作时如出现爆燃，可用减小混合气浓度、减小节气

21、门开度、提高转速和减小点火提前角等方法来消除。,(二)表面点火 1、定义：汽油机工作过程中，凡不依靠电火花点火，而由炽热表面或炽热点(如燃烧室内的积炭、排气门头部以及过热的火花塞电极等)点燃混合气所引起的不正常燃烧现象称为表面点火。 2、表面点火可分为早燃和激爆两种现象。 1）早燃 定义：在压缩过程中，工作混合气在火花塞点火之前的燃烧称为早燃。 早燃的特征：功率下降，内燃机工作不稳定且有敲缸声(较为沉闷)，并有过热现象。 早燃产生在火花塞跳火之前，且无冲击波产生；爆燃是在燃烧后期才产生的，且有冲击波产生：早燃时混合气的燃烧速度仍然是正常的，而爆燃时的燃烧速度却超过正常值许多倍。,2激爆 定义：

22、在内燃机加速时，由于气流吹起着火的碳粒而产生多点点燃混合气的早燃所引起的混合气急剧燃烧，使压力升高率、最高燃烧压力和最高燃烧温度急增，井引起强烈的爆燃，发出强烈的震音的一种不正常燃烧现象。,三、影响燃烧过程的因素 (一)运转因素对燃烧过程的影响 运转因素包括燃料的性质、混合气质量、点火提前角、转速与负荷以及冷却强度等。 1、燃料性质的影响 燃料性质对燃烧过程的影响主要表现在对爆燃的影响上。表示燃料爆燃倾向的指标称为辛烷值，辛烷值愈大，燃料的爆燃倾向愈小。,2混合气质量的影响 (1)混合气浓度混合气浓度对燃烧过程的影响，主要表现在火焰传播的速度上。混合气浓度既然影响火焰传播速度，所以当改变时，相

23、应的最佳点火提前角也改变。 (2)混合气分配 在多缸内燃机中，混合气的质量还与混合气分配的均匀性直接有关。因为分配不均匀主要是由燃料中的重馏分引起的，而重馏分又较易发生爆燃，所以混合气分配不均匀，会使某些气缸的爆燃倾向增加。混合气分配的均匀性与进气管的布置型式、形状和尺寸以及进气管的预热等有关。进气管的布置，应尽可能使化油器到各气缸进气口的距离缩短且相等：进气管的断面尺寸，要使混合气有适当的流速，以利于燃料迅速蒸发、扩散。断面的内壁应光滑，底部要平整，以使燃料流动畅通而不积存。同时，利用废气或冷却水的热量对混合气进行预热，使燃料中重馏分易于蒸发。,3点火提前角的影响 点火提前角过大或过小都会使

24、功率和经济性下降，只有选择在某一最佳值时，才能使内燃机获得最大功率和最低的燃油消耗率。点火提前角过大时，大部分混合气在压缩过程中燃烧，气体压力升高过早，增加了压缩功的消耗，功率降低。点火提前角过小时，会使燃烧在膨胀过程中进行，最高燃烧压力和最高温度将降低，而热损失却增多，内燃机的功率也下降。4转速与负荷的影响 (1)转速的影响 转速对燃烧过程的影响随燃烧时期而不同。转速的变化，几乎不影响诱导期所需的时间。 转速对显燃期的影响是很大的，火焰传播速度随转速的增加而增加，这是因为转速高时，混合气的涡流运动也增强。这就是汽油机之所以能向高速发展的重要前提之一。,内燃机的爆燃倾向是随转速的增加而减弱的。

25、因为转速增加时，火焰传播速度增加，可较早地传到末端混合气。同时转速高，气缸内残余废气量增加，末端混合气的焰前反应减弱，这都使爆燃的倾向减弱。反之，转速低时，爆燃的倾向就增加。 (2)负荷的影响化油器式汽油机的负荷是用节气门的开度来调节的。节气门开度小时，进入气缸的混合气量减少，而残余废气量几乎是不变的，所以便燃烧速度降低，也不利于正常燃烧的进行，这都使负荷减小时的经济性变坏。 5冷却强度的影响 内燃机在过度冷却时，将使混合气的形成恶化而降低燃烧速度，从而使内燃机的功率和经济性都降低；当冷却不足(过热)时，内燃机的功率也会降低。同时还造成爆燃的有利条件、因此，内燃机应保持一定的工作温度。,(二)

26、构造固素对燃烧过程的影响 影响燃烧过程的构造因素包括压缩比、燃烧室形状、混合气涡流的强度、火花塞及气门的位置、气缸直径、活塞和气缸盖的材料以及冷却方式等。1压缩比的影响 增大压缩比可提高内燃机的功率和经济性；但压缩比不适当地提高，就会使压缩终了的混合气的温度和压力过高而造成爆燃的有利条件。 2燃烧室形状及火花塞位置的影响 燃烧室形状及火花塞位置，影响到火焰前锋表面的形状、大小及火焰传播的速度，因而也影响到内燃机工作的粗暴性、排气净化及爆燃倾向。燃烧室具备条件：结构要紧凑，其表面积与容积之比(称面容比)要小。火花塞的位置要近于燃烧室中心，且靠近燃烧室的最热部分(如排气门)，缩短火焰行程，减弱爆燃

27、的倾向。同时这些地方应得到良好的冷却。,3混合气涡流的影响 混合气涡流的强度对加速火焰传播、提高燃烧速率、缩短燃烧时间具有很大的作用，因此它是提高内燃机动力性和经济性以及减小爆燃倾向的重要因素。但涡流强度应适当，涡流过强反而会引起传热损失增加，甚至还可能吹灭火花塞处最初形成的火焰中心。 在燃烧室内形成涡流的方法有两种。一种是利用进气道在进气过程中产生的进气涡流；另一种是利用活塞上行的挤气作用，在压缩终了时形成挤压涡流。挤气面的大小与挤气间隙S对涡流强度有很大的影响。挤气面越大、间隙S越小，则挤压涡流越强。挤气面往往也是激冷面，较冷的金属面会加强最后燃烧部分混合气的冷却(称为激冷效应)，因而减小

28、了爆燃的倾向。但挤气面不宜过大，否则将使传热损失增加，而且由于挤气面的激冷效应，使得挤气面内的混合气燃烧不完全，这就引起排气中未燃烃(HC)增加，从而增加对大气的污染。,4气缸直径的影响 随着气缸直径的增大，燃烧室的尺寸也加大了，并使散热面积相对减小，于是热损失减小。因此，从这方面说，气缸直径大的内燃机的经济性较好。 但增大气缸直径，将增加爆燃倾向，因为未燃部分混合气的温度随着缸径的增加而提高，同时火焰行程也加长了。这就说明了为什么有缸径大的柴油机，而没有缸径大的汽油机。5气缸盖和活塞材料的影响6冷却方式的影响 不同的冷却方式对内燃机的爆燃倾向有不同的影响。用空气冷却(风冷)的内燃机的气缸盖和

29、气缸的温度总是高于水冷式的内燃机，所以用空气冷却的内燃机的爆燃倾向也较强。,四、汽油机的燃烧室 汽油机的燃烧室是由活塞顶部与气缸盖上相应的凹穴空间组成的。燃烧室的形状对内燃机的工作影响很大。对燃烧室有两点基本的要求：一是结构要尽可能紧凑，散热面积要小以减少散热损失及缩短火焰传播距离；二是使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动，以提高混合气燃烧速度，保证混合气得到及时和完全燃烧。1、楔形燃烧室(图8 -9a)2、盆形燃烧室(图8-9b)燃烧室横剖面呈盆形，进、排气门平行于气缸中心线。 3半球形燃烧室(图8-9c) 燃烧室横剖面呈半球形，允许气门直径较大，气道圆滑，充气良好。 以上3种形式的燃烧室

30、都用于顶置气门汽油机。4L形燃烧室(图8-9d)燃烧室横剖面呈L形，燃烧室有部分在气门上面，另一部分在活塞上面。L形燃烧室仅用于侧置气门汽油机。,第二节 柴油机可燃混合气的形成,一、柴油机混合气形成的特点 1、在汽缸内部形成混合气； 2、形成时间很短；(只有150-350CA)。 3、形成的混合气在燃烧室中均匀分布质量较差； 4、混合气浓度不均匀且是不断变化的，总的过量空气系数1。 柴油机混合气形成与燃烧是决定柴油机动力性和经济性的关键。 二、柴油机混合气形成的基本形式 1空间雾化混合 空间雾化混合是直接将燃油喷向燃烧室空间并与空气混合，形成雾状混合物。为了使混合均匀，要求喷出的油束与燃烧室形

31、状相配合，并利用燃烧室内的空气运动来促进混合。 在空间雾化混合中，燃油的雾化质量对混合气形成起着决定性的作用。,2油膜蒸发混合 油膜蒸发混合是将大部分燃油喷射到燃烧室壁面上，形成一层油膜。油膜受热汽化蒸发，在燃烧室中强烈旋转的气流作用下，燃油蒸汽与空气形成均匀的混合气。少量燃油喷入燃烧室空间作为发火源。燃烧室壁面温度和空气涡流在此起主要作用。,第三节 柴油机燃油的喷射雾化,燃油以很高的压力(1020MPa以上)和很高的速度(100300ms)，从喷油嘴的喷孔流出，在气缸中空气阻力及高速流动时所产生的内部扰动作用下被粉碎成细小的油粒，其形如圆锥(见图8-10)，我们把这种大小不同的油粒所组成的圆

32、锥体称为喷注(或油束)，在喷注中间部分的燃油雾化较差油粒密集，油粒直径较大，前进的速度也较大；而外部油粒分布较散，直径较小，速度也较小。外部细小油粒最先蒸发并与空气混合，形成可燃混合气。,将燃油分散成细粒的过 程称燃油的喷雾(或雾化)。 一、喷注的形成及特征,1喷雾锥角 喷雾锥角标志喷注的紧密程度，值大说明喷注松散，油粒细，雾化质量好。与喷油器结构有很大的关系。2喷注射程L (亦称贯穿距离) 喷注射程表示喷注前端在压缩空气中贯穿的深度。射程的大小对燃油在燃烧室中的分布有很大影响。燃烧室尺寸小，而射程大就有较多的燃油喷到燃烧室壁上；反之，射程过小，则燃油不能很好地分布到燃烧室空间，燃烧室中空气得

33、不到充分利用。喷注射程必须根据混合气形成方式的不同要求与燃烧室相互配合。3雾化质量(雾化特性) 雾化质量表示燃油喷散雾化的程度，是指喷散的细度和喷散的均匀度，燃油喷散得越细、越均匀，说明雾化质量越好。喷散细度可用喷注中油粒的平均直径来表示，平均直径越小，则喷雾越细。喷散的均匀度可用油粒的最大直径与平均直径之差来表示，直径的差值越小，则喷雾越均匀。,二、影响喷注特性的因素 影响喷注特性的因素很多。主要有喷油器的结构和尺寸、喷油压力、气缸内压缩空气的反压力、喷油泵凸轮外形和转速以及燃油的黏度等。,1喷油器结构和尺寸 喷注要与燃烧系统密切配合，不同的燃烧方式要求不同 形式的喷注，因而就使用不同结构的

34、喷油器。 2喷油压力 燃油的喷射压力越大，则燃油流出的初速度就越大，在 喷孔中燃油扰动程度及流出喷孔后所受到的压缩空气阻力也 越大，从而使雾化的细度和均匀度提高，即雾化质量好。喷 油压力增加时，还使喷注射程增加。 3气缸内压缩空气反压力 当气缸内压缩空气反压力增加时，使压缩空气的密度增 大，引起作用在喷注上的空气阻力增加，因此燃油雾化有所 改善，喷雾锥角增加，并使射程减小。,4喷油泵凸轮外形及转速 当凸轮外形较陡或凸轮轴转速较高时，均使喷油泵的柱塞供油速度加快。由于喷油器喷孔的节流，燃油不能迅速流出，结果使油管中燃油压力增加，燃油从喷孔流出的速度也随之增大，因此雾化变好，喷注射程和喷雾锥角均有

35、所增加。5燃油黏度燃油黏度增大时，油粒不易分散成细滴，使雾化不良。因此高速柴油机一般都选用黏度较低的轻柴油作为燃油。,第四节 柴油机的燃烧过程 一、燃烧过程的4个时期 根据气缸中气体压力和温度变化的特点，可将柴油机的燃烧过程分为4个时期(图8一12)。 1滞燃期 从开始喷油(点1)到着火开始(点2)的这一段时期称为滞燃期(图812中的)。这是喷入的燃油进行雾化、加热、蒸发、扩散、与空气混合等物理准备及焰前化学准备阶段。影响滞燃期的主要因素是燃油的性质、压缩终了的温度和压力以及燃烧室中的空气涡流等。 2速燃期 从燃油着火开始到迅速燃烧出现最高压力(点3)时为止的这段时期称为速燃期。这一时期的特点

36、是放热速率(dQd)高、气缸内压力和温度升高快、其压力升高率P/取决于在滞燃期内形成的可燃混合气数量的多少，为使柴油机运转平稳，最大压力升高率(dpd)max不应超过040-060 MPa0CA。,3缓燃期 缓燃期是从最高压力开始到出现最高温度(点4)的阶段(图8-12中的)。这一时期的特点是燃烧在气缸容积不断增大的情况下进行，主要受混合气形成速度的控制，燃烧速度较速燃期慢，燃气愠度升至最高达l973022730K，压力却略有下降。缓燃期末，放热量一般达到循环总放热量的7080。 4后燃期 后燃期是从最高温度点开始到燃烧基本结束(点5)为止的一段时期(图8-12中的)。这时期的特点是燃烧在膨胀

37、线上进行，此时氧气大量减少，放热速率降低，燃油放出的热量不能有效地利用，因而使排汽温度升高，经济性下降,二、影响燃烧过程的因素 (一)运转因素对燃烧过程的影响 影响燃烧过程的运转因素有：燃油的性质、喷油提前角、转速和负荷、冷却强度等。 1、燃油性质的影响 柴油的十六烷值愈高，自燃的能力就愈强，因而滞燃期愈短，内燃机的工作就比较柔和，目前高速柴油机所用柴油的十六烷值为4050左右。 2、喷油提前角的影响 定义：在压缩过程中开始喷油时（以喷油器针阀升起为标志）到活塞行至上止点时所对应的曲轴转角。 影响：增大喷油提前角，燃油将喷入压力和温度都不高的空气中，滞燃期延长，导致速燃期的压力升高率增大，内燃

38、机工作粗暴。减小喷油提前角，燃油更接近于压缩终点喷入燃烧室，燃烧室内空气的压力和温度较高，滞燃期缩短，内燃机工作比较柔和，且可降低排气中的NOx浓度。,喷油过迟，燃烧就会在膨胀过程中进行，导致压力升高率降低，最高燃烧压力下降，排气温度和散热损失增加，热效率显著下降。因此对于每一种柴油机，均有一个最佳的喷油提前角；对任何台柴油机，最佳喷油提前角都不是常数而是随供油量和内燃机的使用转速而变化的。供油量愈大，转速愈高，则最佳喷油提前角也愈大。此外，它还与内燃机的结构有关。,3、转速和负荷的影响(1)转速的影响 转速增加，燃烧室内的气流运动加强，同时提高了喷油压力，使燃油与空气的混合得到改善，以时间计

39、的滞燃期随着转速增加而缩短，但每循环所占的时间缩短更多，使以曲轴转角计的滞燃期却可能有所增加。滞燃期随转速的变化关系如图8 -14所示。因此，转速增加，喷油提前角也应适当的增大，使燃烧在上止点后附近完成。在转速变化范围较大的柴油机上，经常装有离心式喷油提前角自动调节器。在涡流室柴油机中，随转速的升高，进气涡流大大加强，以曲轴转角计的滞燃期变化不大，燃烧过程不致太延后。涡流室柴油机相对直接喷射式柴油机对喷油提前角较不敏感。,(2)负荷的影响 在柴油机中，如转速保持不变，当负荷增大时，每循环的供油量也随着增大。由于充气量基本不变，因而过量空气系数减小，使单位气缸工作容积内混合气燃烧放出的热量增加，

40、引起气缸内温度上升，缩短了滞燃期，使柴油机工作柔和。图8一15所示为负荷对滞燃期的影响。,4冷却强度的影响 在内燃机中，和气体相接触的机件的温度是变化的，这些机件的温度不仅随内燃机的工作情况而定，而且随冷却水或空气的温度而定。当这些机件的温度增高时，燃油的滞燃期缩短，内燃机的工作比较柔和。但温度过高时，对内燃机的工作也是不利的。(二)构造因素对燃烧过程的影响 在构造方面，影响燃烧过程的主要因素是压缩比、燃烧室型式、空气涡流运动、喷油压力、喷油规律以及活塞材料等。,1压缩比的影响 压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都比较高，使燃油的滞燃期缩短而内燃机工作比较柔和。不同压缩比对滞燃期的影响如图8-

41、16所示。同时，压缩比的增大，还能提高内燃机工作的经济性和改善起动性能。但是，如果压缩比过高，最高燃烧压力会过分增大，使曲柄连杆机构承受过高的负荷故影响内燃机的使用寿命，而且对排气净化不利。,2喷油压力的影响 喷油压力在低的范围(14MPa)内逐渐增大时，可使燃油的雾化质量改善，因而增加了燃油与空气的接触面积，改善了燃油燃烧与准备燃烧的条件，使滞燃期缩短。但在喷油压力已相当高的情况下，即已有足够数量的细小油滴供开始着火之时，此后再继续增大喷油压力，对滞燃期将不发生显著的影响。但高压喷射对排气净化是有利的。3活塞材料的影响 铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高，这样可以缩短滞燃期，因此在其他条件相

42、同时，采用铸铁活塞的柴油机工作比较柔和c,4喷油规律的影响定义：喷入燃烧室内的燃油量(或单位曲轴转角内的喷油量)随曲轴转角(或喷油泵凸轮轴转角)而变化的关系称为喷油规律。喷油规律与喷油泵的凸轮外形、柱塞直径、喷油器的构造和调整、以及高压油管的尺寸等有关。 影响：滞燃期的长短，实际上不受喷油规律的影响。但喷油规律要影响随曲轴转角进行燃烧反应的燃油分量，亦即影响到燃烧过程的进行。如图8-17所示。,循环供油量不变，具有喷油规律1(例如凸轮外形上升较缓)的在滞燃期喷入的燃油量，将比具有喷油规律2(凸轮外形上升较陡)的在同一时期内喷入的燃油量少得多。在喷油提前角和滞燃期相同时，具有喷油规律1的燃烧压力

43、曲线1上升缓和，并且最高燃烧压力值较低，所以内燃机工作柔和，但燃烧时间延长，热效率降低。而具有喷油规律2的压力升高率大，燃烧时间缩短，使柴油机的功率和热效率提高，但工作较为粗暴。,5燃烧室形式的影响 燃烧室形式对燃烧过程的影响主要与混合气形成的过程、空气涡流的形成以及气体与燃烧室壁面的传热有关。它直接影响内燃机的动力性、经济性、工作平稳性以及排气品质、噪声等。6空气涡流的影响 燃烧室内空气涡流的强弱对混合气形成和燃烧也有很大的影响。涡流强度的增加促进了空气对燃油的传热并增加燃油分子和氧气接触的机会，因而加速了燃油的挥发，促进了燃油和空气在燃烧室内的均匀分布，使碳烟的生成量减小。涡流运动对空气的

44、利用程度有很大关系，当燃烧同样多的燃油时，随着涡流的加强，获得正常及完善燃烧所必需的空气量就可减少，这样内燃机可作得紧凑些。,目前形成气缸中空气涡流运动的主要形式有：在进气过程中，利用螺旋进气道或切向进气道，使充入气缸的空气产生绕气缸中心线高速旋转的进气涡流(图818)；在压缩行程中使空气在燃烧室中产生强烈旋转的挤压涡流(图819)。,第五节 柴油机的燃烧室 根据混合气形成方式及燃烧室的结构特点，柴油机的燃烧室可分为两大类：直接喷射式燃烧室和间接喷射式(或称分开式)燃烧室。其中直接喷射式燃烧室又可分为开式燃烧室和半开式燃烧室；分开式燃烧室可分为涡流室燃烧室和预燃室燃烧室。 一、直接喷射式燃烧室

45、 直接喷射式(简称直喷式)燃烧室是因为燃油直接喷射在燃烧室内而得名的。这种燃烧室的结构主要取决于活塞顶上的凹坑形状。通常根据燃烧室凹坑深浅又划分为开式燃烧室(燃烧室口径与气缸直径之比dk/D=08以上)和半开式燃烧室(燃烧室口径与气缸直径之比dk/D=035o65)两类。,(一)开式燃烧室1、 开式燃烧室是一种由活塞顶面及气缸盖底面之间形成的、中间没有明显分隔的燃烧室。如图8-20所示，2、结构特点：活塞顶上的凹坑直径较大，深度较浅、没有缩口、呈浅盆形或浅形，以适应喷注的形状。结构简单、紧凑、散热面积小、无节流损失，燃油消耗率低，起动容易。,(二)半开式燃烧室 1、燃烧室在某种程度上被分为两部

46、分，其中一部分由设置在活塞顶部或气缸盖底面上的凹坑组成，另一部分由活塞顶面到气缸盖底面之间的空间组成，两者间有较大的喉口相联通。2、与开式燃烧室相比，半开式燃烧室在活塞顶上的凹坑直径略小、较深，有的有缩口，其形状繁多。目前应用的形、形、球形、盆形燃烧室以及四角形燃烧室等均属于半开式燃烧室的范畴。3、燃烧室配用单孔或多孔喷油器，并斜置一定角度安装在气缸盖上。喷油压力约为1725 MPa。4、燃烧室的混合气形成不单纯依靠燃油的喷雾质量，而且还借助进气涡流和挤压涡流来促进混合气的形成。5、与开式燃烧室相比较，它对供油系统的要求较低，但仍保持燃油消耗率低、起动方便等优点，6、应用较为广泛，其中应用最多

47、的是形燃烧室。,（1）形燃烧室 这种燃烧室的活塞顶部剖面轮廓为近似的形，如图8-21所示。它利用螺旋进气道在进气时形成的绕气缸轴线旋转的进气涡流和压缩过程中形成的挤压涡流来促进混合气的形成。燃烧室采用多孔喷油器(3-5孔)。当燃油以较高的喷油压力喷人气缸时，部分喷散在燃烧室空间，另部分由于空气涡流的作用，喷射到燃烧室壁面上，形成油膜，后者受热蒸发，油蒸汽被空气涡流带走迅速与空气形成可燃混合气。混合气的形成以空间混合为主。,（2）球形燃烧室活塞顶部的燃烧室呈球形，如图8-22所示。具有一个或两个喷孔的喷油器，装在燃烧室边缘切口处并沿燃烧室壁喷油，使绝大部分燃油喷到燃烧室壁面上，在气流作用下形成层薄油膜。油膜从燃烧室壁面吸取热量，迅速蒸发并与燃烧室中高速旋转的空气混合，形成均质可燃混合气。从喷注中分散出少量雾化燃油，在燃烧室炽热的空气中形成火源，点燃从壁面油膜蒸发形成的可燃混合气。,球形燃烧室的特点是