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1、第六章 柴油机混合气形成与燃烧,本章要求：了解：柴油机燃烧室的分类、特点和对燃烧的影响；柴油机有害排放物的生成机理。理解：影响燃烧的因素和措施。掌握：柴油机燃烧过程；柴油机混合气的形成；柴油机的喷射与雾化。,柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同： 1、混合气形成的方法： 汽油机：缸外（化油器及进气管中），较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。 2、着火和燃烧的方式： 汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、地点均能控制。 柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控制。 3、保证及时、完全燃烧的方法： 汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合
2、气。,第一节 柴油机燃烧过程,柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便与空气形成可燃混合气。油滴的着火要满足两个条件：（1）混合气的温度要高于着火临界温度。（2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。 着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。,一、燃烧方式-油滴扩散燃烧,单个油滴的着火区域,直径：5150um(中间较大)Tc-热空气温度Tw-油滴周围混合气温度Cu-油滴周围混合气浓度W-化学反应速度,在稀火焰区形成着火核心；稀熄火区是未燃HC的主要来源后喷现象：雾化和贯穿度小，形成CO、碳粒和未燃HC等,二、燃烧过程,-滞
3、燃期 -速燃期 -缓燃期 -补燃期 h-针阀升程 Q-循环放热量 dQ/d-放热速率 dq/d-喷油速率,1)喷油始点2)缸内压力线偏离纯压缩线始点3)最高压力点4)最高温度点,、滞燃期（着火延迟期）（1-2）,从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点（或着火）阶段 (图6-2)*在压缩终点,Tc=450-800,大于柴油的自燃温度（330-350）,但不会立即着火,进行着火前的准备。* 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。* 化学准备：裂化，着火前的氧化反应。*一般着火延迟时间i0.7-3ms，i8-12A*喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响i的主要因素*i的长短会影响预混合气量,对柴油
4、机性能有很大影响,、速燃期（2-3） （图6-2）,从着火(压力脱离压缩线)到缸内压力最高阶段*着火后，在滞燃期内形成的非均质混合气此时同时燃烧，也称为“预混合燃烧”*活塞在上止点附近，气缸容积较小，接近于等容燃烧*平均压力升高率P/=(P3-P2)/(3-2) 升高很快，放热率dQ/d 大。*出现最高压力点，理想位置：上止点后1015A*柴油机P/一般0.4 0.6MPa/A*放热量为20% 30%*同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。,、缓燃期（3-4） （图6-2） 从缸内压力最高到温度最高阶段 *着火后，混合是在边燃烧、边喷油的情况下进行的扩散混合，此阶段的燃
5、烧称为扩散燃烧。*新鲜空气愈来愈少，温度愈来愈高，燃烧产物愈来愈多，燃烧速度缓慢，同时活塞已下行，压力近似不变，近于等压燃烧。*速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，大部分燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的7080%。*放热率比速燃期小*一般在上止点后2035CA，出现最高温度，达16002000。*温度虽升高，由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求加强空气运动，1。,、补燃期（4-） 从温度最高到燃料燃烧结束。 远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，故应尽量减少后燃。,三、燃烧过程中存在的问题,1.混合气形成困难，燃烧不完全。
6、混合极不均匀混合气形成时间短，边喷油、边混合、 边燃烧。 改进措施： 促进混合气的形成。 结构上，促进缸内的涡流运动。 供给较多的空气。 a大于1，一般取1.3。但是至少30%的空气未被利用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。,2.工作粗暴，燃烧噪音较大。 速燃期内,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动,并通过气缸壁传到外部,形成燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的P/有很大关系。为使工作柔和，要求P/400kpa/CA。 P/的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合气的数量有关，缩短着火延迟时间i，减少滞燃期内的喷油量，抑制此阶
7、段混合气的形成,可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。,3.排气冒黑烟 主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。减少黑烟的主要措施: (1)增加过量空气系数a 。但与提高柴油机的动力性相矛盾。（2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。,4.排气冒蓝烟、白烟 在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.61微米的颗粒构成，而蓝烟是由0.6微米以下的颗粒构成。 暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。,柴油机与汽油机的放热规律,定义：放热率dQ/d(每度曲轴转角的
8、放热量)随曲轴转角的变化关系。它决定压力升高率(噪音)的变化和热效率。,四、燃烧过程的放热规律,理想的放热规律应为：曲线要先缓后急。放热开始时刻要适当提前,持续时间为40CA。,在燃烧期内，放热过程分三个阶段：预混合燃烧阶段对应速燃期，放热率很高，历时 3 7A。扩散燃烧阶段对应缓燃期，放热率下降，为主放 热阶段，历时40A。 这两个阶段放热达80%。 放热“尾巴”对应后燃期，放热20%。放热规律三要素： 燃烧始点、放热曲线形状、持续时间。燃烧始点使最高压力发生在上止点后78 A。放热曲线形状开始放热适中,然后燃烧加快，尾巴尽量短。持续时间最佳约为40 A,第二节 柴油机混合气的形成,柴油机混
9、合气形成靠三方面的相互作用： 一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。混合气形成特点: 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、空气涡流运动三方面配合,混合气形成方法: 空间雾化混合，油膜蒸发混合。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混合。油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气与空气涡流混合。 在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。,1.燃油的雾化 燃油在经喷孔喷出时，在气缸中被破碎成微粒的过程。,喷油横截面上燃油分布,喷油横截面上油粒速度,L:射程:锥角,喷注
10、的形状,一、燃油的雾化,2喷注的特征 喷注射程L：表示喷注贯穿深度；喷注锥角：表示喷注紧密程度；细微度和均匀度：表示雾化程度。 细微度-油注中的平均直径 均匀度-油注中最大直径与最小直径之差,3影响喷注质量的主要因素喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油的粘度等。,二、空气运动对混合气形成的影响,无空气运动，属于“油找空气”，需要较高喷射压力。缸内有空气的涡流运动，“空气找油”，能加速雾化的油滴与周围空气的混合，促进燃烧。但能量和热损失大，充量系数下降，经济性略差。 涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠。,三、典型燃烧室结构分析,1燃烧室分类直喷式和分开式两大类 直喷式燃烧室：燃油直接喷
11、入由活塞顶和缸盖形成的 一个统一空间。（缸径大于100mm，转速小于3000r/min的柴油机基本用直喷式的）根据凹坑深度分： 开式燃烧室浅坑型，如浅盆形或浅形燃烧室 半开式燃烧室深坑型，如形和球形燃烧室分开式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。 如：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室（高速小缸径柴油机多采用分开式燃烧室） 一般，气缸直径越大，燃烧室越浅。,2对柴油机燃烧室的要求 a小； （但应燃烧完全及时） 适度的P/和Pz值； （以保证工作柔和、平稳、可靠。） 排气品质好； 变工况适应好； （应在负荷、转速变化时，柴油机性能稳定。） 冷起动性好； 制造、维修方便。,3.直喷式燃烧室的空气涡流运
12、动,产生涡流运动的方法： 1）进气涡流靠切向进气道和螺旋进气道形成。切向进气道：气道母线与气缸相切，在气门前强烈收缩，使气流越来越快进入气缸后受缸壁的约束而转向，形成涡流。,螺旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于高速柴油机上。,2）挤气涡流在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶上方环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的空气的涡流运动。涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。,逆挤流,4.直喷式燃烧室,1）开式燃烧室浅坑型混合气形成方式以空间雾化为主。无或很弱进气涡流，形成质量
13、依靠喷雾质量（细微度及均匀度)，对喷射系统要求高（100MPa，7-12喷孔）；结构简单，F/V小，Q放 ，经济性好；起动性好，热负荷低；但a 大（1.52.2），工作粗暴，对燃料要求高。一般适用于大缸径（140mm），低速（2000r/min）柴油机。如浅型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。,浅型燃烧室,2）半开式燃烧室深坑型 混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。 型燃烧室（典型）混合气形成：空间雾化混合为主。 一般采用多孔喷嘴（4-6孔），较高喷射压力，并组织一定的进气涡流和挤气涡流。面容比小，Q放，经济性好。低温起动性好。 P/和
14、Pz大，工作粗暴。 a 大（1.3-1.5）。形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。适用于4500r/min以下，80-140mm的柴油机。,型燃烧室, 球形燃烧室 混合气形成：油膜蒸发。 一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。 面容比小，经济性好。 P/和Pz较小，工作柔和。对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。冷起动困难。低速、加速时冒黑烟。不适于增压，变工况适应性差，目前已很少使用。,球型燃烧室,5、分开式燃烧室,1）涡流室式燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主一般采用轴针式喷油器，涡流室占燃烧容积的50%-60%喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降
15、低) P/较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活塞已下行）空气利用率高， a 值可较小（1.2.13）高速性能好。（涡流随转速升高而加强）排污低（最高燃烧温度低）变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的流动特性基本不变）面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）,涡流室式燃烧室,1）预燃室式燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主。采用轴针式喷油器，预燃室占燃烧容积的50%-60%。喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃烧涡流形成混合气）。 P/较小，工作柔和。空气利用率高， a值可较小。变工况适应性好，对转速不敏感。 NOx排放低。启动性差，
16、面容比较大，经济性差。低速噪声（惰转噪声）大。(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长),预燃室式燃烧室,各种燃烧室的比较,第三节 燃油的喷射,一、喷射过程 燃油的喷射： 燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压力升高，经喷油器喷出的过程。 分三个阶段：喷油延迟阶段，主喷射阶段，喷射结束阶段。,燃油的喷射过程,二、不正常喷射,1.二次喷射 针阀落座后，过大的反射波（高压油管内）使针阀再次升起而喷油的现象。,危害：喷油时间，喷油量，后燃加重发动机过热，排温，燃油消耗率, 喷射压力低，雾化不良，燃烧过程中喷入气缸，排气冒黑烟，积碳。 （高速、高负荷时较严重）,隔次
17、喷射发生在怠速运行时，造成柴油机怠速运转不稳。,三、避免不正常喷射的措施减少高压容积缩短高压油管长度合理选择喷射参数,2.断续喷射、隔次喷射,断续喷射常发生在低速小负荷工况。,第四节 影响燃烧过程的因素,一、燃油的影响 1燃油的着火性 是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。 （用十六烷值表示）十六烷值高，着火性好，滞燃期短，P/较小，工作柔和。且起动性好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，易冒烟。 车用柴油机的十六烷值，一般为4050。十六烷值对燃烧过程的影响图 2蒸发性 蒸发性差，燃烧不完全。 蒸发性过好，工作粗暴。,二、压缩性的影响,Tc、Pc滞燃期缩短，工作柔和，改善柴油机冷起动
18、性。过大Pz，机械磨损，使用寿命当21时，it的提高不明显。柴油机合适的压缩比主要是根据冷起动的需要来确定。,三、使用方面因素的影响,（一）喷油规律喷油规律：指喷油速率dq/d（每度曲轴转角的喷油量）随曲轴转角的变化关系。柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。理想的喷油持续角为1635CA，喷油速率的变化要先缓后急。喷油规律可以通过改变喷油泵凸轮轴的凸轮型面加以调整。,（二）供油提前角,供油提前角 ：高压油泵柱塞关闭进油孔瞬时到上止点之间的曲轴转角。喷油延迟角：供油提前角与喷油提前角相差。过大、过小的危害： （对燃烧的影响图）过大滞燃期柴油机工作粗暴，怠速不 稳，冷起动困难。 压缩负功，P
19、e，be过小后燃量，排气温度，it， Pe，be,供油提前角调整特性：柴油机的性能指标随供油提前角的变化关系。,最佳供油提前角：当柴油机be最低，Pe最大时的供油提前角。,（三）转速n,n进气加速、改 善混合气形成 着火延迟时间 i。 但着火延迟角 i=6nior ,转速对i及i的影响,对直喷式柴油机，n最佳供油提前角。故柴油机上通常装有供油提前角自动提前装置。,（四）负荷,负荷循环供油量 a 放热量 喷油时缸内温度 着火延迟时间 工作柔和性。,但循环供油量喷油持续角（应增大供油提前角）燃烧恶化i，bi 当负荷过大时,过小，燃烧恶化，排气冒黑烟，经济性进一步下降。,供油提前角对燃烧过程的影响,
20、柴油十六烷值对燃烧过程的影响,空间雾化混合及油膜蒸发混合,空间雾化混合： 将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。油膜蒸发混合： 将大部分燃油喷向燃烧室璧面，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，与空气形成混合气。,复习思考题 1、柴油机的燃烧过程分哪几个阶段？是怎样划分的？ 2、柴油机的燃烧过程存在哪些问题？如何解决？ 3、什么是放热规律？理想的放热规律是什么？ 4、什么是空间雾化混合、油膜蒸发混合？ 5、形燃烧室、球形燃烧室、涡流室式燃烧室对发动机性 能有何影响？ 6、直喷室燃烧室产生进气涡流的方式有哪些？ 7、柴油不正常喷射有拿几种？各有何危害？ 8、柴油的十六烷值对燃烧过程有哪些影响？ 9、什么叫喷油规律？它对燃烧过程有那些影响？ 10、什么是最佳供油提前角？它对燃烧过程有那些影 响？对于直喷式柴油机来说，当转速增加时，它如 何变化？,
