第六章柴油机混合气的形成与燃烧

1发动机原理第6章柴油机混合气的形成与燃烧6.1燃油的喷射与雾化6.2燃烧与放热6.3混合气形成与燃烧室6.4燃烧过程的优化2一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化柴油机燃油供给系统的作用根据柴油机各种工况的需要将柴油适量的燃油喷入量适当的时间喷油时刻合理的油束的空间形态影响因素:1燃油供给2缸内气流运动3燃烧室形状3一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化1、对喷油系统的要求喷油系统的要求能产生足够高的燃油,保证燃料良好的雾化、混合和燃烧实现要求的喷油规律根据工况控制喷油量避免出现异常喷射现象雾化质量燃油空间分布气流与燃烧室的匹配控制循环油量保证各循环及各缸间均匀喷射保证良好的燃烧放热规律和总和性能4一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化2、喷油系统的工作原理（1）柱塞式喷油泵供给系统5一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（1）柱塞式喷油泵结构及工作原理6一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（1）柱塞式喷油泵结构及工作原理A油量的调节7一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（1）柱塞式喷油泵结构及工作原理A油量的调节8一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化2、喷油系统的工作原理（2）分配式喷油泵供给系统9一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化2、喷油系统的工作原理（2）分配式喷油泵供给系统VE分配泵喷油系统的油路如图3所示。柴油机启动前，先用手动泵泵油，通过顶盖上的溢流阀排除柴油管路中的空气。柴油机运行时，由曲轴齿轮带动分配泵的传动轴。其前端的滑片式输油泵将柴油从油箱中抽出，经过柴油滤清器和油水分离器，滤掉柴油中的杂质和水份后进入输油泵，使柴油压力升高。然后进入分配泵泵体内，再经过电磁阀进入柱塞腔。10一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化2、喷油系统的工作原理（2）分配式喷油泵供给系统当柱塞向上运动时，压缩柴油产生高压，经柱塞中的油道和出油孔，分配到泵体上相应汽缸的油道，再经过出油阀、高压油管和喷油器喷入对应的汽缸。泵体内多余的柴油从顶盖上的溢流阀返回油箱。柴油如此循环流动既可带走油路中的气泡和零件摩擦产生的热量，又可润滑各个运动零件。与此同时，泵体内的柴油压力控制提前器，相应改变喷油提前角。11一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（2）分配式喷油泵结构及工作原理驱动轴调速器驱动齿轮平面凸轮盘分配柱塞飞锤柱塞套调速套筒杠杆出油阀回位弹簧调速手柄断油阀喷油提前器调速弹簧12一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（2）分配式喷油泵结构及工作原理13一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（2）分配式喷油泵结构及工作原理14一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵（2）分配式喷油泵结构及工作原理15一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵16一、喷油系统6.1燃油的喷射与雾化3、喷油泵喷油提前器当柴油机在某一转速下稳定运转时，作用在活塞左、右端的力相等，活塞处于某一平衡位置。若柴油机转速升高，输油泵的出口压力增大，活塞右端的力随之增加，推动活塞向左移动，带动滚轮架绕其轴线转动一定的角度，直至活塞两端的力重新达到平衡为止。滚轮架的转动方向与平面凸轮盘的旋转方向正好相反，使平面凸轮提前一定角度与滚轮接触，供油相应提前，即供油提前角增大。反之，若柴油机转速降低，输油泵的出口压力也随之降低，作用于活塞右端的力减小，活塞向右移动，并带动滚轮架向着平面凸轮盘旋转的同一方向转过一定的角度，使供油提前角减小。176.1燃油的喷射与雾化4、喷油器18二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化1、喷射过程喷射过程15～400CA1喷射延迟阶段2主喷射阶段3喷油结束阶段针阀升程h喷油器端压力Pn喷油泵端压力PH19二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化2、供油规律与喷油规律相关概念供油速率喷油速率单位凸轮轴转角或单位时间由喷油泵供入高压油路的燃油量单位凸轮轴转角或单位时间由喷油器喷入燃烧室内燃油量供油规律喷油规律供油速率随凸轮轴转角或时间的变化规律喷油速率随凸轮轴转角或时间的变化规律20二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化2、供油规律与喷油规律02468101214161820222426280.080.070.060.050.040.030.020.010喷油泵凸轮轴转角供油速率和喷油速率mL/0凸轮转角21二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化2、供油规律与喷油规律的关系供油规律与喷油规律的区别喷油规律虽然由供油规律决定，但是1始点相差8～120曲轴转角；2喷油持续时间比供油时间长；3最大喷油速率小于最大供油速率；4循环喷油量低于循环供油量。原因1燃油的可压缩性2压力波传播滞后3压力波动4高压容积变化22二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化3、喷雾特性与雾化质量雾化及其作用油束的几何参数油束射程L喷雾锥角贯穿率影响因素与燃烧室形式及尺寸配合主要取决于喷孔尺寸和形状由油束射程和燃烧室、气流运动强弱决定喷射压力喷油器孔长径比空燃密度比23二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化3、喷雾特性与雾化质量油束的雾化质量油束中液滴的细度和均匀度油束核心部分液滴与有所外围部分的油滴直径、密集程度、液滴速度不同喷雾粒径指标平均粒径索特粒径SMD粒径分布喷雾特性影响因素分析喷油压力空气密度喷孔直径燃油粘度和表面张力衡量标准24二、喷射与雾化6.1燃油的喷射与雾化3、喷雾特性与雾化质量异常喷射二次喷射断续喷射不规则喷射和隔次喷射滴油现象现象、危害、多发环境现象、危害、产生机理现象、危害、多发环境现象、危害、产生机理措施：减小高压容积，减小压力波动；优化喷射系统参数。穴蚀的产生及其危害25一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热循环放热量循环供油量放热速率柴油机燃烧过程1着火落后期2速燃期3缓燃期4补燃期放热规律评价指标瞬时放热速率积累放热百分比26一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热1、着火落后期从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合；化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。特点：压力没有偏离压缩线。27一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热1、着火落后期影响着火延迟期长短的主要因素是：喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。燃烧室的形状和壁温等。喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。28一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热2、速燃期速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力.特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）29一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热2、速燃期一般用压力升高率λp〔kPa／(º)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）;△θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAº）。pp30一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热2、速燃期特点：（1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。（2）达到最高压力（6~9MPa）。（3）继续喷油。压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。31一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热2、速燃期压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5MPa／(º)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。控制压力升高率的措施：减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量①缩短着火延迟期的时间②减少着火延迟期内喷入③减少可能形成可燃混合气的燃油32一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热3、缓燃期从最大压力点至最大温度点（2000度左右）。特点：（1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。（2）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20º~35º曲轴转角处出现。是可燃物逐渐减少，燃烧速度放缓的过程，燃烧可认为是扩散燃烧阶段。需要燃烧后期喷入的燃油快速混合形成可燃混合气，快速燃烧掉。33一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热3、缓燃期要求：为了提高热效率需要缩短缓燃期。措施：（1）加快燃烧后期气流的扰动快速形成混合气。（2）过量空气系数大于1。（3）燃烧室要的气流运动与最小过量空气系数相匹配，保证最不利的条件下能完全燃烧。34一、柴油机燃烧过程6.2燃烧与放热4、补燃期从最高温度点至燃料基本燃烧完全。一般放热量达到循环总放热量的95～99％时认为补燃期结束。补燃期的影响因素：补燃期的长短与发动机转速、负荷有关。当高转速、大负荷时候不燃期增长。补燃期长短对发动机的影响：补燃期增大降低燃料经济性、同时导致发动机过热。所以要尽量缩短补燃期。措施：加强缸内的气流运动，加快后期的混合气的形成和燃烧速度。35二、燃烧放热规律6.2燃烧与放热1、燃烧放热规律的定义瞬时放热速率：在燃烧过程的某一时刻，单位时间内燃烧的燃油所放出的热量。累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量之比。瞬时放热速率与累计放热百分比随曲轴转角的关系，称为燃烧放热规律。36二、燃烧放热规律6.2燃烧与放热2、理想的燃烧放热规律及其控制放热规律三要素1燃烧放热始点2放热持续期3放热曲线形状1）对放热率中心线距离上止点的位置的影响；2）对循环放热量、压力升高比、燃烧最大压力的影响1）对示功图的形状的影响2）影响等压放热持续时间，循环热效率，排放指标。影响循环热效率、噪声、振动、排放三要素的合理选择1燃烧放热始点2放热持续期3放热曲线形状37一、柴油机的混合气形成特点和方式6.3混合气形成与燃烧室1、混合气形成的特点柴油机所用的燃料（柴油）粘度较大，不宜挥发，必须借助喷油设备（喷油泵和喷油器等）将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压以细小的油滴形式喷入气缸，与高温高压的热空气混合，经过一系列物理化学准备，然后着火燃烧。故柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。柴油机可燃混合气的形成时间极为短促，这就给柴油机中柴油与空气的良好混合和完全燃烧带来很大困难。而且喷油与燃烧重叠，出现边燃烧，边喷油，边混合的情况。因此混合气形成过程很复杂。柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。过量空气系数通常在标准工况下都大于1，一般在1.15~2.20范围内。38一、柴油机的混合气形成特点和方式6.3混合气形成与燃烧室2、混合气形成基本方式2柴油机混和气形成方式1)空间雾化混合多孔喷油少喷孔组织进气涡流直喷柴油机非直喷式燃烧室撞击喷射2)油膜蒸发混合优点难点降低排放起动、工况适应性39一、柴油机的混合气形成特点和方式6.3混合气形成与燃烧室2、混合气形成基本方式（1）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。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状配合，并利用燃烧室中空气的运动与其混合，如图（a）所示。40一、柴油机的混合气形成特点和方式6.3混合气形成与燃烧室2、混合气形成基本方式（2）油膜蒸发混合将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气，如图所示。这一混合方式中起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。41二、缸内气流运动6.3混合气形成与燃烧室1、涡流在直喷式燃烧室中必须组织一定强度的空气涡流运动。随着柴油机转速的不断提高以及过量空气系数的降低，混合气形成的条件更加困难。空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段，也是保证完善燃烧的重要条件。直喷式燃烧室产生空气涡流运动的方法有两种：进气涡流和压缩涡流。（1）进气涡流：它是在气缸盖上采用特殊形状的进气道，使空气进入气缸时，形成绕气缸中心线旋转的涡流运