第三章 柴油机混合气形成和燃烧(自)-1

第三章柴油机混合气形成和燃烧柴油机混合气形成柴油机的燃烧过程柴油机机械控制燃油喷射系统柴油机电子控制燃油喷射系统§3-1柴油机混合气形成一两种基本形式1、空间雾化混合特点:对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴），经济性好。对空气运动要求不高初期空间分布燃料多，工作粗暴2、油膜蒸发混合对燃料喷雾要求不高放热先缓后急，工作柔和，噪声小低速性能不好，冷起动困难。二燃料的喷雾（一）喷雾的作用1ml油滴:1个，d=9.7mm雾化:2.99*107个，d=40m，S=0.5*106mm2面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加（二）喷雾的形成油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。浓度、温度为着火的必要条件（三）喷雾特性油束射程L喷雾锥角雾化质量：细微度—油滴平均直径均匀度—油滴最大直径-油滴平均直径（四）喷油嘴孔式喷嘴孔数:1～5个，=0.25～0.8mm。雾化好，但易阻塞轴针式喷嘴=1～3mm，雾化差，但有自洁作用，不易阻塞三气流运动对混合气形成的影响内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放•组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃有重要作用；•对提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合(热混合作用)有重要作用。内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流（一）、涡流1、进气涡流定义：在进气过程中形成的，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。在柴油机上，进气涡流主要用于提高燃油与空气混合速率。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧。进气涡流的大小由进气道形状和发动机转速决定。进气涡流的产生方法采用带导气屏的进气门切向气道螺旋气道2挤气涡流活塞上行:将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。活塞下行:燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。3压缩涡流4燃烧涡流燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流（二）滚流滚流在近几年来获得了广泛的应用，特别是在缸内直喷汽油机上具有十分重要的地位。（三）湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。（四）热混合作用1刚性涡流涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。2势涡流涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。一般认为涡流为势涡流。3热混合作用涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。若’—质点密度，—空气密度。当’=时，—质点作圆周运动。当’时，—离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。当’时，—压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。液体油、燃油蒸汽:’400，向外运动。燃烧产物:’0.3，向中心运动。燃烧产物将燃油挤向外围与新鲜空气混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。§3-2柴油机的燃烧过程燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向燃烧过程影响着火延迟期的因素着火延迟期对柴油机的影响放热规律一燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（一）燃烧过程的特点1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。2压缩自燃。（二）柴油机燃烧的主要研究方向1喷油雾化2喷油规律3气流运动4燃烧室结构配合要好。二燃烧过程（一）着火延迟期或称滞燃期开始喷油到着火。物理准备—雾化、吸热、蒸发、扩散、混合化学准备—分解、氧化（焰前反应）着火延迟期对柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要着火延迟期越长，积聚的燃料越多，燃烧越激烈，工作越粗暴。（二）速燃期开始着火最高压力点压力升高率:接近等容燃烧ppp3232，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命，pmax做功不利，柴油机性能pp（三）缓燃期最高压力点最高温度点接近等压燃烧Tmax=1700～2000℃。放热量达70～80%喷油在这一阶段停止（四）补燃期最高温度点燃烧终了。补燃期ηi，ge，动力性，冷却水温度，排气温度，排放差柴油机补燃要比汽油机严重。尽量减少补燃三影响着火延迟期的因素（一）压缩温度tC和压力pc—直接影响因素pc，TCτi（二）压缩比pc，TCτi（三）喷油提前角—影响最大的因素喷油时的pc，TCτi（四）转速nn漏气、散热损失pc，TCτi但n着火延迟角（五）十六烷值十六烷值柴油的自然性τi。（六）增压增压pc，TCτi四着火延迟期对柴油机的影响对燃烧过程的影响τiτi期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量，Pmax。一定燃料，喷油提前角，τi，示功图越丰满。τi，预混合气体燃烧，放热峰值p对柴油机性能影响对功率而言，存在最佳的τi。对油耗而言，存在最佳的τi。τi，扩散燃烧，烟度。五放热规律燃烧放热率随曲轴转角变化的关系燃烧过程三要素：放热开始时刻放热规律放热持续时间希望—先缓后急工作柔和，经济性、动力性好，排放少，补燃少§3-3柴油机机械控制燃油喷射系统一燃油喷射二喷油泵速度特性及其校正三不正常喷射现象一燃油喷射（一）供油系统的组成（二）喷油过程（三）几何供油规律与喷油规律（一）供油系统的组成油箱输油泵滤油器低压油管喷油泵高压油管喷油器（喷油嘴）（二）喷油过程柱塞上行，使喷油泵内压力升高，当压力升高到一定值时，克服喷油泵上方出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压，顶开出油阀，通过高压油管向喷油器供油。柱塞式喷油泵组成1.分泵：柱塞偶件、出油阀偶件2.油量调节机构3.驱动机构：凸轮轴、滚轮4.泵体（三）几何供油规律与喷油规律几何供油规律：从几何关系求出的油泵凸轮每转一度（或每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量。dgdfwpppfp—柱塞面积[mm]；wp—柱塞速度[ml/degPA]喷油规律；单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。喷油规律与几何供油规律不一致原因：燃油的可压缩性、传播时间、压力波的反射与重叠喷油规律比较：a.先急后急：油耗,排放好，但工作粗暴。b.先急后缓：工作粗暴，油耗,排放差。c.先缓后急：工作柔和，油耗,排放好。二喷油泵速度特性及其校正喷油泵速度特性：油量调节拉杆位置一定，每循环供油量随转速n的变化关系。n节流作用循环供油时间循环供油量g校正；出油阀校正调速器校正三不正常喷射现象二次喷射不稳定喷射穴蚀（一）二次喷射定义危害产生的原因消除措施定义二次喷射是指发生在主喷射结束之后，喷射终了针阀落座后又第二次开启向气缸内喷油的现象危害喷射时间雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污，炭烟，零件过热。产生的原因高压油管残余油压过高，高压油管内压力波引起。消除二次喷射的方法降低高压油管的残余油压。适当增大出油阀的减压容积，减小高压油路容积，缩短高压油管长度、减小内径等。适当增大喷孔总面积。增大出油阀弹簧刚度和开启压力。（二）不稳定喷射断续喷射隔次喷射原因：喷油系统结构参数匹配不当。（三）穴蚀高压油管下降过快，高压油路中会产生油的蒸气泡。气泡破裂时对金属表面形成冲击而导致疲劳损坏，称为穴蚀现象消除二次喷射的措施往往会促成穴蚀破坏发生§3-4柴油机的燃烧室一燃烧室的分类二直喷式开式燃烧室三直喷半开式燃烧室四分隔式燃烧室五空气运动、燃油喷射及燃烧室结构的匹配六燃烧室的比较与选型混合气形成和燃烧与燃烧室有密切关系，如果燃烧室设计不好，则燃油系统、进气系统也难以与其配合得到良好的性能指标。根据混合气形成和燃烧室结构特点，柴油机的燃烧室基本上分为两大类：直接喷射式燃烧室和分隔式燃烧室。一燃烧室的分类（一）直喷式位于活塞顶部，具有统一空间的燃烧室。1开式（浅盆形）2半开式（深坑形）：型、球型、复合式（U型）一燃烧室的分类（二）分隔式由主、副燃烧室组成。1涡流室型：小型高速车用柴油机。2预燃室型：小、中、大型，中、高速车用柴油机。二直喷式开式燃烧室dk/D0.6dh/D3直喷式开式燃烧室特点混合气形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求高，为此采用多孔喷嘴燃浇室中一般不组织空气涡流运动。燃烧室形状简单，相对散热面积小，不组织气流运动，无节流损失，经济性好，容易起动压力升高比高，工作粗暴。过量空气系数较大，NOX高中、大型，中、低速船舶、发电用柴油机三直喷半开式燃烧室开式燃烧室虽然有经济性好、易于起动的优点，但在小型高速柴油机上应用就会碰到许多问题。因为小型高速柴油机转速高(有的高达4000r／min)，混合气形成和燃烧的时间极短，每循环供油量又很小，单靠雾化混合，则必须将喷孔直径做得很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。由于转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。显然浅盆形燃烧室达不到这一要求，于是出现了有涡流的深坑形燃烧室（半开式）。如图所示，将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，这样燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积及活塞顶上的余隙容积，采用4~6孔的多孔喷油器，喷孔的直径较大(0.35mm左右)。混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室对燃油系统的要求较低。由于利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般过量空气系数为1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。（一）型（一）型dk/D=0.4~0.6长型多孔（3～5个）喷嘴利用进气涡流、挤流组织空气运动。工作粗暴。结构简单，散热面积，冷起动性好，经济性好3.1（二）球型（二）球型特点混合气形成方式：油膜蒸发螺旋进气道，进气涡流强采用单孔喷嘴工作柔和、平稳，噪声小。经济性、动力性较好冷起动性和低速性差，排污严重两种混合方式的特点空间雾化混合油膜蒸发混合1大部分燃料喷射雾化，分布到空气中利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到壁面上2燃料在空气中是细小油滴燃料在壁面上形成油膜3细小油滴与热空气混合形成不均匀的混合气，然后小油滴在高温下蒸发（液相混合）油膜受壁面温度在较低温度下蒸发，然后燃料蒸发与空气混合，形成均匀混合气（气相混合）4在着火延迟期间形成的可燃混合气数量较多，多处着火散布在空气的少量雾化燃油局部着火5燃烧开始时的放热率很高，以后逐渐减慢初期放热速率不高，而随着燃烧的进行，火焰辐射使蒸发增强加上热力混合作用，中、后期的燃烧速度很高四分隔式燃烧室主要用于高速柴油机。结构特点：整个燃烧室分隔成两个空间，主燃烧室设于活塞顶部，副燃烧室位于气缸盖内，中间由通道连接。分类：涡流室型、预燃室型（一）涡流室型（一）涡流室型主要结构参数%80~50ckVV燃烧室容积涡流室容积%5.3~1活塞顶面积通道截面积涡流室燃烧室特点（1）采用轴针式喷嘴。（2）涡流强空气利用率（=1.1～1.3）。（3）n涡流强度高速性。（4）压缩涡流、燃烧涡流使后期放热大工作柔和、平稳，噪声小。（5）相对散热面积，节流损失经济性，冷起动性。（二）预燃室型（二）预燃室型主要结构参数%40~20ckVV燃烧室容积预燃室容积%7.0~25.0活塞顶面积通道截面积预燃室型燃烧室特点（1）采用轴针式喷嘴（2）紊流强混合气形成改善。（3）节流作用大高速时，工作更加柔和、平稳，噪声更小。（4）低速性时易工作粗暴，噪声大。（5）相对散热面积，节流损失经济性。五空气运动、燃油喷射及燃烧室结构的匹配压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，这受许多因素的综合影响，其中空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素。在直喷式燃烧系统中，上述三者之间的合理匹配，被认为是该燃烧系统的三大要素。五空气运动、燃油喷射及燃烧室结构的匹配1在大型低速柴油机中，一般不组织空气涡流运动，而是依靠高压喷射、多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。2在中、