第六章 柴油机混合气形成与燃烧2

第一章内燃机的工作循环与性能指标第二章内燃机的换气过程第三章内燃机的燃料与燃烧第四章汽油机的燃烧过程第五章汽油机管理系统第六章柴油机混合气形成与燃烧第七章柴油机的燃料喷射与雾化第八章内燃机的特性与匹配内燃机原理第六章柴油机混合气形成与燃烧§6-1柴油机混合气的形成方式§6-2柴油机的燃烧过程§6-3柴油机的排放控制§6-4柴油机燃烧室一、柴油机混合气形成的特点§6-1柴油机混合气的形成方式二、混合气形成的基本方式三、柴油机气缸内的空气运动§6-1柴油机的混合气形成方式一、柴油机混合气形成的特点1.在接近压缩行程终了时借助喷油器将高压柴油喷入气缸，在空气压缩温度下，柴油机着火，之后，喷油、混合气的形成和燃烧便重叠进行；3.燃油与空气混合时间短；4.柴油机的混合气形成对燃烧过程有决定性的影响。CAo3515-燃油喷射质量：喷油压力、喷油器结构-空气运动-燃烧室形状混合气形成质量１、空间雾化混合：特点：直接将柴油喷射到燃烧室空间，使柴油与空气形成混合气的一种混合方式。喷油器：采用高的喷射压力和雾化质量较好的多孔式喷油器；空气运动:适当的空气运动特性：滞燃期长，初期蒸发量大，造成初期放热速率大，工作粗暴。§6-1柴油机的混合气形成方式二、柴油机混合气形成的基本方式多孔式喷油器：１－７个孔，直径0.2-0.5mm较多的油滴受热蒸发形成可燃混合气。２、油膜蒸发混合：特点：将绝大部分柴油喷射到燃烧室壁面上，形成一层均匀的油膜，而只有少量的柴油是直接喷射在燃烧室内的空气中引燃；空气运动：强烈的进气涡流；喷油器：对喷油系统和燃油品质的要求不高，用轴式喷油器或孔式喷油器§6-1柴油机的混合气形成方式二、柴油机混合气形成的基本方式特性：初期燃烧量小，造成初期放热速率小，运转柔和在实际的柴油机混合过程中，混合过程介于空间雾化混合和油膜蒸发混合两种方式之间。两种方式所占比例与燃烧室形状、喷油方向、油束射程及涡流强度等因素有关。§6-1柴油机的混合气形成方式二、柴油机混合气形成的基本方式空间雾化混合油膜蒸发混合燃烧速率曲轴转角油膜蒸发混合燃烧容易拉长，影响经济性，且燃油蒸气在高温、过浓的情况下也要裂解形成碳烟。三、柴油机气缸内的空气运动§6-1柴油机的混合气形成方式组织良好的缸内空气运动缸内空气运动可提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，影响着发动饥的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。内燃机缸内空气运动缸内空气运动：进气涡流、挤流和紊流-燃油喷射质量：喷油压力、喷油器结构-空气运动-燃烧室形状混合气形成质量1．进气涡流(swirl)进气过程中形成的，绕气缸轴线规则的气流运动；。由于气流间的内摩擦和气流与缸壁间的摩擦，进气涡流逐渐衰弱。进气过程产生的旋流可持续到膨胀过程；进气涡流产生的方法：导气屏、切向进气道、螺旋进气道三、柴油机气缸内的空气运动（１）导气屏产生进气涡流的方法1．进气涡流三、柴油机气缸内的空气运动强制空气从导气屏的前面流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。改变导气屏包角口的大小和安装位置，可改变涡流强度。缺点：减少气流流通截面积，流动阻力增加，充量系数下降。（2）切向气道气道形状平直，在气门座前强烈收缩，引导气流沿单边切线方向进入气缸，造成气门口速度分布不均匀产生涡流。切向气道仅适用于要求进气涡流强度不高的柴油机上三、柴油机气缸内的空气运动1．进气涡流(3)螺旋气道在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转。气道质量对铸造工艺和加工的要求很高。三、柴油机气缸内的空气运动1．进气涡流各类气道气门出口处的速度分布a)平直无旋气道b)带导气屏的进气道c)切向气道d)纯螺旋气道三、柴油机气缸内的空气运动1．进气涡流气道的评定指标流动阻力涡流强度流量系数涡流比三、柴油机气缸内的空气运动1．进气涡流流量系数：通过气门阀座的实际质量流量与理论质量流量的比值希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。气道稳流试验台1-试验缸盖2-模拟气缸3-叶片风速仪4-计数器5-压差计6-孔板流量计7-稳压箱8-鼓风机9-流量调节阀涡流比Ｒ为叶片旋转角速度，e为发动机曲轴旋转角速度不同气道涡流强度比较导气屏，可调节涡流强度，涡流比Ω＝0～4，但阻力最大，一般用于少数汽油机和试验研究用发动机。切向气道形状简单，涡流比Ω＝1～2，适用于对涡流强度要求不高的发动机。螺旋气道的形状最复杂，涡流比Ω＝2～4，同样涡流比时的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。三、柴油机气缸内的空气运动1．进气涡流三、柴油机气缸内的空气运动§6-1柴油机的混合气形成方式Schlierenphotographw/oswirlTestsetupofahighspeedcamera２、挤流（quenchflow)在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动，称为逆挤流。挤流强度由挤气面积和挤气间隙的大小决定。三、柴油机气缸内的空气运动缩口形燃烧室3.压缩涡流在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。如在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，这种压缩涡流；压缩涡流可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合，涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。4、紊流在气缸内形成的无规则的气流运动称为紊流（或湍流）。采用统计的方法定义紊流特性参数，在统计定常的紊流场中，某一方向上的当地瞬时流速U可以写为平均速度和流速的脉动分量之和。紊流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即：一、着火的条件和特点§6-2柴油机燃烧过程二、燃烧过程三、影响燃烧过程的因素四、着火延迟与燃烧噪声五、柴油机的冷起动燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些细小油滴经过加热、蒸发、扩散与空气的混合等物理准备及分解、氧化等化学准备阶段后，即自行着火燃烧。第二节柴油机的燃烧过程一、着火的条件和特点τl+τ2+τ3，称为滞燃期τi，也可称为着火延迟时期。链锁反应加剧＋热的积累着火空气混合气燃油蒸气和空气•空气运动加速混合条件：在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。特点：形成合适浓度的混合气及温度条件的地方不止一个，因此是几处同时着火。一、着火的条件和特点油滴受空气加热蒸发、扩散并与空气混合•高压喷射促使雾化静止空气燃烧阶段的划分根据燃烧过程进行的实际特征，一般把燃烧过程划分为四个阶段：-滞燃期或着火延迟期1-2-急燃期2-3-缓燃期3-4-后燃期4-5二、燃烧过程滞燃期（1-2）：从喷油开始到缸内压力脱离压缩线为止。喷入气缸的燃料进行着火前的物理准备及化学准备。滞燃期以i或i表示。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）iii60(s)3606nn第Ⅰ阶段：滞燃期或着火延迟期（３）在柴油机中，一般i=0.7-3ms。二、燃烧过程喷油提前角滞燃期越长则噪声越大，工作越粗暴，ＮＯＸ高。第Ⅰ阶段：滞燃期（３）二、燃烧过程原因：则在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，这些燃料在第Ⅱ阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比、最高燃烧压力和温度越高。静止空气影响因素：－压缩温度和压力、（喷油时刻）喷油提前角、转速、燃料性质pc↑、Tc↑→τi↓十六烷值高的燃料，滞燃期短喷油提前角的影响通过压缩温度和压力实现•喷油过早→pc↓、Tc↓→τi↑转速关于滞燃期第Ⅱ阶段：急燃期２－３急燃期：开始着火到最高压力的出现。特点：缸中压力急剧升高。平均压力升率：当压力升高比高：好处：循环热效率提高，有利于提高柴油机的动力性和经济性；问题：工作粗暴，燃烧噪声和振动大，NOx排放量多。运动件受冲击负荷大，发动机寿命缩短。（３）Δp/Δφ=(p3－p2)/(φ3－φ2)平均压升率应小于0.4MPa/CA。第Ⅲ阶段：缓燃期３－４缓燃期：最高压力点到最高温度点的阶段。有些发动机在缓燃期内仍在继续喷射，喷入的燃料是在气缸容积逐渐增加、缸内空气量减少而燃烧产物不断增加的条件下燃烧，相对缓慢，因此称为缓燃期。易产生碳烟；在缓燃期内需组织空气运动，加速混合气形成；大于2000℃第Ⅳ阶段：后燃期４－５从缓燃期终点到燃料基本上完全燃烧为止。在高速、高负荷时，由于过量空气少，后燃现象比较严重，有时甚至一直继续到排气过程之中。在后燃期，因活塞下行，燃料在较低的膨胀比下放热，热量不能有效利用，并增加散热损失，经济性下降。后燃期应尽可能地缩短。柴油机燃烧过程的两个重要参数：着火延迟期和放热规律，它们对发机性能的影响主要集中在压力升高率和循环热效率两方面；a：初期放热过大，pz高，i高，但工作粗暴，ＮＯＸ高；b：初期放热少，燃烧时间不及时，pz低，i低，碳烟高。c：先缓后急是合适的放热规律燃烧，既满足工作柔和的要求，随后燃烧要加快，使燃料接近上止点附近燃烧，以满足经济性要求总结二、燃烧过程柴油机工作平稳性与经济性存在矛盾曲轴转角放热规律acb三、着火延迟与燃烧噪声内燃机噪声：燃烧噪声、机械噪声、进气噪声、排气噪声。燃烧噪声产生的机理：燃烧噪声是由气缸内压力的急剧变化而产生，而且这种压力变化直接作用于气缸体使其振动而对外辐射噪声。燃烧噪声↑→dp/dφ↑→着火延迟期τi↑当压力升高比在0.5MPa/CA以上，就明显感到有强烈的震音。怠速敲缸：柴油机冷起动或怠速时，缸内温度较低，燃料滞燃期较长，压力升高比也较大，产生较强的震音降低燃烧噪声的措施：缩短着火延迟期τi→喷油规律（要求初期喷油速率，但喷油持续时间又不）－采用二次喷射－合理的燃烧室设计四、柴油机的冷起动性能不加特殊的冷起动措施(如加装电热塞、起动液、进气空气预热等)，柴油机大致均可在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：1)启动时气缸内压缩终了温度和压力低。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，运动阻力大。改善起动性能：－提高压缩终了温度：电热塞加热－高压喷油，保证雾化。五、影响燃烧过程的因素影响燃烧过程的因素：柴油十六烷值、喷油规律、转速、负荷1、柴油十六烷值十六烷值越高—自燃性好-滞燃期短-运转平稳、易起动十六烷值过高—热稳定性差-碳烟、经济性差十六烷值过低–滞燃期长-工作粗暴、不易起动→自燃性→滞燃期２、喷油规律喷油速率：单位时间（曲轴转角）的喷油量。喷油规律：喷油速率随曲轴变化的关系。喷油规律决定了放热规律喷油规律基本要素：曲线形状和喷油提前角；喷油规律形状：“先缓后急”喷油规律曲轴转角喷油规律对燃烧过程的影响五、影响燃烧过程的因素喷油提前角喷油提前角对燃烧过程的影响1-θfj过大2-θfj合适3-θfj过小２、喷油规律喷油提前角喷油提前角过大，柴油机工作粗暴，NOx的排放量增加。过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性；喷油提前角过小，燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利，微粒的排放也会增加。但NOx的排放量↓.对于每一种工况，均有一个最佳的喷油提前角，此时功率最高,有效燃油消耗率最低。在不同转速和负荷下，最佳的喷油提前角不同。转速升高时，由于散热损失和活塞环的漏气损失减小，使压缩终点的温度和压力增高，使得以秒为单位的着火落后期τi缩短，而以曲轴转角为单位的着火延迟期Φi则有可能延长。为了保证燃料在上止点附近迅速燃烧，最佳喷油提前角也应随转速的升高而增大。一般来说，转速过高或过低时，都会使燃烧热效率降低。(曲轴转角与时间及转速的对应关系φ=6n)五、影响燃烧过程的因素转速对着火延迟期的影响Φi３、转速着火落后期热效率→热效率转速空气运动充气效率柴油