第五章 柴油机混合气的形成与燃烧

1第五章柴油机混合气的形成和燃烧本章要求：了解：柴油机有害排放物和燃烧噪声生成机理，柴油机燃烧室的分类、特点。理解：影响燃烧的因素和改善措施。掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油机的喷射与雾化。2柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：汽油机柴油机混合方式：着火燃烧：进气涡流：缸外混合（少数缸内）缸内混合（混合时间长）（混合时间短）点燃、预混合燃烧压燃、扩散燃烧（着火时间、地点可控）（着火时刻、地点不可控）加速火焰传播促进燃油与空气混合防止爆燃加速燃烧3第1节燃油的喷射与雾化指从喷油泵开始供油到喷油器停止喷油的全过程。包括：喷射延迟、主喷和喷油结束三个阶段。一、喷射与雾化1、喷射过程：柴油机的燃烧过程取决于混合气的形成，而后者又取决于燃料的喷射与雾化、缸内的气流运动和燃烧室的结构。41）喷油延迟：从喷油泵柱塞关闭进油孔瞬间到喷油器针阀升起（喷油开始）。供油提前角θG喷油提前角θP喷油延迟角θ=θG-θP喷油延迟角随发动机转速的提高和高压油管长度增加而增大。*思考：供油（或喷油）提前角过大或过小会产生什么问题？52）主喷油：3）喷油结束：从喷油器开始喷油到喷油器端压力开始急剧下降。持续时间取决于喷油泵柱塞的有效行程。从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油。由于喷油压力低，雾化差，希望断油迅速、彻底，以减少这一阶段的喷油量。62、供油规律和喷油规律：分别指供油速率和喷油速率随凸轮转角或时间的变化规律。两者的特点：1）供油规律决定喷油规律；2）喷油持续时间大于供油时间；3）喷油时刻落后于供油时刻；4）循环喷油量少于循环供油量；5）最大喷油速率低于最高供油速率；6）喷油规律较供油规律明显畸变。7造成喷油规律与供油规律差异的主要原因：1）燃油的可压缩性：2）压力波传递的滞后：产生压力波并使循环供油量大于循环喷油量。3）压力波动：喷油时刻落后于供油时刻（高压油管越长、转速越高，落后角度越大）。造成喷油规律明显畸变。4）高压容积变化（高压油管和两阀）：主要造成循环供油量大于循环喷油量。*思考：喷油规律的影响因素主要有那些？（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）83、喷雾特性与雾化特性：燃油雾化：指燃油喷入燃烧室后被破碎成细小液滴的过程（喷雾越细越好）。油束几何形状：1）油束射程（贯穿距离）L2）喷雾锥角β或油束最大宽度B在喷油压力和喷孔不变的前提下，喷雾锥角β越大，雾化好，但贯穿距离L会相应减小。希望L和β都要大93）贯穿率：指油束贯穿距离与喷孔轴线到燃烧室壁面距离的比值，即L/R。当贯穿率1时，会有部分燃油喷射到燃烧室壁面上，故一般直喷式柴油机采用较小的贯穿率。10影响油束几何形状的主要因素：1）喷射压力2）喷油孔的长/径比3）介质反力（取决于空气密度或压力）喷射压力增大，L和β增大，雾化效果越好。长/径比增大，L增大而β减小。压缩终了压力越大，β增大（雾化好）但L减小。11油束的雾化质量：指油束中液滴的细度和均匀度。1）平均粒径：2）索特粒径：所有油粒直径的算术平均值。ndDi（无法表示不同油粒的分布情况）所有油粒总体积与总面积之比。iiiiiindVndndSMD223循环供油量在循环供油量相同的情况下:SMD值越小，雾化效果也就越好;若SMD相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也就基本相同。123）粒径分布：表示油粒大小及其分布。1-油粒细而均匀2-油粒粗细不均匀3-油粒粗但均匀粒径分布与喷射压力、喷射背压和喷孔直径有关。134、不正常喷射：1）二次喷射：喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次开启的喷油现象，危害：首先，喷射压力小，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增加且易积碳而堵塞喷孔；其次，在燃烧后期喷入，后燃严重，经济性下降且加重高温零件的热负荷。*思考：可采取那些措施避免二次喷射？（加大针阀弹簧刚度、增大减压容积和喷孔直径、减小高压油管直径和长度）二次喷射易发生在高速、大负荷工况下。142）断续喷射：喷油泵供油跟不上喷油针阀流通截面上的出油量，而造成的针阀周期性的跳动。危害：加重针阀偶件的磨损。*思考：可采取那些措施避免断续喷射？（加大供油速率（提高柱塞平均运动速度和直径，改善油泵凸轮型线）、减少针阀直径和喷孔直径）针阀升程h曲轴转角φ断续喷射易发生在低速、小负荷区。153）不规则喷射和隔次喷射：由于供油量过小，造成每循环供油量不均匀，甚至有些循环不喷油的现象。危害：使怠速工况不稳甚至停车（只能采用较高的怠速转速）。*思考：可采取那些措施避免不规则喷射？（加大柱塞直径，减小针阀弹簧刚度（慎用），减少高压容积）针阀升程h曲轴转角φ循环1循环2隔次喷射易发生在怠速工况下（或者喷油设备偶件过度磨损）。164）喷油器滴漏：喷射终了时，仍有燃油流出的现象；危害：由于是流出，雾化极差，易积碳和堵塞喷孔。*思考：可采取那些措施避免滴漏？（增加针阀刚度，减小针阀压力室容积及喷孔面积，增大出油阀减压容积）产生的原因：一是系统压力不能迅速下降，导致针阀落座速度慢；二是针阀下压力室容积过大，燃油受热膨胀后溢出；三是针阀偶件磨损造成漏油。175）穴蚀：是由于高压油路中油压低于燃油蒸汽压，产生气泡和气泡破裂所至。严重危害系统的正常工作和使用寿命。减压阀减压速度过快或喷油孔面积过大。因而可采取减少减压容积和喷孔面积的方法来消除穴蚀（但要避免出现二次喷射）。产生的原因：18第2节燃烧与放热pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/1、着火落后期（滞燃期，A-B）一、柴油机燃烧过程2、速燃期（急燃期，B-C）3、缓燃期（C-D）4、补燃期（后燃期，D-E）19pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/1、着火落后期（滞燃期，A-B）从燃油开始喷入燃烧室到开始着火燃烧（压力线明显脱离纯压缩线而急剧升高）原因：物理准备、化学准备影响因素：压缩比（压缩终了温度与压力）十六烷值20pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/2、速燃期（急燃期，B-C）从开始着火燃烧到压力达到最高点（最高爆发压力，通常喷油在此阶段结束）。特点：大和压力升高率ddQp//着火落后期内形成的可燃混合气在上止点附近多点着火迅速燃烧。急剧升高和pT）可达（MPap13max21pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/压力升高率的影响因素：综合来讲，希望不超过0.4MPa。/p/p动力性运转平稳性压力升高率对性能的影响：越大排放性越好越差越差着火落后期内形成的可燃混合气数量*思考：如何控制压力升高率？22pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/3、缓燃期（C-D）从压力最高点到温度最高点。特点：1、大部分燃油在此期间燃烧（放热量占70-80%），并出现循环最高温度Tmax=1600-2000℃；2、由于活塞于下行，作功效率差；3、燃烧产物多，氧浓度低，燃烧速度很慢；4、高温缺氧燃烧，是生成碳烟的主要阶段。23pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/如何改进缓燃期燃烧性能：从其特点来看，第1条是必然性的，只能着手于2、3、4条。1、加快混合，缩短缓燃期燃烧时间；2、采用大的过量空气系数（1.2以上）。24pTTDC-2020EDCBAE′D′C′B′A′QBh4321pmaxTmaxddQ/ddg/4、补燃期（后燃期，D-E）从温度最高点直到燃料基本燃烧完。特点：1、远离上止点放热，排温高、热负荷严重（高速大负荷尤为严重）；2、部分碳烟等不完全燃烧产物在此期间被氧化。改进：加速混合、缩短后燃期25二、燃烧过程中存在的问题混合时间短+废气干扰边喷、边混合、边烧1、混合气形成困难，燃烧不完全改进措施：①加速空气运动组织进气涡流、压缩涡流等②采用大的过量空气系数（1.2）在进气不变的情况下意味着少喷油，动力性下降，与提高动力性相矛盾。26速燃期压力升高率大，燃烧噪音大，运转稳定性差。2、燃烧噪音、运转稳定性改进措施：减少着火落后期内形成的可燃混合气数量①缩短着火落后期高压缩比（提高温度与压力）、高十六烷值②减少着火落后期的喷油量先缓后急的喷油模式但是通过降低压力升高率来控制燃烧噪音、改善运转稳定性的同时会降低最高爆发压力，使动力性下降。27三、燃烧放热规律1、定义：燃烧放热快放热速率累计放热百分比燃烧放热速率(kJ/kmol.(°)累计放热百分比100.54000020000204060-20燃烧放热规律意义：压力和温度升高快因此，燃烧放热规律直接影响到柴油机的工作性能。放热规律的测定：ddQddWddUddQwB对外传热对活塞作功工质内能燃烧放热WBQWUQ28燃烧放热速率(kJ/kmol.(°)累计放热百分比100.54000020000204060-20（1）放热始点燃烧放热速率(kJ/kmol.(°)4000020000204060-20始点提前始点推迟燃烧放热规律（在持续期和速率曲线不变的情况下）放热始点（起点）放热持续期放热曲线形状始点提前：放热规律三要素：压缩负功增大、热效率降低；始点推迟：压力升高率和最高爆发压力小，热效率低且后燃严重。2、理想放热规律29燃烧放热速率(kJ/kmol.(°)4000020000204060-20始点提前始点推迟1）喷油提前角放热始点的控制：通常是以最大功率和最小油耗为目标。燃烧放热规律2）着火落后期具体措施：转速↑、负荷↑，相应提前角应加大。缩短着火落后期，以减少预喷油量。提高压缩终了的压力与温度（增压柴油机噪音小的原因）30（2）放热持续期与放热曲线形状最高爆发压力、温度和压力升高率大燃烧放热速率(kJ/kmol.(°)4000020000204060-2080燃烧放热规律动力性好、效率高但噪音、运转稳定性和排放性差（在总放热量不变的情况下）持续期越短、曲线越陡31放热持续期的控制：1）喷油持续时间2）燃烧时间混合快慢加强汽缸内的空气运动放热曲线形状的影响：pTDC-202040放热先快后慢放热规律对示功图的影响放热先慢后快效率高、但工作粗暴、NOX排放高效率低、但工作柔和、排放好32第3节混合气形成与燃烧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柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：喷雾雾化空气运动燃烧室结构加快混合气的形成是保证及时、完全燃烧（汽油机是提高火焰传播速度）混合气形成特点:一、混合气形成特点33二、混合气形成方式空间雾化混合油膜蒸发混合1、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进行混合。混合效果主要取决于：喷雾特性、空气涡流空间雾化混合涡流混合的作用：过弱混合效果差过强使燃烧产物与邻近喷雾重叠a、促使油束分散b、实现热力混合34空间雾化混合的特点：优点：喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、效率高。缺点：初期形成混合气过多，使压力、温度急剧上升，发动机工作粗暴（噪音大），NOx排放高；若减少初期喷油量，将导致后期高温裂解严重，碳烟增加。2、油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气的形式与空气涡流混合（一般用于球形燃烧室）。混合效果取决于：燃烧室壁面温度、空气涡流油膜蒸发混合混合快慢取决于喷雾特性和空气涡流35油膜蒸发混合的特点：优点：初期形成混合气量少，发动机工作柔和、NOx排放少；燃烧过程中，燃烧始终是蒸发后与空气混合，避免了高温下油滴的裂解，碳烟排放低。低温蒸发速度慢，冷起动性能差；对工况变化的反映能力差；另外，对涡流变化敏感，且热效率也不及空间雾化混合方式。缺点：混合快慢取决于燃烧室壁面温度和空气涡流在车用柴油机中，通常是上述两种方式共存，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室以油膜蒸发混合方式为主。36三、缸内气流运动1