05柴油机混合气的形成与燃烧

第五章柴油机混合气的形成和燃烧柴油机燃烧过程由喷射系统在压缩行程接近终了时开始直接喷入燃烧室内。混合气形成的时间极短，混合气不均匀，在高温、高压下多点自燃着火燃烧的。近年来柴油机发展，涌现出一些新型燃烧系统：高压共轨喷射系统、燃料参烧技术等。正常燃烧过程（一）燃烧过程概述（二）燃烧放热规律（三）柴油机的有害排放物（四）柴油机的噪声振动第二节燃油喷射和雾化一、供油系统和喷射过程柴油机供油系统喷油泵速度特性及其校正喷射过程供油规律和喷油规律不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀破坏柴油机供油系统柴油机供油系统一般由油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等组成，另外还包括调速器和供油提前角调节装置等。其中的喷油泵、喷油器和高压油管等组成了高压油路，称为喷射系统，是整个柴油机供油系统的关键部分。柴油机供油系统－喷油泵喷油泵的主要作用是定时、定量地向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。常见的有直列式喷油泵（柱塞泵）和分配式喷油泵（转子泵）两种类型。分配式喷油泵具有结构紧凑，能在较高转速下工作的优点，但供油压力较低。柴油机供油系统－喷油泵柴油机供油系统－喷油器喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。喷油器有孔式喷油器和轴针式喷油器两类。柴油机供油系统－喷油器孔式喷油器用于直喷式燃烧室中。较小的喷孔与高压泵配合，可形成较细的喷油颗粒。易引起积炭堵塞。轴针式喷油器用于分隔式燃烧室中。较低的喷油压力，喷油颗粒较大。有自洁作用，不易堵塞。柴油机供油系统－喷油器汽、柴油机混合气形成装置对混合气的要求数量浓度空间形态燃烧起点汽油机节气门化油器(均匀)火花塞柴油机喷油泵喷油泵喷油器喷油泵喷油泵速度特性及其校正喷油泵油量控制机构位置固定，循环供油量随转速变化的关系称为喷油泵速度特性。对于柱塞式喷油泵，随着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势。为使供油量与空气量相匹配，对特性进行必要的校正，得到较理想的扭矩特性。喷射过程定义：从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程喷射延迟阶段主喷射阶段喷射结束阶段供油规律和喷油规律两者的差异：喷油始点滞后于供油始点喷油持续时间较长最大喷油速率较低曲线的形状有一定的变化定义：供油规律：单位时间内喷油泵的供油量随时间的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。喷油规律：单位时间内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间的变化关系。产生差异的原因：燃油的可压缩性系统内产生压力波的传播高压油管的弹性变形不正常喷射现象正常喷射过程二次喷射滴油现象断续喷射不规则喷射和隔次喷射为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动，减小其影响，并合理选择喷射系统的参数。喷射系统中的穴蚀破坏穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。二、燃油的雾化和油束特性燃油的雾化：燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程。雾化可以大大增加蒸发表面积，加速吸热和汽化过程。可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的要求有所不同。二、燃油的雾化和油束特性几何形状主要包括油束射程（又称为贯穿距离）L和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。影响油束几何形状的主要因素有：•喷射压力•喷油器喷孔的长径比•空气与燃油密度比二、燃油的雾化和油束特性油束的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。细度可以用液滴平均直径来表示。均匀度是指油束中液滴大小相同的程度以及液滴在油束内分布的均匀程度。三、对喷射系统的要求在任一工况下都不出现不正常喷射现象，不产生穴蚀破坏。根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的喷油时刻，精确提供所需的燃油量。尽可能实现理想的喷油规律。良好的油束特性能满足具体燃烧室的要求。对于喷射系统的强化，应采取相应的措施保证有关零部件的强度和刚度，同时注意降低喷射系统的噪声与振动。三、对喷射系统的要求理想的喷油规律：更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷油持续时间已是技术发展的一个明显趋势。为避免柴油机工作过于粗暴，又希望实现“先缓后急”的喷油规律。在所有的工况下都希望在喷射结束阶段能尽可能迅速地结束喷射。四、柴油机电控喷射系统电控喷射系统突出优点是控制的准确性和响应的快速性。系统的基本控制量：•循环喷油量的控制•供油提前角控制第三节混合气的形成和燃烧室一、柴油机混合气形成特点和方式柴油机可燃混合气的品质较汽油机差。柴油机不得不采用较大的过量空气系数。柴油机混合气形成方式：•空间雾化混合（不完全气相）燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素•油膜蒸发混合（完全气相）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。二、分隔式燃烧室涡流室燃烧室•涡流室容积约占整个燃烧室压缩容积的50%-60%•通道的截面积约为活塞截面积的1%～3.5％•涡流室燃烧过程预燃室燃烧室•预燃室容积约占整个燃烧室压缩容积的35%-45%•通道的截面积约为活塞截面积的0.3%-0.6％•预燃室燃烧过程分隔式燃烧室柴油机的性能持点靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高。空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好。喷射系统的要求较低，工作可靠性和使用寿命高。燃烧室结构较为复杂，面容比大。热效率低，经济性差。冷起动性也较差。工作较为平稳，燃烧噪声较小。预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般表现得更为突出。一般对燃油不太敏感，有较强的适应性。在有害排放方面的突出问题是低负荷下的碳烟排放量较大，其余则优于直喷式燃烧室柴油机。三、直喷式燃烧室－开式燃烧室凹坑较浅，凹坑口径与活塞直径之比一般大于0.7。主要依靠燃油的喷散雾化，因此要求高的喷射压力和较多喷孔数目。混合气形成方式为空间雾化，一般不组织空气运动，空气利用率相对较低（1.5-2.2)开式燃烧室一般适用于缸径较大（≥140mm），转速较低（≤2000r/min）的柴油机中。三、直喷式燃烧室－半开式燃烧室活塞顶部有较深的凹坑，有ω形和平底的深坑形，凹坑口径与活塞直径之比一般约在0.35～0.7之间。混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。运用较高的压力喷射，配合以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动。半开式燃烧室一般适用于缸径80～140mm，转速低于4500r／min的柴油机中。直喷式燃烧室柴油机的性能持点由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。冷起动性能较好。工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。四、不同燃烧室的比较与选用开式燃烧室半开式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室燃烧室形状简单一般复杂复杂S/V最小小大最大空气运动无或弱进气涡流与挤流压缩涡流与二次涡流燃烧涡流对喷射系统的要求最高较高较低最低喷油器孔式（7～12）孔式（4～6）轴针式轴针式喷射压力（MPa）20～4018～2810～159～13压缩比12～1516～1816～2318～23过量空气系数1.6～2.21.3～1.51.2～1.41.2～1.4直喷式燃烧室分隔式燃烧室四、不同燃烧室的比较与选用开式燃烧室半开式燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室有效燃油消耗率190～220200～230240～275245~280冷启动性好较好较差差最高爆发压力高较高较低低燃烧噪声高较高较低低热负荷及排气温度低较低较高高对燃料的适应性差较差较好好适用缸径（MM）=14080～14070～100=65适用转速（r/min）=2000=4500=5000=5000续表直喷式燃烧室分隔式燃烧室四、不同燃烧室的比较与选用对于同一类型的燃烧室，增压柴油机与非增压柴油机比较，一般过量空气系数较大，压缩比较低，最高爆发压力较大而燃烧噪声较小，有效燃油消耗率也会有不同程度的降低。四、不同燃烧室的比较与选用四、不同燃烧室的比较与选用对于碳烟的排放量，开式燃烧室最低，半开式燃烧室次之，而分隔式燃烧室最高；半开式燃烧室的HC的排放量最高，特别在较低负荷工况下，其中的液态成分部分使其微粒的排放量也较高；直喷式燃烧室较分隔式燃烧室NOx的排放量明显要高，特别在较高负荷工况下。在有害排放和噪声的控制方面，分隔式燃烧室主要应控制碳烟的排放量，特别在较低负荷工况下；而直喷式燃烧室主要应解决好控制碳烟和NOx之间的矛盾，降低燃烧噪声和控制部分负荷工况下HC的排放量。四、不同燃烧室的比较与选用重型汽车、大型工程机械用柴油机几乎毫无例外地采用直喷式燃烧室（开式燃烧室和半开式燃烧室），其中的半开式燃烧室也有向开式燃烧室的特点靠拢的趋势。轿车柴油机中仍是涡流室燃烧室占有绝对优势，但半开式燃烧室和预燃室燃烧室也有应用。其中，尽管半开式燃烧室经济性相对较好，但噪声振动较大且升功率较低，故目前主要用于较低档的轿车。四、不同燃烧室的比较与选用中、轻型车的应用领域中，目前主要是涡流室燃烧室与半开式燃烧室两者的竞争。对于开式燃烧室，由于其小缸径和高转速的限制而难以采用；对于预燃室燃烧室，由于其经济性比涡流室燃烧室还要略差，故也极少采用。在缸径相对较大的中型车用柴油机中，半开式燃烧室占有一定优势并可能会继续发展这一优势。小型拖拉机、农用运输车中也主要采用涡流室燃烧室，这里主要考虑的因素是其对制造和使用的要求相对较低。此外，分隔式燃烧室（特别是预燃室燃烧室）还常用于一些要求噪声特别低的特殊场合，例如在矿井内或潜艇中使用。第四节燃烧过程的影响因素一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往相互之间是矛盾的。•燃油完全燃烧与升功率降低的矛盾•提高燃烧效率与工作平稳性的矛盾•柴油机有害排放组分平衡控制在燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，一般应兼顾各方面的要求。燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，目前仍以大量试验、反复改进为主要手段。二、影响燃烧过程的运转因素负荷•负荷增大，循环供油量增大，过量空气系数减小。•负荷增大，着火延迟期缩短，降低柴油机的工作粗暴性。转速•转速升高时，着火延迟期缩短。•转速过低或过高时，都会使燃烧效率降低。供油提前角•每一种工况，均有一个最佳的供油提前角。•为了降低NOx的排放量和燃烧噪声的需要，一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角。•转速或负荷增加时，应加大供油提前角。燃油废气再循环（EGR）•使用十六烷值较高的燃油可降低工作振动和噪声，降低NOx的排放量。•直喷式燃烧室比分隔式燃烧室对燃油的性质更为敏感。•废气再循环降低了燃烧过程的温度，降低NOx的排放量。•随着转速、负荷的增长，废气再循环量逐渐减少。