第4章 柴油机混合气形成与燃烧

第四章柴油机混合气形成与燃烧第一节柴油的使用性能第二节柴油机燃烧过程第三节柴油的喷射与雾化第四节混合气形成与燃烧室第五节使用因素对汽油机燃烧的影响第一节柴油的使用性能1、十六烷值——是评定柴油自燃性好坏的指标。评定：用容易自燃的十六烷（十六值为100）和最不容易自燃的α-甲基萘（十六值为0）按不同比例混合组成标准燃料组（混合液），将被测定柴油在相同条件下与标准燃料进行燃烧比较，标准燃料组中十六烷的体积百分数就是被测柴油的十六值。国产柴油的十六烷值一般为40-50，不必要过分增大。十六烷值高，发火性好，工作平稳；十六烷值过高，燃烧易劣化，析出碳，排气冒烟。2、馏程——表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度及起动性能有密切关系。燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成，易于起动。90%和95%溜出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。3.粘度——是燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性。直接影响燃料的喷雾质量——雾化性。柴油机喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。4、流动性用凝固点表示。凝固点——燃油失去流动性达到凝固的温度。国产轻柴油按凝固点不同，分为10＃、0＃、-10＃、-20＃、－35＃五级，其凝固点分别不高于10℃、0℃、－10℃、-20℃和-35℃。选用柴油时，应按最低环境温度高出凝固点5℃以上，如-20＃柴油适用于最低环境温度为－15℃以下的场合。三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响混合气形成上的差异着火上的差异燃烧上的差异汽油机汽油挥发性强，可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，控制混合气的数量便能调节汽油机的功率，是量调节。汽油自燃温度较高，适宜外源点火。防止自燃，促使其有规律的燃烧，混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开。柴油机柴油蒸发性差，但粘性好，适宜用油泵—油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷，吸入的空气量基本不变，是质调节。柴油化学安定性差，易自燃，采用压燃的方式。柴油喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，燃烧时间延长。第二节柴油机燃烧过程一、柴油机的着火在压缩行程后期，当活塞达到上止点前，燃料在高压下以高速（200-300m/s）喷入高温（450-5500C）、高压（3-4MPa）的空气中，与空气快速混合形成可燃混合气，但燃料并不能立即着火。可燃混合气着火燃烧的条件：1）可燃混合气必须加热到某一着火温度（临界温度）以上，否则，不能着火；2）燃料与空气的比例要在着火界限范围内。若过浓与过稀且超过着火界限范围，就不能着火。柴油机气缸内燃料的着火情况非常复杂位于油束外围直径很小的油滴，在很短的时间内蒸发完毕，虽可以形成适当浓度的混合气区域，但因温度不够或化学准备来不及而不能着火。着火首先发生在油束核心与外围之间混合气温度和浓度适当的地方。着火火源一般不止一个，而是多处同时着火。二、柴油机燃烧过程一般根据展开的示功图进行分析，如右图。图中：横坐标表示曲轴转角；纵坐标表示气缸压力。根据气缸中工质压力和温度的变化规律，人为地划分为4个阶段。1）着火延迟期Ⅰ（滞燃期）（A-B点）从喷油开始点A到压力开始急剧升高（燃烧开始的标志）点B。此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度（可达400～800℃），但喷入气缸内的柴油并不马上着火。需要进行燃烧准备：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）。作用：形成发火源（一处或多处着火），保证II期燃烧能在燃烧室内扩展。i着火延迟期以秒计的着火延迟期用τi表示；以曲轴转角计的着火延迟期用φi表示；一般τi=0.7-3ms；φi=8-12°。尽管着火延迟期τi很短但却对燃烧过程、尤其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。着火延迟期内存在问题：混合时间短，缸内空气、燃油混合不均匀。目前，采用α1，改善燃烧，使燃油尽可能完全燃烧。2）速燃期Ⅱ（B-C点）从压力开始急剧升高点B到最大燃烧压力点C。该时期短意味着更接近混合加热过程中的等容过程。特点：混合气燃烧速度很快，接近等容燃烧，缸内温度、压力急剧上升。压力升高率：表示柴油机工作的平稳性，冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命；，做功不利，柴油机性能。ppp3232ppmaxppmax存在问题：工作粗暴（燃烧噪音）的大小主要决定于着火延迟期的长短及该期内形成的可燃混合气数量，控制着火延迟期的长短是改善柴油机燃烧过程的主要手段。速燃期进行好坏的标志是：柴油机工作是否平稳柔和，而工作是否平稳柔和则取决于上一时期积存油量的多少，因而，着火延迟期的长短与速燃期工作好坏有重要关系。p3）缓燃期Ⅲ（C-Ｄ点）从最大燃烧压力点C到最高燃烧温度点D。该时期短意味着更接近混合加热过程中的等压过程。特点：燃烧产物增多，燃烧速度，缸内压力变化不大，放热量达70-80%。某些缺氧区域出现不完全燃烧，造成污染物。存在问题：不断喷入气缸的燃油与空气混合不充分，导致燃烧不完全。强化燃烧后期喷入气缸的燃油与空气的混合成为关键。4）补燃期Ⅳ（Ｄ点-燃烧过程基本结束）Ⅲ期内未燃尽的混合气继续燃烧。特点：因活塞已远离上止点，缸内压力低，该期燃烧热量利用率低，散热损失。特别在高速、高负荷时由于过量空气少，混合气形成困难，燃烧时间短，补燃。补燃期，，，动力性，冷却水温度，排气温度，排放污染物。teb柴油机的补燃比汽油机要严重的多，希望补燃越少越好。存在问题：补燃太严重，如何缩短直至消灭补燃？措施：加强燃烧室内气流活动，改善混合气形成；减少缓燃期内的喷油量。柴油机与汽油机相比主要有如下特点汽油机柴油机点燃式压燃式τi影响小τi影响大进入气缸的是混合气，混合时间长进入气缸的是新鲜空气，混合时间短高，热负荷大高，机械负荷大。压缩比低，=6～12压缩比高，=12～22存在爆燃问题存在工作粗暴问题组织气流运动的目的：加速火焰传播，防止爆燃组织气流运动的目的：促进燃油与空气更好地混合柴油机、汽油机燃烧过程的对比柴油机与汽油机燃烧过程主要特点对比对比项目汽油机柴油机着火点燃，单点着火压燃，多点同时着火燃烧火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃因混合均匀后燃较轻因混合不均匀，喷油持续时间长使后燃严重放热规律燃烧放热先缓后急，燃烧持续期较短直喷机大多燃烧放热先急后缓，燃烧持续期较长汽油机、柴油机燃烧过程的主要区别混合气形成上的差异着火上的差异燃烧上的差异汽油机①外部形成②混合时间长、均匀混合气③α较小④负荷调节—量调节①外源点火②单火源发火①以火焰传播方式为主②接近等容燃烧③工作较柔和④后燃较轻柴油机①内部形成②混合时间短、非均匀混合气③α较大④负荷调节—质调节①自行着火②多火源着火①以扩散燃烧方式为主②近似先等容后等压燃烧③工作较粗暴④后燃较重三、影响着火延迟期的因素1、压缩温度和压力——直接影响因素Pc，Tcτi。凡是能促使压缩末期温度、压力上升的因素，均可使τi，如增大压缩比，增大进气温度等。2、压缩比Pc，Tcτi。3、喷油提前角——影响最大的因素喷油提前角对τi的影响实际上是温度、压力和反应物反应时间对着火延迟期的综合影响。虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧，Pc，Tcτi；所以，应有一个使τi为最小的。一般：=5-10[degCA]。4、转速nn漏气、散热损失Pc，Tc；喷油压力雾化；气流运动蒸发；混合气形成好转τi。但n着火延迟角。5、燃油品质十六烷值柴油的自燃性缸内p、T大时，影响不大；缸内p、T小时τi。i四、着火延迟期对柴油机性能的影响1、对、的影响τi期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量，。2、对平均有效压力和功率的影响当τi偏离最佳值时，；当τi小于最佳值时，因τi过短，使压缩负功，；当τi大于最佳值时，因燃烧过程推迟，热效率，。ppmaxpmaxppmaxmepmepmep3、对燃油消耗率的影响因其原因与上述着火延迟期对平均有效压力和功率的影响相同，如果单位时间内柴油机的耗油量一定，则功率使。若τi，冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。若τi混合气形成欠佳柴油机性能。ebppmax五、燃烧放热规律瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。它决定了气缸中压力变化过程。由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。燃烧放热规律三要素：1）放热始点——对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力都有重大影响。2）放热规律曲线形状——决定了前后放热量的比例，对噪声、振动和有害排放量都有很大影响。3）燃烧持续期——对有害排放量有较大影响。理想的燃烧放热规律及控制1）放热始点要求使最高压力出现在上止点后10°-15°曲轴转角。可通过喷油提前角变化及着火延迟期长短进行控制。2）理想放热曲线形状是“前缓后急”。通过喷油、气流、燃烧室协调来控制。3）燃烧持续期不宜太长。取决于喷油延迟角的大小、扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。第三节柴油的喷射与雾化一、柴油机供油系统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）。主要装置燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等。空气供给装置：空气滤清器、进气管道。混合气形成装置：燃烧室。废气排出装置：排气管道、消音器。燃油滤清器低压油管高压油管喷油泵喷油器回油管燃油箱输油泵油水分离器调速器限压阀喷油提前器二、燃油喷射过程1.喷油泵——供油系的主要元件之一作用：定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。形式：普遍采用柱塞式喷油泵。柱塞泵工作过程：进油——压油——回油压油过程：柱塞1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。回油过程：当压油室通过柱塞斜槽与回油口相同，使泵内油压下降。当泵内油压小于出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压力时，出油阀落座，喷油停止。进油过程：柱塞1下行与进油口接通时，回油停止，重新进油。柱塞有效行程——等于柱塞完全关闭进、回油口到回油口与柱塞斜槽接通的一段行程。每循环的供油量决定于柱塞有效行程。转动柱塞，可以改变柱塞有效行程，从而改变循环的供油量2.喷油泵速度特性及其校正喷油泵速度特性：喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置固定，每循环供油量随转速n的变化关系。曲线如此变化的原因：n节流作用循环供油时间循环供油量b。bn对车用发动机的适应性车用：希望nbTtq（例如：低速大负荷工况）。而喷油泵速度特性：nbTtq。因此，喷油泵速度特性并不适合于车用，必须进行校正。油量校正的目的：当柴油机在全负荷工况下工作，转速因短时期负荷增加而下降时，喷油泵能自动每循环供油量Δb，以增大低速时的输出扭矩。3、喷射过程——从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程。整个喷射过程可以分为三个阶段：即1——喷射延迟阶段；2——主喷射阶段；3——喷射结束阶段。4.供油规律和喷油规律——供油规律是单位时间内喷油泵的供油量随时间的变化关系。——喷油规律则是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。供油规律和喷油规律不一致的原因燃油的可压缩性；高压油管的弹性变形；压力波的往复反射和叠加。三种因素导致柴油机供油规律和喷油规律不一致。5、异常喷射现象1）二次喷射高压油管内压力波引起。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。2）滴油现象——在喷油器针阀密封正常情况