柴油机混合气形成与燃烧

第六章柴油机混合气形成与燃烧本章要求：了解：柴油机有害排放物的生成机理与噪声，柴油机燃烧室的分类，特点和对燃烧的影响。理解：影响燃烧的因素和措施。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。柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：1、混合气形成的方法：汽油机：缸外（化油器及进气管中），较均匀一致。柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。2、着火和燃烧的方式：汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、地点均能控制。柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控制。3、保证及时、完全燃烧的方法：汽油机：提高火焰传播速度。柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。第一节混合气形成与燃烧过程柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便与空气形成可燃混合气。油滴的着火要满足两个条件：（1）混合气的温度要高于着火临界温度。（2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。一、燃烧方式--油滴扩散燃烧图6-1单个油滴的着火区域直径：5~150um(中间较大)Tc-热空气温度；Tw-油滴周围混合气温度；Cu-油滴周围混合气浓度；W-化学反应速度。在稀火焰区形成着火核心；稀熄火区是未燃HC的主要来源后喷现象：雾化和贯穿度小，形成CO、碳粒和未燃HC等二、燃烧过程Ⅰ-滞燃期Ⅱ-速燃期Ⅲ-缓燃期Ⅳ-后燃期h-针阀升程Q-循环放热量dQ/dφ-放热速率dq/dφ-喷油速率1)喷油始点2)缸内压力线偏离纯压缩线始点3)最高压力点4)最高温度点Ⅰ、滞燃期（1-2）在压缩终点,Tc=450-800℃,大于柴油的自燃温度（330-350℃）,但不会立即着火,进行着火前的准备。物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。化学准备：裂化，着火前的氧化反应。一般着火延迟时间τi≈0.0007-0.003s从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。(图6-2)喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响τi的主要因素。Ⅱ、速燃期（2-3）（图6-2）着火后，在滞燃期内形成的混合气此时同时燃烧，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧，平均压力升高率ΔP/ΔΦ=(P3-P2)/(Φ3-Φ2)升高很快，放热率dθ/dΦ大。柴油机ΔP/ΔΦ一般0.4~0.6MPa/℃A同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。Ⅲ、缓燃期（3-4）（图6-2）速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的70～80%。一般在上止点后20～35°CA，出现循环最高温度，达1600～2000℃。大部分燃油在此阶段燃烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于等压燃烧。由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求α1。Ⅳ、后燃期（4--）从温度最高到燃料燃烧结束。远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降，故应尽量减少后燃。三、燃烧过程中存在的问题1.混合气形成困难，燃烧不完全。混合极不均匀—混合气形成时间短，边喷油、边混合、边燃烧。改进措施：①促进混合气的形成。结构上，促进缸内的涡流运动。②供给较多的空气。α大于1，一般取1.3。但是至少30%的空气未被利用，使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效压力降低，这与提高其动力性相矛盾。2.工作粗暴，燃烧噪音较大。速燃期内,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动,并通过气缸壁传到外部,形成燃烧噪音。燃烧噪音与速燃期内的ΔP/ΔΦ有很大关系。为使工作柔和，要求ΔP/ΔΦ≤400kpa/°CA。ΔP/ΔΦ的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合气的数量有关，缩短着火延迟时间τi，减少滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成,可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。3.排气冒黑烟主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。减少黑烟的主要措施:(1)增加过量空气系数α。但与提高柴油机的动力性相矛盾。（2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。4.排气冒蓝烟、白烟在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.6～1微米的颗粒构成，而蓝烟是由0.6微米以下的颗粒构成。暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。图6-3柴油机与汽油机的放热规律定义：放热率dQ/dΦ(每度曲轴转角的放热量)随曲轴转角的变化关系。它决定压力升高率(噪音)的变化和热效率。四、燃烧过程的放热规律理想的放热规律应为：①曲线要先缓后急。②放热开始时刻要适当提前,持续时间为40°CA。在燃烧期内，放热过程分三个阶段：预混合燃烧阶段—对应速燃期，放热率很高，历时3~7℃A。扩散燃烧阶段—对应缓燃期，放热率下降，为主放热阶段，历时40℃A。这两个阶段放热达80%。放热“尾巴”—对应后燃期，放热20%。放热规律三要素：燃烧始点、放热曲线形状、持续时间。燃烧始点—使最高压力发生在上止点后7~8℃A。曲线形状—开始放热适中,然后燃烧加快，尾巴尽量短。燃烧持续时间—最佳约为40℃A第二节柴油机混合气的形成柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。混合气形成特点: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保证燃烧完全、及时靠加快混合气的形成速度（汽油机是提高火焰传播速度）混合气形成方法:由不同喷雾及气流运动组成了各种混合气形成方式，其基本型式可分为：空间雾化混合，油膜蒸发混合。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混合。油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气与空气涡流混合。在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸发混合方式为主。1.燃油的雾化燃油在经喷孔喷出时，在气缸中被破碎成微粒的过程。喷油横截面上燃油分布喷油横截面上油粒速度L:射程:锥角图6-5喷注的形状一、燃油的喷雾2．喷注的特征：①喷注射程L：表示喷注贯穿深度；②喷注锥角β：表示喷注紧密程度；③细微度和均匀度：表示雾化程度。细微度-油注中的平均直径均匀度-油注中最大直径与最小直径之差3．影响喷注质量的主要因素：喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油的粘度等。二、空气运动对混合气形成的影响缸内空气的涡流运动能加速雾化的油滴与周围空气的混合，促进燃烧过程的进行。但涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠；涡流过强也使进气阻力加大，充量系数下降。三、典型燃烧室结构分析1．燃烧室分为两大类:直喷式和分开式。直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的一个统一空间。（缸径大于100mm，转速大于3000r/min的柴油机基本用直喷式的）根据凹坑深度分：开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室半开式燃烧室—深坑型，如ω形和球形燃烧室分开式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。如：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室（高速小缸径柴油机多采用分开式燃烧室）2．对柴油机燃烧室的要求：①α小，但应燃烧完全及时；②适度的ΔP/ΔΦ和Pz值；以保证工作柔和，平稳，可靠；③排气品质好；④变工况适应好；应在负荷、转速变化时，柴油机性能稳定；⑤冷起动性好；⑥制造、维修方便。3、直喷式燃烧室的空气涡流运动空气涡流运动是加速混合气形成的有效手段；也是保证完善燃烧的重要条件。直喷式燃烧室产生涡流运动的方法有种：1）进气涡流—靠切向进气道和螺旋进气道形成。切向进气道：气道母线与气缸相切，在气门前强烈收缩，使气流越来越快进入气缸后受缸壁的约束而转向，形成涡流。螺旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于高速柴油机上。2）挤气涡流--在压缩行程后期，活塞接近上止点时，活塞顶上方环形空间中的空气被挤入活塞顶部的燃烧室内，造成的空气的涡流运动。涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。逆挤流4、直喷式燃烧室1）开式燃烧室－浅坑型混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分布实现。进气无涡流特点：结构简单，F/V小，Q放↓，起动性好，经济性好，热负荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗暴，对燃料要求高。如：浅ω型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。浅ω型燃烧室2）半开式燃烧室－深坑型混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。①ω型燃烧室（典型）混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。主要特点：面容比小，Q放↓，经济性好。低温起动性好采用多孔喷嘴，高压喷射。ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。α大，动力性差。形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。多用于3000r/min以下的柴油机（车用柴油机）。ω型燃烧室②球形燃烧室混合气形成：油膜蒸发。一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。主要特点：面容比小，经济性好。ΔP/ΔΦ和Pz较小，工作柔和。对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多种燃料。冷起动困难。低速、加速时冒黑烟。不适于增压，变工况适应性差。球型燃烧室5、分开式燃烧室1）涡流室式燃烧室混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。主要特点：喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低)ΔP/ΔΦ较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活塞已下行）空气利用率高，α值可较小（1.2~.13）高速性能好。（涡流随转速升高而加强）排污低（最高燃烧温度低）变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的流动特性基本不变）面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）涡流室式燃烧室1）预燃室式燃烧室混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。主要特点：喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃烧涡流形成混合气）。ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。空气利用率高，α值可较小。变工况适应性好，对转速不敏感。NOx排放低启动性差，面容比较大，经济性差低速噪声（惰转噪声）大(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，喷射的燃油进入主燃室，使主燃室燃油滞燃期增长)预燃室式燃烧室各种燃烧室的比较直喷式燃烧室分开式燃烧室形球形涡流室式预燃室式混合气形成方式空间雾化混合油膜蒸发混合空间雾化混合空间雾化混合空气方式较强进气涡流和挤流强进气涡流和挤流压缩涡流为主燃烧涡流为主喷嘴型式多孔3-5单孔或双孔轴针式轴针式冷启动性容易较难难难燃烧噪音高较高较低低(惰转噪音高)燃料适应性差好较好好燃油经济性好好较差差第三节燃油的喷射一、喷射过程1．燃油的喷射：燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压力升高，经喷油器喷出的过程。2．分三个阶段：喷油延迟阶段，主喷射阶段，滴漏阶段。图6-17燃油的喷射过程二、不正常喷射①二次喷射针阀落座后，过大的反射波（高压油管内）使针阀再次升起而喷油的现象。危害：⑴喷油时间↑，喷油量↑，后燃加重发动机过热，排气温度↑，燃油消耗率↑⑵喷射压力低，雾化不良，燃烧过程中喷入气缸，排气冒黑烟，积碳。（高速、高负荷时较严重）隔次喷射发生在怠速运行时，造成柴油机怠速运转不稳。三、避免不正常喷射的措施减少高压容积，缩短高压油管长度，合理选择喷射系统参数。②断续喷射、隔次喷射断续喷射常发生在低速小负荷工况。第四节影响燃烧过程的因素一、燃油的影响1．燃油的着火性是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。用十六烷值表示。十六烷值高，着火性好，滞燃期短，ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。十六烷值高，起动性好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。车用柴油机的十六烷值，一般为40～50。2．十六烷值对燃烧过程的影