第八章柴油机燃烧(与汽油机对比)

2020/3/21第八章柴油机燃烧与汽油机燃烧对比2020/3/22本章内容（重点章节）第一节柴油机燃烧过程第二节放热规律第三节燃油喷雾第四节柴油机混合气形成第五节柴油机燃烧室2020/3/23本章要求目的与要求：1.要求全面掌握柴油机燃烧过程、燃烧特点、放热规律分析、混合气的形成、燃烧室特点等有关问题；2.掌握供油、供气（缸内气流）、燃烧室（相关结构）与内燃机工况的匹配关系；3.清楚柴油机、汽油机燃烧过程及其燃烧特性的差别。4.会针对不同的油品、燃烧组织方式进行分析。2020/3/24第一节柴油机燃烧过程一.燃烧过程二.燃烧阶段划分三.影响着火延迟期的因素目的与要求：1.对柴油机从燃料起喷到燃烧结束整个燃烧过程有一个很清晰的构图，对燃烧阶段划分、各阶段对性能的影响、影响各阶段的因素有明确的认识2.掌握影响着火延迟期的因素2020/3/25汽油机燃烧复习1）混合气准备2）起燃3）燃烧速度的规律4）定容燃烧比例5）循环稳定性与单点起燃6）爆燃与预混合7）预混合--定容燃烧--经济性?爆燃--压缩比8）解决：预混合又不爆燃其它燃烧组织方式？2020/3/26一燃烧过程从喷油开始到燃烧结束（注意与汽油机燃烧的区别）1着火延迟活塞接近上止点T=450~550℃p=3~4MPa喷油器高压高速喷油压力20~150MPa雾状油束结构油束由百万计的细微油滴组成油滴d=5~150μm雾化、蒸发扩散、混合物理准备先期氧化、局部火核化学准备2020/3/272预混合燃烧阶段预先混合好的可燃混合气（上阶段喷入的一部分）20%总量在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处瞬间、多点迅速燃烧，压力(温度)迅速上升量=预混合量=f(着火延迟期、……)瞬时燃烧速度(放热率)远高于汽油机影响pzmax、Δp/Δφ高最高燃烧速度本阶段结束处，燃烧速度突然下降(上止点后6~10℃A)，p趋于最大，但温度依然在迅速上升，未达到最高。直接影响：pzmax、Δp/Δφ、噪声、经济性2020/3/283扩散燃烧阶段燃烧特征：该段放热量～70%。由于温度迅速提高，燃烧速度加快，有可能局部燃烧速度会再度回升，形成第二个峰值点。活塞开始快速下移，缸内压力开始下降。该阶段结束在上止点后20~35℃A~Tzmax。此时总放热量已达80%～90%。燃烧速度（放热率）取决于燃料蒸发、混合及扩散找气的速度（物理过程）相对缓慢的扩散燃烧在着火延迟期预混合的混合气迅速燃烧结束～10℃A燃烧速度突然变慢喷射雾化蒸发油找气气找油油气混合燃烧2020/3/294后燃后期不完全氧化燃烧喷油后期喷入的油。雾化差；缸内空气已少、并在外围；活塞已经下移，T、P下降，也不利于雾化、混合。部分燃烧阶段形成的碳烟未能及时氧化喷到燃烧室壁面上的油部分高温热分解的燃料重新合成放热燃烧特点：燃烧速度很低，影响效率、排温、传热、排放放热量占总量的10～20%2020/3/210二燃烧阶段划分nniii6360601.着火延迟期：影响整个燃烧情况。从效率与经济的角度看，燃烧起点应在上止点前5～10oCA（汽油机12～15oCA，因为初燃慢），以保证pzmax在上止点后～10oCA柴油机着火延迟期（4.2～18)*n/1000，一般θi=8°~12°，滞后时间τi=0.7~3ms（汽油机n高，θi=10～20oCA）从降低排放的角度燃烧起点已经在上止点后。CD2020/3/2112速燃期放热量只占不足20%；粗暴性、经济性。C点在上止点后6~10℃A）（从经济性考虑）（汽油机：10~15℃A。Δp/Δφ0.4～0.6MPa/oCA(汽油机Δp/Δφ0.175～0.25MPa/oCA；放热量80%)CD2020/3/2123缓燃期放热量70～80%；经济性、效率。Tzmax上止点后20～35oCA；1600～2000oC。温度急剧升高，混合燃烧重新加剧，出现第二个峰值。汽油机Tzmax=1700～2500oC；Pmax上止点后10～15oCA一般要求：缩短缓燃期增加等容度、减小初始膨胀比（等压加热）提高循环热效率。即缓燃期不要缓燃。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速率。CD2020/3/2134后燃期不完全燃烧排放、经济性、热负荷、可靠性。柴油机燃烧时，空气是过量的，只是混合不匀造成局部缺氧。解决措施：（1）加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧化。（2）减少湿壁（6区）油量（3）提高雾化质量2020/3/214汽油机燃烧的特点(对比)（点燃式预混合燃烧）1）燃烧过程分成三段•着火阶段、急燃期、后燃期。2）着火延迟期对燃烧速度（放热规律）影响小•汽油机性能主要取决于何时着火而不是何时点火，容易控制。对汽油机着火延迟期的要求主要是要稳定并尽可能短，使汽油机的循环波动较小。3）汽油机:主燃烧期只有一段（急燃期），放热量占~80%•柴油机:速燃期放热量不足20%,缓燃期:~70~80%2020/3/215汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）4）预混合燃烧。•燃烧速度不受供油系统的影响，对燃料供给系的供油质量（雾化）要求低，仅仅对数量的控制精度要求高；燃烧速度会受燃烧室形状、缸内流动的影响。5）单点点燃。6）对速燃期，初期燃烧速度慢，后期快。•如果不受燃烧室形状、缸内流动影响，火焰前锋面面积相对时间将成~平方规律增长2020/3/216汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）7）最高温度点主要取决于最大（放）热量的时刻速燃期结束点(工质能量的涨消)8）最高压力点主要取决于最大（放）热率的时刻速燃期结束点9）Tzmax高。由于是“预混合燃烧”，汽油机的平均燃烧速度很快。等容度大，最高温度高。10）pzmax低。汽油机燃烧速度逐渐增加，最大燃烧速度低。2020/3/217汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）11）量调节。负荷的调节靠量调节，要调节进气量，进气节流损失大。平均过量空气系数随负荷变化不大，排气温度随负荷变化不大。12）机械负荷低，热负荷也低。pzmax、dp/d低，运动件轻。13）汽油机排气温度高。过量空气系数小，混合气浓、压比小、效率低、传热损失小。14）汽油机燃烧稳定性差。点火瞬间火花塞附近混合气的成分差别、气流的不均匀性对燃烧影响很大。2020/3/218着火延迟期τi着火延迟期τi影响：1)易控制；2)影响大。喷油持续期（低速15～35oCA；高速20～60oCA）柴油机着火延迟期（4.2～18)*n/1000；很大一部分油在着火延迟期已经喷入T、P很高，喷入很快就燃，τi影响大？2020/3/219三.影响着火延迟期的因素1.着火延迟期-----可控、可调整（难！----供油提前角、喷油规律）2.由研究公式：CN为十六烷值barKmsTpi,,2100exp52.302.1psiRmsTpCNi,,8360exp400271.0386.069.02020/3/220三.影响着火延迟期的因素3.具体因素分析注意：τi长与工作粗暴（预混量多）关系很大，但并非必然的单调关系！2020/3/2211）燃料1）燃料（十六烷值高化学稳定差、热分解严重。物理稳定性影响蒸发性。粗暴★如果喷油提前角不变，燃油蒸发性变好τi，但粗暴性？a)缸内温度早期低、化学准备不够；b)蒸发吸热预混合量abc依然希望蒸发性好燃烧、经济性、排放，粗暴减小喷油提前2020/3/2222）转速3）负荷2）转速n↑τi↓粗暴度↓；但φi↑，所以n↑，发动机要增加喷油提前角。有没有可能n↑φi↑喷油提前角异常?冷起动时3）负荷高壁温高τi↓粗暴度↓；冷起动时工作粗暴2020/3/2234）密度5）喷油提前角4）密度与压比、增压度；密度大对雾化有利；低增压柴油机相对非增压工作柔和(缸内TP也高)。5）喷油提前角2020/3/2246）喷油规律6）喷油规律(T6-12)：喷射速率低，初期可燃混合气少，粗暴性小；但喷射期长，经济性差；★能否利用初期喷射率低，粗暴性低这一优点？2020/3/225最佳喷油提前角柴油机设计好后，一个重要任务是根据最常用或要求工况调节喷油提前角到最佳态。先进的方法是电控自动调节，但调节规律一般也要通过试验得到（理论指导、过渡）最佳喷油提前角=f(CN,T0,P0,ε,ρ,负荷,冷却强度,燃烧室形式,喷油规律,增压比、…)2020/3/226第二节柴油机放热规律燃烧如何进行？如何定量反映燃烧过程？放热规律dQ/dt；dQ/dφ；累计放热量Q=f(φ)一.柴油机放热规律二.放热规律的计算方法三.燃烧计算模型2020/3/227第二节柴油机放热规律反映的问题燃烧进行状况（起点、持续期）燃烧快慢变化燃烧机理变化（预混+扩散）燃烧组织情况喷油规律与放热规律。2020/3/228一.柴油机放热规律1.放热规律三要素（1）燃烧放热始点（2）放热持续时期（3）放热率曲线的形状CD2020/3/2291.放热规律三要素（1）放热规律始点——在持续期和放热率形状不变的前提下，决定了放热率中心效率、pzmax、Δp/Δφ（2）放热持续时期的长短——平均燃烧的快慢、等容燃烧比例效率排放（3）放热规律形状——前后放热量的比例噪声（dp/d）、振动、排放放热曲线面心的位置效率。2020/3/2302.柴油机放热规律的类型（1）不同燃烧室发动机的放热规律不同。直喷式发动机初期放热率很高（图中的喷油提前角应减小）（2）放热规律对示功图（效率）的影响（上止点起燃、燃烧持续期40oCA）。初期放热率越高，压力升高率、最大爆压、效率均变高2020/3/231★降低压力升高率、最大爆压与提高效率的矛盾！矛盾解决：两种极限放热规律。1.先快后慢。多数为此，比较易实现（初期喷压高），效率高，但是由于早期放热量大，爆压高2.先慢后快。压力升高率、最大爆压均较低，但效率也低。效率低的根源：不完全是因为初期放热率低，而是大量的热在远离上止点处释放。解决措施：可以通过缩短燃烧持续期（提高喷压，缩短供油持续期、加大缸内气流、缩短缓燃期来实现）。2020/3/232★减缓初期燃烧速度、加快后期燃烧速度！实现方法：1.减缓初期燃烧速度1)控制喷油；2)采用预喷技术（高压共轨供油系统）……2.加快后期燃烧速度1)加大缸内气流；2)提高喷油速率……2020/3/233二.放热规律的计算方法如何得到放热规律（dQ/dφ）间接测量：缸内压力P=f(V)；P=f(φ)；P=f(φ)求解dQ/dφ传热作功内能放热ddQddWddUddQWB////(2)零维假设(3)微分方程的数值解：（简化差分算法）•差分代替微分，在差分时间差分段内用均值代替，由初值逐步推出其它时刻的值。(1)能量平衡2020/3/234二.放热规律的计算方法推导：•a)将燃烧过程（曲轴转角）用m个点离散成m-1段，当燃烧初始点参数已知时，假设n-1点参数已知，如能推出n点的参数，那么整个过程的参数均能得知。•b)推导简化•c）初始参数——可进行循环计算调整。2020/3/235放热规律间接计算ddQddWddUddQWB////(1)能量平衡11kpVTMCkRCMRTpV(2)气体状态方程)(1nnnTMCdU在p-示功图上，对于微元曲轴转角，又可写出：nnnnnnnnnkVpVpkpVdTMCdU111111)()(在微元期间WBQWUQ差分表达式)sin2cos1(S44222DVSDVVcncn气缸容积)(211nnnnnVVppW在微元期间作功，利用梯形法31)(21600wining