柴油机的燃烧主讲.ppt

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 Zhujiebin,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：缸外喷射（大部分），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一、燃烧方式--油滴扩散燃烧,,图6-1 单个油滴的着火区域,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。

二、燃烧过程,Ⅰ-滞燃期 Ⅱ-速燃期 Ⅲ-缓燃期 Ⅳ-后燃期,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),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，平均压力升高很快，放热率大 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 压力升高率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 燃烧持续时间—最佳约为40 ℃A（视频）,四、燃烧过程的放热规律,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.燃烧室的结构; 二.燃料的喷雾; 三.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 油束由中心到外部： 油粒直径逐渐？ 运动速度逐渐？ 油粒温度逐渐？,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,三、典型燃烧室结构分析,1．燃烧室分为两大类:直喷式和分隔式 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） 直喷式燃烧室根据凹坑深度分： 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 分隔式燃烧室：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）,,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2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，或涡流较弱 特点：结构简单，起动性好，经济性好，热负荷低；但工作粗暴，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 ① ω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，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 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,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响 3． 蒸发性 蒸发性过好，工作粗暴 蒸发性差，燃烧不完全 蒸发性适中二、压缩性ε的影响,ε↑提高发动机工作的热效率，改善柴油机冷起动性 但ε过大造成燃烧最高压力过大，曲柄连杆机构承受过高的机械负荷，机械磨损↑，使用寿命↓ 当ε21时，ηi的提高不明显 压缩比的选择：保证冷起动容易和在各种工况下活的可靠而有效的燃烧为前提，尽量选用较低的压缩比 Q:汽油机的压缩比有什么要求？,三、使用方面因素的影响,（一）喷油规律 1．柴油机结构一定时，放热规律取决于喷油规律。

2. 喷油速率的变化要先缓后急 喷油规律可以通过改变喷油泵凸轮轴的凸轮型面加以调整二）供油提前角θ,1．定义： 高压油泵柱塞关闭进油孔瞬时到上止点之间的曲轴转角 2．θ过大、过小的危害： θ过大→滞燃期↑→柴油机工作粗暴，怠速不稳，冷起动困难 →压缩负功↑，发动机功率↓，ge↑ θ过小→后燃量↑，排气温度↑，i↓， → 发动机功率↓，ge↑三）转速n,转速升高时，压缩终点的温度和压力增高，同时，喷油压力增高，从而改善燃油的雾化；并且气缸内的空气涡流增强，有利于燃烧的蒸发，雾化及空气的混合 因此在使用中应尽量使柴油机维持较高的转速运转 但转速过高的话，充气效率会下降，导致热效率下降，排气污染加剧四）负荷,柴油机在低速小负荷运转时，由于缸内温度和压力较低，着火延迟期长，压力升高率大，产生较强的燃烧噪声，称为：惰转噪声 或 怠速噪声 冷启动时更明显随着发动机变热，惰转噪声消失当负荷过大时,α过小，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性进一步下降 由此可见，应尽量使柴油机维持在什么负荷工况？以便使柴油机发挥良好的综合行能?,第五节 柴油机的排气污染,柴油机排气中CO，HC含量远比汽油机低，但碳烟排量远高于汽油机，为什么？ 1. 柴油机的压缩比 2. 柴油机混合气的过量空气系数大 控制措施：EGR 催化转化,图6-19 柴油十六烷值对燃烧过程的影响,,空间雾化混合及油膜蒸发混合,空间雾化混合： 将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。

油膜蒸发混合： 将大部分燃油喷向燃烧室璧面，形成一层油膜，油膜受热汽化蒸发，与空气形成混合气。