第五章 柴油机的燃烧分析.ppt

一 着火现象(ignition) 燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油摘，这些细小油滴经过加热、蒸发（vaporization）、扩散（diffusion）与空气的混合等物理准备及分解、氧化等化学准备阶段后，一处或几处同时着火，即自行着火燃烧第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-1 柴油机的着火与燃烧过程,着火需要具备两个条件：1)浓度条件：在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在一定的范围内，这个范围称作着火范围(或着火界限)着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着火界限扩大2)温度条件：可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关二 燃烧阶段的划分,柴油机的燃烧过程，可以从不同的角度用各种方法进行研究，如高速摄影、光谱分析、采样分析等，但最简便、应用最多的方法是从展开的示功固上分析燃烧过程燃烧过程的四个阶段：,第1阶段：着火延迟阶段(AB段)(ignition delay)从喷油开始(A点)到压力开始急剧升高时(B点)为止，这一段时间又称为滞燃期。

第2阶段：压力急剧上升的BC段，称为急燃期(rapid pressure rise)滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快平均压力升高比不宜超过0.4MPa/º(CA),第3阶段：从压力急剧升高的终点(C点)到压力开始急剧下降的D点为止，称为缓燃期(controlled pressure rise)加强缓燃期内空气运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用第4阶段：从缓燃期的终点(D点)到燃料基本上完全燃烧时(E点)为止，称为后燃期(burning on the expansion stroke)后燃期所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机经济性下降；增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以应尽量减少过后燃烧内燃机工作过程系统布置图,三 滞燃期,滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气就越多这些燃料在第2阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使用寿命影响滞燃期因素： 压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。

喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响1）随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小影响滞燃期的因素：2）喷油定时对滞燃期的影响通过压缩温度和压力而起作用存在一个使滞燃期最短的喷油提前角为了保证有较好的功率和经济指标，希望在上止点前5-10°(CA)开始着火燃烧，保证燃烧在上止点附近完成影响滞燃期的因素：3）随着增压压力提高，滞燃期显著缩短 增压空气温度升高，滞燃期缩短影响滞燃期因素：4）转速对滞燃期的影响　随着转速增加，以秒计的滞燃期缩短，以曲轴计滞燃期Ψi则可能增加或减小四、燃烧放热规律(Heat release rate),由实测的示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：1）瞬时放热速率——在燃烧过程的某一时刻，单位时间内燃烧的燃油放出的热量2）累积放热百分比——从燃烧过程开始至某一时刻止，已燃燃油与循环供油量的比值图 直喷式柴油机的放热规律,图 自然吸气式车用柴油机的放热规律以及累计放热率的变化曲线a）变负荷时的放热规律　b）变转速时的放热规律c）变负荷时的累计放热率　d）变转速时的累计放热率,图 增压轿车柴油机的放热规律,图 增压中速柴油机的放热规律与累计放热率的变化曲线,图 根据喷油规律估算放热规律的林氏三角形堆砌法,图 按喷油规律预测的放热规律与实际放热规律的比较,当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律(或加热规律)所决定(公式5-21)，从而燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、燃油消耗、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。

开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面比较合适的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热要适中，压力升高比不超过0.4~0.6MPa／[(CA)]，以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应超过上止点后 40 º(CA) ，以满足经济运转的要求五、燃烧噪声(combustion noise),燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，则产生强烈的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴(或敲缸knock)降低燃烧噪声的主要途径有：1．缩短滞燃期（如：十六烷值高的燃料）2．减小滞燃期内的喷油量；二级喷射pilot injection3．减少滞燃期内形成的可燃混合气数量（油膜蒸发混合）,五、燃烧噪声(combustion noise),怠速敲缸 柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当大，因此压力升高比也较大，产生较强的震音，这种噪声称怠速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。

燃烧室分类：直接喷射式燃烧室、分隔式燃烧室直接喷射式柴油机：浅盆形、深坑形；无涡流直喷式和有涡流直喷式两种气缸直径越大，燃烧室就越浅浅盆形燃烧室不组织进气涡流或弱进气涡流，而深坑形燃烧室一般都组织较强的进气涡流分隔式燃烧室：涡流室、预燃室,第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-2 压燃式内燃机的燃烧室,第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-2 压燃式内燃机的燃烧室,图　直喷式燃烧室示例a）浅盆形　　b）圆柱形　c）形　　c）带缩口的形,一、浅盆形燃烧室（shallow bowl combustion chambers）,浅盆形燃烧室1)混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾质量要求高，采用多孔喷嘴，6~12个喷孔，直径很小（0.12mm），最高喷油压力高（140MPa），对燃油系统要求较高2) 油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间3)燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展使燃油与空气混合浅盆形燃烧室4)燃烧室形状简单，结构紧凑经济性好，容易起动5)因均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作粗暴6)对转速和燃料较敏感。

喷雾质量随转速而变）7)过量空气系数较大浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，工作过程组织的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间的合理配合二、深坑形燃烧室(deep bowl combustion chambers),(一)混合气形成特点小型高速柴油机转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程于是出现了有涡流的深坑形燃烧室燃烧室基本上分成两个空间：活塞中的燃烧室容积VK及活塞顶上的余隙容积V，采用4~6孔喷油器，喷孔直径较大(0.35mm左右)混合气形成一方面利用喷雾，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧深坑形燃烧室利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般a＝1.3~1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用二）燃烧室设计要点,1．广泛采用ω形燃烧室 2．燃烧室尺寸：VK/Vc要尽可能大，一般VK/Vc =0.75~0.85主要措施是减小活塞顶隙S0 dK/D要合适，要与油束射程配合三、球形油膜燃烧方式,球形油膜燃烧室是深坑型燃烧室的一种，其混合气形成主要是油膜蒸发混合将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。

燃烧室壁温200~350℃，使壁面上的燃料在较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解从油束中分散出来的一小部分燃料在炽热的空气中首先形成火核，然后靠此火核点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧球形油膜燃烧室发动机工作柔和，燃烧噪声小，排烟少，性能指标好在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化混合是没有的，燃油都或多或少地喷到燃烧室壁面上，实际的混合过程是介于空间雾化混合和油膜蒸发混合之间四、涡流室燃烧室(swirl combustion chamber),混合气形成　　主燃烧室和涡流室之间用一个或数个通道相连，通道方向与活塞顶成一定角度，喷油嘴安装在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入涡流室中的燃油混合当涡流室中着火燃烧后，气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流入主燃烧室中(形成二次涡流)，与燃烧室的空气进一步混合燃烧涡流室柴油机特点1)混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低，这可降低对燃油系统的要求，减少喷孔堵塞等故障。

2)由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高时仍保证较好的混合质量3)因为有强烈的压缩涡流保证较好的混合质量，使空气能较充分利用，过量空气系数较小由于燃烧初期在涡流室内进行，工作较为平稳4)涡流室的相对散热面积较大，散热损失较大，在涡流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大，因此，冷起动困难，燃油消耗率较高5)由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx排放，此外，HC和微粒排放均比直喷式柴油机低五、预燃室式燃烧室（prechamber systems）,由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个或数个孔道相连，喷油嘴安装在预燃室中心线附近不产生有组织的强烈涡流，但空气流过通道产生强烈湍流，空气湍流使一部分燃料雾化混合由于起动性及经济性较差，基本已不被采用六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配,压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素在大型柴油机中，不组织空气涡流运动，依靠高压喷射、多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能在中、小型高速柴油机中，组织进气涡流，促进混合气的形成和燃烧过程对于一定缸径和转速的发动机，根据燃油系统参数和燃烧室结构参数确定一个最佳涡流比。

最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时应为高涡流比，在高速时应为低涡流比可变涡流进气系统由于直喷式柴油机具有经济性好的明显特点，柴油机向直喷化方向发展六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配,,,图 二气门柴油机的燃烧室、油嘴头部中心与气缸中心的位置关系O点气缸中心 O1点喷油嘴中心 O2点燃烧室中心 O3点、O 4点进排气中心点其中：喷油器最大偏移量a：8%~10%D ；气门最大偏移量b：8%~10%D；燃烧室最大偏移量c：5%D,六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配,,图 喷油嘴喷孔油线在燃烧室内分布计算示意图,图 喷油嘴喷孔油线在燃烧室周向分布形式,图 喷孔数与进气涡流比的匹配关系（燃烧室口径比dk/D=60%，缩口比=85%）,六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配,,图 喷油嘴喷孔油线在燃烧室内分布计算示意图,图 喷油嘴喷孔油线在燃烧室周向分布形式,试验结论：1）油线等角度布置时，柴油机的低速性能较好;2）油线等面积布置时，柴油机的高速性能较好;3）油线等圆弧布置时，可在高低速之间取得折中 的性能指标,一 美国EPA第 阶段,第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-3 非道路用柴油机的排放法规,。