,高速（混合着火燃烧210ms） 高温（2000 左右） 高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学,发动机（内燃机）燃烧所追求的目标： 高e(i) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动,内燃机燃烧的特点：,第9章 柴油机的混合气形成及燃烧,燃烧过程的高速摄影实例：,4,8,12,16,20,24,28,32,40,0(TDC),火焰特点： 多点大面积着火粗暴 “有焰”燃烧产生碳烟,9.1 柴油机燃烧过程及其特性分析,9.1.1 柴油机燃烧过程,分为四期： 着火落后期（ AB ） 速燃期（ BC ） 缓燃期（ CD ） 后燃期（ DE ）,现象: 喷雾及混合+低温多阶段着火，是复杂的物理化学过程 ；,1、 着火落后期（ AB ）,着火点的判断方式： 示功图脱离压缩线的时点 高速摄影出现火焰 ROHR 放热率由负变正的拐点 柴油机的着火落后期对后续燃烧过程有重要影响。,影响着火落后期的主要因素： 温度、压力、喷油量、雾化特性,2、速燃期（ BC ）,现象 大面积多点着火，燃烧极快，压力陡升； 放热速率取决于滞燃期内形成的预混合气多少，因此速燃期也称为预混合燃烧期 注意与汽油机的“预混合燃烧”有区别,2、速燃期（ BC ）,影响 dp/d的主要因素： 滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、混合速率、滞燃期长短有关,燃烧特性参数： dp/d 对动力性、i 、m、NOx、振动噪声有显著影响， 一般柴油机： dp/d 0.20.6 (MPa/CA),柴油,汽油,3、缓燃期（ CD ）,现象 剩余燃料边蒸发混合,边燃烧， 燃烧速率受控于燃料扩散混合速率，也称为扩散燃烧期 出现柴油机燃烧特有的“双峰” pmax的大小及位置： 上止点后1015CA，取决于喷油时间、着火落后期、预混燃烧 缓燃期燃烧 “过缓”会造成: 等容度，散热，i ；碳烟和微粒排放,4、后燃期（ DE ）,现象 剩余1020%的燃料继续燃烧，远离TDC，气流扰动变弱，燃烧速度下降。 后燃期过长，会造成： 等容度，散热，碳烟和微粒排放，排温 、 t ； 减少后燃的基本思路 加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。,汽油机 Vs 柴油机燃烧特性,汽油机 Vs 柴油机燃烧特性,示功图（P-）： 压缩压力 燃烧压力Pmax 压升率（dP/d）： 各自的合理范围 dP/d低，NOx和噪声低 放热速率dQb/d: 初期放热率，柴，汽 形状，汽单峰，柴双峰,汽油机,柴油机,汽油机 Vs 柴油机燃烧特性,汽油机不同负荷时，随负荷的增加，燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续期变长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧持续期拖长，加之上述放热率形状的不同，其燃烧放热等容度会低于柴油机，即汽油机最常用的中小负荷不是“等容放热”,EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防止爆震而推迟点火时刻造成的。,汽油机 Vs 柴油机,?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”， ?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？,汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散扩散燃烧,汽油机 Vs 柴油机,放热规律三要素： 放热始点存在最佳值，一般使Pmax出现在1015CA ATDC 持续期尽可能缩短，一般柴油机4060CA 形状因性能要求而异,9.1.2 合理的燃烧放热规律,1.放热始点,放热始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心距上止点的位置。 影响：循环热效率、压力升高率、燃烧最大压力,2.放热持续期,放热持续期的长短，一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比值大小的反映。决定循环热效率，有害气体排放。 放热持续期原则上越短越好，柴油机一般小于40-60CA. 柴油机放热持续期： 首先取决于喷油持续角的大小，喷油时间逾长则扩散燃烧期愈长。 其次也取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。,3.放热率曲线形状,放热率曲线形状决定了前后放热量的比例。 放热始点和放热持续期不变，形状的变化，既影响放热曲线面心的位置，也影响预混合燃烧与扩散燃烧的比例。,9.1.2 合理的燃烧放热规律,放热率形状： （相同放热始点、持续期时） a：热效率最好（见185页），等容度最高 d：热效率最低，但排放低 bc：介于上述两者之间，有多种优化结果，取决于实际需要,发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成,本节从油、气两个方面介绍柴油机混合气形成过程,9.2 燃油喷射及混合气形成,过程极短 (0.5ms),9.2.1 喷油系统与喷油特性,1、对燃料喷射过程的要求 合理的喷油特性（喷油规律） 良好的雾化特性 定时 定量 不出现异常,喷油特性主要指供油规律与喷油规律 喷油特性和喷雾特性是喷油系统最主要的两类指标,（1）喷射延迟阶段 供油提前角fs供油始点至TDC的角度（油泵出油） 喷油提前角fj喷油始点至TDC的角度（针阀始动） 喷油延迟角fsfj，转速越高、油管越长，延迟角越大 （2）主喷射阶段 喷油始点喷油器端压力开始下降点 喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化 qn f(p, 针阀升程，喷油持续期) （3）喷油结束阶段 喷油器端压力急剧下降点针阀落座 燃油雾化质量差，尽可能减少喷油量,2、燃油喷射过程（机械式）,3、供油规律与喷油规律 供油规律 单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量称为供油速率。 供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油规律,喷油规律： 喷油速率和喷油规律定义与上类似 喷油泵 喷油器,供油速率计算,对于确定的喷油泵，柱塞直径dp和柱塞运动规律（由凸轮型线决定）等几何参数是一定的，由于可以比较准确地计算出,（72）,因此也称 为几何供油规律,注意：看懂图；理解“凸轮工作段”的概念；在右图上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有什么关系。,？为什么会出现两者的差异,燃油的可压缩性 压力波传播滞后相位变化 压力波反射叠加形状变化 高压油管弹性变形,实际发动机中的供油规律与喷油规律对比,最终影响发动机性能的是喷油规律,异常喷射现象,1.二次喷射 2.滴油现象 3.断续喷射 4.不规则喷射和隔次喷射 5.气穴和穴蚀,避免异常喷射的方法,缩短高压油管长度 减小高压容积以减缓压力波动 合理选择喷油系统参数：喷油柱塞直径、凸轮型线、出油阀结构和尺寸，出油阀减压容积，高压油管内径，喷油器喷孔尺寸、喷油器开启压力,喷雾特性与雾化质量,油束射程(又称为贯穿距离)L 喷雾锥角 油束的最大宽度,油束的雾化质量指油束中液滴的细度和均匀度 平均粒径、索特粒径和粒径分布 粒径分布则既表示了油粒大小又表示了其均匀程度,1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀,喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响,9.2.2 缸内气流运动,分类： 涡流、滚流、挤流控制油气宏观混合 湍流促进油气微观混合,1、 涡流（Swirl） 绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用 （1）涡流种类：进气涡流、压缩涡流 （2）评价指标：涡流比涡流转速 / 发动机转速,（3）进气涡流产生方式：,导气屏：结构简单，强度可调，=04，但阻力大，一般用于试验发动机； 切向气道：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但=12； 螺旋气道：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力 小， =24；,组合气道：例如“1切1螺”，随工况不同可关闭其中一个气道。,一对矛盾： ， c,根据动量守恒的关系，有： c、 : 压缩终了时和进气终了时的涡流比 D 、 dk : 气缸直径、燃烧室凹坑入口直径,（4）进气涡流在缸内的发展,涡流在缸内发展的两个实例 压缩上止点时均达峰值 缩口使c明显提高，并保持到上止点后（与理想ROHR有何关系） 对柴油机燃烧真正有意义的是c ， 而不是,（5）压缩涡流,主要指涡流室燃烧室中，气体在压缩过程中由主燃室进入涡流室时产生的涡流（一次涡流），以及相反运动时的涡流（二次涡流）。 不会引起c，但增加流动损失和散热损失,2、挤流,压缩时空气被挤入燃烧室凹坑内形成挤流 膨胀时燃烧气体冲出凹坑形成逆挤流,挤流强度 dk/D、S0,特点：不影响c和，但强度较弱，作用小于涡流，起辅助作用 思考：汽油机中的挤流运动,3、湍流（紊流）,形成方式：,活塞运动自然形成的湍流，较弱且不可控； 预燃室中的空气运动（如图，压缩和膨胀均有）； 非回转体燃烧室（参见讲义图9-10）； 燃烧冲击形成湍流（预燃室的主燃室）,4 滚流,绕垂直于气缸轴线的有规则的气流运动（与涡流相反），也称纵向涡流 近年来开发的混合气形成方式 主要用于缸内直喷式汽油机 用滚流形成大范围的油气混合 滚流被压扁、破碎 形成高度湍流强化微混合。,滚流,缸内滚流的发展,柴油机的混合气形成方式,1.空间雾化混合：缸内直喷、热混合现象 2.壁面油膜蒸发混合,1.空间雾化混合,空间雾化混合：将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相对运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式,柴油机常用的空间雾化混合方式：,1.采用多孔喷油器以高压将燃油喷入燃烧室中的静止空气中。通过多个喷油射束均匀覆盖大部分燃烧室以及高压喷油产生的高度雾化，形成可燃混合气。 2.非直喷柴油机，采用两段混合方法。 第一阶段预混合，利用压缩涡流和较低压力喷油射速双方的能量，在副燃烧室中并不十分均匀的混合状态下进行着火燃烧。然后，利用高温高压燃烧气体的射流与强扰动作用，在主燃烧室内进行第二阶段的混合于燃烧。,2.热混合现象,已燃气体的密度比空气小，向心推力将起主要作用，呈向内运动趋势。在旋转的气流中，已燃气体向燃烧室中心运动，而燃料和新鲜空气向外周运动的现象称为热混合现象。,2.壁面油膜蒸发混合,小结：柴油机混合气形成方式,本课小结：,柴油机燃烧过程分段及特点 喷油特性（注意区别喷雾特性） 缸内气流运动方式,发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成,9.2 柴油机的燃烧室及其特性,9.3 柴油机的燃烧室及其特性,柴油机燃烧室分类：,直喷式 （DI,Direct Injection） 燃油直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧 非直喷式 （IDI, Indirect Injection） 燃油不直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧,9.3.1 直喷式（DI）燃烧室,浅盘型,深坑型,球型,特点： 燃烧室凹坑开口大、深度浅 （dk/D0.720.88; dk/h=57） 多孔油嘴（612孔）、高压喷射 无涡流或弱进气涡流 性能： 滞燃期内形成较多混合气， dp/d高，NOx、噪声高； 空气利用率差， a 1.6； dp/d高，流动及散热损失小，be低，易起动。 应用范围： 适用于缸径大（ 140mm）转速低（ 2000r/min）的柴油机。近年，随高压喷射采用，向小缸径拓展。,“油找气”方式,1、浅盘型燃烧室,特点： dk/D0.6; dk/h=1.53.5; 较强涡流=1.53；有中心凸起，引导涡流，消除流动弱区； 喷孔少（46），喷压较高； 形状：形、挤流口形、四角形。 性能： 空气利用率较高，最小a 1.3； 随n提高而涡流强度提高，适于高速； dp/d较浅盆形低，燃烧较柔和。 应用范围： 小缸径（ 120mm） 高转速柴油机（中、轻、轿车）,油气相互运动,2、 深坑形燃烧室,S0影响 顶隙S0减小，可使： 空气集中在燃烧室凹坑内，利用率高； 燃油不要分散在S0内，此处混合不好； S0内的燃烧受壁面淬冷，燃烧慢，不完全。 因此，所有柴油机