,第三章,柴油机混合气形成和燃烧,柴油机与汽油机相比主要有如下特点：,将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动实现破碎雾化、吸热蒸发，达到充分混合。 特点： 喷射压力2030MPa 对喷雾要求高(多孔喷嘴)燃烧易于完全，经济性好. 对气流要求不高后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解排气冒烟。 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速p，pmax工作粗暴，NOx较高。 主要用于大、中型柴油机。,一、形成混合气的两种基本形式,3.1 柴油机混合气形成,空间雾化,有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速(先缓后急)。 特点： 对燃料喷雾要求不高(采用单、双孔喷嘴)，对空气运动要求高，NOx较少，HC较高。 空间雾化混合气先着火点燃剥离油膜，放热先缓后急p ，pmax工作柔和，噪声小，经济性好. 但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。单独采用油膜蒸发方式的内燃机日趋渐少。,油膜蒸发,二、燃料的喷雾,只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。接触面积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。 1ml 油滴:1个， d=9.7mm，S=245mm2 雾化后:299107个，d=40m，S=1.5106mm2 面积增大5090倍，燃烧反应机会大大增加。,喷雾的作用,油束的形成及特性, 1.油束的形成 燃油喷射高压(1225MPa)高速(100300m/s) . 一级雾化：气缸中空气的动力作用将油束撕裂成片,带、泡或大颗粒的油滴。 二级雾化：空气动力作用将 片、带、泡或大颗粒的油滴再粉 碎成细小的油滴。 特点：油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。边上油滴松散，颗粒小。但也有说法正好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。 2.着火条件 浓度、温度为着火的必要条件中间油粒大，浓度偏高。外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不高，化学准备没有跟上。等温度适合于着火了，油粒又过分发散，也不会着火。要控制好浓度与温度的进程，使之正好配合，方可着火。, 1.油束射程L并不一定越大越好，这要根据混合 气形成的机理与燃烧室形状具体分析。 L燃料喷到壁面上多空间混合气太稀； L燃料集中混合气分布不均匀，空气利用 2.喷雾锥角 反映油束的紧密程度。 孔式喷嘴油束松散，粒细； 轴针式喷嘴油束紧密，粒粗。 3.雾化质量（雾化特性） 细微度油滴平均直径 细:雾化好均匀度油滴最大直径油滴平均直径 匀:雾化好 粒细均匀度好，粒粗均匀度差。,喷雾特性,单位时间(或曲轴转角)的喷油量随时间(或曲轴转角)的变化规律。喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。 1.喷油延迟角 喷油提前角开始喷油上止点的曲轴转角。 上止点停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角： 2.喷油延迟角对性能的影响 喷油持续时间长，工作柔和，但油 耗增大，排放变差。 喷油持续时间短，油耗下降，排放 好，但工作粗暴。,喷油规律,3.喷油延迟角的比较 先急后缓 工作粗暴； 油耗，排放差。 先缓后急 工作柔和； 油耗，排放好尽量采用.,1.孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。孔数:16个，=0.250.8mm 。 孔数越多，孔径越小，雾化越好，但也易阻塞。 2.轴针式喷嘴主要用于分隔式燃烧室中。=13mm ，通道间隙 = 0.0250.05 mm 。 雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。,喷油嘴构造,1.进气涡流使进气气流 相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。 切向气道特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小v。 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 螺旋气道特点：进气道呈螺旋型。 优点：能产生强烈的进气涡流。 缺点：工艺要求高，制造、调试难度较高。,三、气流运动对混合气形成的影响,气流运动的作用,气流运动,2.挤气涡流 活塞上行：将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。活塞下行：形成反涡流。 挤气间隙挤气涡流强度。 挤气面积挤气涡流强度。 挤气涡流虽然不如进气涡流 强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。 3.燃烧涡流 燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧 涡流。尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，气 缸盖内的副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混 合气流和火焰高速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。,热混合作用,1.刚性涡流涡流中心 质点速度为零，越向边缘速 度越大。 2.势涡流涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。 一般认为涡流为势涡流。 3.热混合作用主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生；涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。 若为质点密度，为空气密度。 当= 时，质点作圆周运动。 当时，离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。,当 400，向外运动。 燃烧产物： 0.3，向中心运动。 燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。,柴油机燃烧过程的特点 1.范围：着火过程和燃烧过程，从开始喷油燃烧完 2.时间：极短，高速柴油机只有310ms； 3.空间：很小，小功率柴油机的只有2060ml； 4.燃烧方式：反应物很不均匀且与燃烧产物同处一 室，压缩自燃和多源着火。 柴油机燃烧的主要研究方向 1.喷油雾化 2.喷油规律 3.气流运动 4.燃烧室结构 四者配合要好。,第二节 柴油机燃烧过程,1喷油嘴针阀打开向缸高压喷油. 此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度(可达400800)，但并不马上着火。燃烧需要：物理准备雾化、吸热、蒸发、扩散、混合。化学准备分解、氧化(焰前反应)。 2缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。一般：i=0.00070.003s；对应的曲轴转角称为着火延迟角i 。尽管着,一、燃烧过程,滞燃期12(着火延迟角),火延迟期很短，但却对燃烧过程、尤 其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。,2点开始着火，压力急骤增高，接 近等容燃烧。持续喷油，随喷随燃. 3最高压力点。 为表示23阶段压力升高的急骤程度，引入压力升高率概念： kpa/A p，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 p ，pmax做功不利，柴油机性能。 i p ，p300500 kpa/A,速燃期23,4最高温度点，T4=Tmax=17002000，大部分燃油在此燃烧，放热量达7080%。喷油在这一阶段停止. V ，p ，接近等压燃烧，废气量，氧气、燃油量燃烧速度。,缓燃期34,补燃期45,5放热量达9597%。补燃期属于膨胀过程。补燃期t，ge，动力性，冷却水温度，排气温度，排放差。所以，应尽量减少补燃。柴油机由于随喷随燃，混合时间短，补燃要比汽油机严重。,60 40 20 0 20 40 60 80,，进气温度、采用增压pc，Tci lni i。,二、影响着火延迟期i的因素,压缩温度和压力直接影响因素, 虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧 pc，Tc i; pc，Tc i。 所以，有一个使i 为最小的。 高速时:imin=1015 A; 低速时:imin=510 A 一般： =510 A；,喷油提前角影响最大的因素,n漏气、散热损失 pc，Tc； 喷油压力雾化；气流运动蒸发；混合气形成好转i。 但n 着火延迟角i。,转速n,十六烷值CN,CN柴油自然性缸内p，T大时，影响不大 缸内p，T小时i。,增压,增压pc，Tci。,三、着火延迟期i对柴油机性能的影响,ii期间喷入缸内的燃料量着火前可燃混合气量p，pmax。 i p ， pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命。 i混合气形成欠佳柴油机性能。,一、燃油喷射,柴油机供油系统组成油箱输油泵滤油器低压油管喷油泵高压油管喷油器（喷油嘴）。 喷油过程,第三节柴油机供油系统的工作特性,柴油机的燃油喷射、气流运动和燃烧室结构三者之间的匹配情况对柴油机的燃烧过程和整机性能有重要影响。有关气流运动和燃烧室结构方面问题将结合柴油机的燃烧室一起讨论，本节仅讨论燃油喷射对燃烧过程的影响。燃油喷射的情况取决于供油系统的工作特性。,喷油过程,喷油泵以在柱塞开始关闭进油孔的瞬间作为供油始点，泵油室里的燃油被压缩而压力升高，当泵油室里的压力超过出油阀弹簧和高压油管中残压Pr的联合作用时,燃油进入高压油管。此时喷 油器并不能马上喷油，当喷 油器内的压力升高到超过针 阀开启压力p0时，针阀才打 开将燃油喷入气缸。所以喷 油器的实际喷油始点落后于 喷油泵的供油始点，从柱塞 开始关闭进油孔到针阀打开 的时间称为喷油延迟，由于 喷油延迟使实际喷油提前角 比几何供油提前角要小。在 针阀打开过程中，一部分燃,油喷入气缸，虽然喷油器内的压力将下降，但喷油泵端柱塞继续上升压油，所以喷油泵端的压力仍继续上升。 当柱塞斜槽打开回油孔时，最初由于开度小有节流 作用，泵油室中的压力并不会立刻下降，当回油孔开大 时，喷油泵端的压力才急剧下降。而喷油器端的压力下 降较喷油泵端迟，当喷油器处的 压力降到低于针阀落座压力ps时 针阀关闭，便停止喷油。 泵油室中压力下降到出油阀 落座压力时，出油阀关闭，燃油 便停止进入高压油管。喷油器针 阀在开启和关闭时，由于燃油的 压力波动，可能使针阀产生振动， 并有可能引起不正常的喷射。,由于燃油具有一定的可压缩性，高压供油系统工作过程中将不断出现压力波的传播。压力波的传播需要时间，压力波的反射、叠加等将造成实际喷油过程(喷油规律)与柱寒供油过程(供油规律)的差别。 几何供油规律指从几何关系求出的油泵凸轮每转1(或每秒)喷油泵泵入的燃油量(mm3/deg泵轴或mm3/s)随凸轮转角 (或时间t)的变化关系。由于它纯粹是由几何关系决定的，因此只要知道柱塞的运动特性即可求得: 式中：fp为柱塞面积 mm2； wp为柱塞速度 mm/s或mm/deg泵轴。,儿何供汕规律和喷油规律,喷油规律是指在喷油过程中每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油里随时间或泵轴转角的变化关系，即:,左图是一台国产高速大功率柴油机的供油规律与喷油规律。两者曲线形状有较大差异。,1.理论上（不存在节流） 上行：当3点与5点重合时，才开始供油。 当2点与4点重合时，既开始回油，停止供油。 2.实际上（存在节流） 上行：当3点不到5点时，由于通道小，节流，已经开始供油。关闭进油口时供油提前。 当2点过了4点以后，通道小，节流，才开始回油，停止供油。开启回油口时供油持续。 所以，实际供油比理论供油时间长，供油量大。,节流作用,二、喷油泵速度特性及其校正,喷油泵速度特性,喷油泵速度特性每循环供油量随转速n的变化关系. n节流作用循环供油时间循环供油量g。,车用：希望ngMe(例如：低速大负荷工况). 喷油泵速度特性：ngMe。 因此，喷油泵速度特性不适合于车用，必须进行校正.,车用柴油机要求的适应性,出油阀校正,在减压带开始下落到密封锥面落 座这段时间内，高压油管中增加的容 积为d2h/4，即为减压容积。若减压 容积能随转速发生变化，则可改变或 控制高压油管中的残余压力，从而改 变喷油泵的速度特性。,1.可变减压容积 要使减压容积随转速发生变化,只要使减压带高度h能随转速变化即可。 方案1：出油阀尾部开楔形槽(4条，向阀顶逐渐变浅) nV燃油冲击减压环 带的力减压环带升程 (节流作用) 断油时间提 前相当于h的增大高 压管的减压容积 g。 方案2：用中心的小孔节流作用