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第五章 柴油机混合气形成和燃烧 讲义_图文

第五章  柴油机混合气形成和燃烧    讲义_图文

第五章 柴油机混合气形成和燃烧
? 柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油, 其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不 同。 1、混合气形成特点: (1)汽缸内部形成混合气:因柴油不易挥发(馏程 250~350℃)必须借助喷射设备喷入气缸。 (2)混合气形成时间短,只有15~35゜CA, n=1500r/min时只有1.7ms~4ms (3)混合气形成不均匀 α=f(x.y.z.t)α=0~∞整个燃烧室 α=0~∞ (4)混合气形成与燃烧紧密相连边混合边燃烧。

2、混合气形成方式
? 提出多种混合形成方式和燃烧室,从根本上讲基 本上是两种。 (1)空间雾化混合,燃料喷入燃烧室空间形雾状混合 物。要求喷雾与燃烧室形状配合,并利用气流运 动。

?

(2)油膜蒸发混合,燃料大部分顺气流方向喷到燃烧室 上,形成一层油膜,油膜受热蒸发,在旋转气流作用下 与空气相混合形成可燃混合气。在小型高速柴油机上, 燃燃油或多或少会喷到燃烧上形成油膜因此以上两种混 合方式兼而有之,只是主次,多少不同。目前多数车用 柴油机以空间雾化混合为主。

§5-1柴油机燃烧过程
一、燃烧过程 为了便于分析和揭示 柴油机燃烧过程的规律, 通常将这一连续的燃烧过 程分为四个阶段,即: Ⅰ.着火延迟期(又称 为滞燃期); Ⅱ.速燃期; Ⅲ.缓燃期 Ⅳ.补燃期。

Ⅰ.着火延迟期
? 从柴油开始喷入气缸起到着火 开始为止的这一段时期称为着 火延迟期。 ? 着火延迟期内,燃烧室内的混 合气进行着物理和化学准备过 程。 ? 物理准备过程:燃油油滴→加 热→蒸发→ 扩散→气化和混合 形成可燃混合气; ? 化学准备过程:可燃混合气→ 裂解→产生醛类过氧化物兰炎 →过氧化物,CO兰炎产物是 CO,O,OH,H 等或性中心 →热炎→热爆炸。 ? 特点:压力没有偏离压缩线。

影响着火延迟期(τⅰ )长短的主要因素
? 喷油时缸内的(P+T)↑→τⅰ↓。 ? 柴油的自燃性好(十六烷值↑)→τⅰ↓ ,燃 烧室的形状和壁温等。 ? 喷油提前角:开始喷油到活塞到达上止点 所对应的曲轴转角。 ? 着火延迟期一般为0.7~3ms。

Ⅱ速燃期
? 速燃期:从开始 着火(即压力偏 离压缩线)到出 现最高压力. ? 特点:压力急剧 上升,压力达到 最高(有可能达 到13MPa以上)。

? 一般用压力升高率λp〔MPa/(? CA)〕表示 压力急剧上升的程度。

式中:△p——速燃期始点和终点的气 体压力差(MPa); △θ——速燃期始点和终点相对 于上止点的曲轴转角差(? CA)。

?p ?p ? ??

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速燃期特点: λp很高,接近等容燃烧,工作粗暴。 达到最高压力(6~9MPa)。 继续喷油。 λp过大,则柴油机工作粗暴,燃烧噪音大;同时 运动零件承受较大的冲击负荷,影响其工作可靠 性和使用寿命; ? λp大,燃烧迅速→经济性和动力性变好。 ? λp应限制在一定的范围之内,柴油机的压力升高 率一般应不大于0.4~0.5 MPa/(? CA)。与汽油机 相比,柴油机的λp较大。

控制压力升高率的措施

减小在着火延迟期内准备好的可燃 混合气的量。 ①缩短着火延迟期的时间; ②减少着火延迟期内的喷入油量,先少后多; ③减少可能形成可燃混合气的燃油,油膜蒸 发缓和

Ⅲ.缓燃期

? 缓燃期:图中的CD段,即从最大压力点至最高温度点。 ? 当缓燃期开始时,虽然气缸内已形成燃烧产物,但仍有 大量混合气正在燃烧。一边燃烧,一边活塞下行,缸内 压力几乎不变或稍有变化(接近等压过程放热量达 70~80%。燃烧室内的最高温度可达2000K左右,一般 在上止点后20 oCA~35 oCA处出现。 ? 特点: 缸内废气↑ ,氧气↓ ,燃烧条件不利,边混合边燃烧, 局部高温缺氧,燃料裂解形成碳烟→冒烟、经济性↓。 ? 柴油机均在α>1的条件下工作,使柴油机容积利用率↓, 这是其比质量,升功率不如汽油机的原因之一。

Ⅳ.补燃期
? 补燃期:从最高温度点起到燃油基本烧完为止称为补燃 期。 ? 补燃期的终点很难准确地确定,一般当放热量达到循环 总放热量的95%~99%时,就可以认为补燃期结束, 也是整个燃烧过程的结束。

? 特点:时间短促,混合气不太均,燃烧放出的热量得不 到有效利用,排气温度提高,散热损失增大,对柴油机 的经济性不利。此外,后燃还增加了有关零部件的热负 荷。因此,应尽量缩短补燃期,减少补燃期内燃烧的燃 油量。

小结、混合气形成和燃烧过程
1、混合气形成 液体柴油 油束 油线 油粒 雾粒 油雾

即:在压缩行程终了,由喷油器将雾状柴油喷入 汽缸;直接在燃烧室内与空气混合,形成混合气. 2、燃烧过程 1)着火落后期 3)缓燃期 2)速燃期 4)补燃期

3、混合气形成的方法 1)空间雾化混合 2)油膜蒸发

二、燃烧放热规律:
? 瞬时放热速率:指在燃烧过程中的某一时刻,单位时间内 燃烧的燃油所放出的热量; ? 累积放热百分比:是指从燃烧过程开始至某一时刻为止已 经燃烧的燃油与循环供油量的比值。

? 燃烧放热规律:瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转 角的变化关系。
? 燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内压力、温度的变化, 进而影响到柴油机的性能,对了解、分析和改进燃烧过程 有着特别重要的作用。 ? 不同类型柴油机的放热规律曲线形状不同。下图为一典型 直喷式柴油机的放热规律。

从曲线中可以看到,放热过程明显分为三个阶段:
第Ⅰ阶段AB为予混合燃烧阶段,放热率一般都很高,历时 3~7oCA,与速燃期相对应。 第Ⅱ阶段BC为扩散燃烧阶段,放热率逐渐下降,历时约为 40oCA,ⅠⅡ阶段的累积放热量约为80%。 第Ⅲ阶段CD为放热的尾巴,可能延至整个膨涨过程放热 量约占20%。大量研究表明, 放热率 总放热量 开始燃烧时刻,放热规律曲线 dQ /dφ Q b 形状和燃烧持续时间是放热规 Ⅰ Ⅱ 律三要素,燃烧始点最佳是使 a Ⅲ oCA, Pmax出现在上止点后7~8 燃烧持续时间最佳为40 oCA。
B B

三、柴油机燃烧过程中存在的主要问题
(一)空气利用率低、α不均匀 ? 混合气形成时间短、只有15~35oCA,1.7~4ms边燃烧 边油,油滴易被高温废气包围找不到氧,氧找不到油分 子;所以为保证柴油机燃烧比较完全,必须在α>1条件 工作α=1.3左右,即30%的空气量未能完全利用。使柴 油机容积利用率低,比质量升功率较小体积较大。 (二)燃烧噪声(工作粗暴) ? 主要是因为速燃期压力升高率过大. (λ p >0.4~0.5Mpa/?CA)产生燃烧噪声使零件负荷↑寿 命↓称柴油机工作粗暴。

(四)柴油机的有害排放物 柴油机废气中的有害排放物主要包括: ? 碳氢化合物(HC) 、一氧化碳(CO) 、氮氧化物 (NOx) 以及微粒(PM)等。 ? 与汽油机相比,柴油机废气中的CO、 HC以及NOx 相对比较少,而微粒则是柴油机所特有的问题。

(1)微粒(PM)
? 微粒是指温度在52 ?C以下时,排气中除水以外的 固态和液态物质。 ? 高温、极度缺氧→微粒成核→ 表面增长→ 凝聚→ 集聚→ 吸附等阶段。 一般在高负荷时发生。如汽车加速,爬坡或超 载。 ? 减少微粒的措施:改进进气系统ην↑ ①增大过量空气系数α减少喷油量降低功率使用; ②组织空气运动促使油束分散增大混合范围,热混 合作用。

(2)氮氧化合物(NOx)
? N0x主要是在高温、富氧和相对有较充裕反应时 间的条件下生成的。 ? 当过量空气系数α在一定范围内时,N0x的排放量 随α的下降而较快地增长;而当α过大或过小时, N0x的排放量变化都很小。 ? 由于在分隔式燃烧室柴油机燃烧过程中,在副燃 烧室内混合气很浓而在主燃烧室内温度又相对较 低,因此在较高负荷的区域内,分隔式燃烧室柴 油机N0x的排放量约为直喷式燃烧室柴油机的1/2。

(3)一氧化碳(CO)
? CO是不完全燃烧的产物,由于柴油机的过 量空气系数α较大,产生的 CO又有可能有 足够的空气在膨胀过程中氧化为CO2。因此 柴油机废气中的CO含量很低,仅在接近全 负荷附近,即过量空气系数α过小时,CO 的排放量才有所上升。

(4)碳氢化合物(HC)
? 柴油机废气中的HC主要是在混合气过稀的 情况下产生的。 ? 特别在低负荷时过量空气系数α 过大,由 于温度过低,反应不能及时进行,从而使 HC的排放量有所增大。

(5)白烟与蓝烟
? 在柴油机冷起动后怠速或低负荷下暖机的过程中, 特别在寒冷天气时,会产生白烟与蓝烟。由于燃 烧室内工质的温度低,燃油不能完全蒸发燃烧, 未燃烧或部分氧化的燃油一般以液态微粒的形式 随废气排出后,冷凝而形成白烟与蓝烟。 ? 白烟(0.6μ~1mm)与蓝烟(<0.6μ)之间并没 有严格的成分差异,只是由于微粒直径不同,白 烟的微粒直径较蓝烟的微粒直径大而对光线的反 射不同,从而产生不同的颜色。一般白烟在柴油 机暖机的过程中逐渐变为蓝烟,再变为无色烟。

§5-2 燃油喷射和雾化
? 喷油泵的作用:定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性 地供给高压燃油。 要求:1)各缸供油量相等 2)各缸供油提前角相等,持续角一致 3)供油次序与发火顺序一致 4)能迅速停止供油,防止喷油器发生滴漏现象。 分类: 柱塞式喷油泵 喷油泵——喷油器 转子分配式喷油泵 ? 喷油器的作用:将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内, 使燃油雾化成微小的油粒,并按一定的要求适当地分布在燃烧室 内。

1、喷射过程
? 喷射过程:供油开始至喷油停止的过程,约占15o~40oCA。 图5-12表示了在喷射过程中喷油泵端燃油压力、喷油器端 燃油压力以及针阀升程h的变化情况。

? 喷油延迟角:喷油提前角与 供油提前角的差值。 ? ①转速升高,喷油延迟角加 大; ? ②高压油管较长,压力波传 播时间较长,喷油延迟角也 会较大。 ? (1)几何供油规律:单位 时间内油泵的供油量随时间 的变化关系。它纯粹是由喷 油泵柱塞的几何尺寸和运动 规律确定的; ? (2)喷油规律:即喷油速 率,单位时间内喷油器喷入 燃烧室内的燃油量随时间的 变化关系。

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从几何供油规律和喷油规律的比较可见: ①喷油始点迟于供油始点; ②喷油持续时间较供油持续时间长; 供油规律和喷油规律曲线不同的主要原因: ①燃油的可压缩性,使系统内产生压力波的传播,高压油 管的弹性变形引起容积的变化; ? ②压力波的往复反射和叠加的作用。

2、不正常喷射现象
(l)二次喷射现象: 既在喷射终了喷油器针阀落座以后,在压力波动的 影响下再次升起喷油的现象。 ? 危害: ①压力低雾化不良,燃烧不完全,碳烟增多,易引起喷孔 堵塞; ②时间长燃烧不及时,经济性下降,零部件过热。 ? 解决措施: ①尽可能地缩短高压油管长度,减小高压容积,以降低压 力波动; ②合理选择参数,如喷油泵柱塞直径、凸轮廓线、出油阀 形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷 孔尺寸、针阀开启压力等。

(2)滴油现象:在喷油器针阀密封正常的情况下,喷射终 了时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座,出 现仍有燃油流出的现象。 (3)断续喷射:由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷 油器喷出的油量和填充针阀升空出空间的油量之和,造成 针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。 (4)不规则喷射和隔次喷射:洪油量过小时,循环喷油量 不断变动甚至出现有的循环不喷油的现象。

二、燃油的雾化和油束特性
? 燃油在喷油泵中被压缩后,经高压油管在高压(20~ 160MPa)、高速(100~400m/s)的作用下,从喷油器 喷入燃烧室。燃油与燃烧室高压空气的相对运动中及紊流 的作用下,被逐步粉碎分散为直径约2~50μ的液滴,由 大小不同的液滴组成了油束。

? ? ? ? ? ? ? ? ?

油束的几何形状的几个参数: ①油束射程L(又称为贯穿距离); ②油束的最大宽度B; ③喷雾锥角β :标志油束的紧密程度。 ④贯穿率L/Lo (Lo喷孔至燃烧室壁的距离) : 当L/Lo >1→有一部分燃油喷射到了燃烧室的壁面上。 ⑤雾化质量: 细度:用液滴平均直径来表示。直径越小,油束雾化得 越细。 均匀度:油束中液滴大小相同的程度及液滴在油束内分布 的均匀程度。 影响油束几何形状的主要因素有:喷射压力,喷油器喷孔 的长度直径比和空气与燃油密度比等。

§5-3混合气的形成和燃烧室

一、两类燃烧室:
1、统一式燃烧室:又称直接喷射燃烧室。

⑴?型燃烧室→开式( dk /D>0.8, dk 喉口直径); ⑵球型燃烧室→半开式( dk / D=0.35~0.65) 。
2、分隔式燃烧室:由主燃烧室和副燃烧室组成。

⑴涡流室燃烧室; ⑵预燃室燃烧室。

1.直接喷射式燃烧室
? 结构特点:整个燃烧室由气缸盖底平面、活塞项面及气缸壁所 形成的统一空间内,活塞顶上均开有深浅不同、形状各异的凹 坑。 ? 开式燃烧室的混合气形成主要靠油束与燃烧室形状配合。不组 织空气运动或辅以微弱的空气运动。这种燃烧室空气利用率低, 但经济性好,主要用在大中型柴油机上。目前汽车、拖拉机柴 油机上多采用半开式燃烧室。 ? 半开式燃烧室的空气涡流运动。

⑴以ω型为代表的半开式燃烧室
? 特点: ①采用多喷孔喷嘴、3-5孔,依靠燃油在空间雾化来实现; ②组织进气涡流,加速混合气形成。 ? 优缺点:结构简单,相对散热面积小(即燃烧室表面积和 其容积之比小),可以获得较高的经济性。 ①散热面积小,压缩终点温度容易建立,ε 也较低,约为 15-17。它的低温起动性好。 ②开启压力大20MPa左右.喷油泵易磨损; ③滞燃期中形成的可燃混合气量较多,λ p较高,工作粗暴; ④α 较大,全负荷在1.3以上,对转速变化较敏感; ⑤ 温度较高,空气在高温停留的时间又长,故NOX排放高, 比分隔式燃烧室大 。
1 1 ~ 2 3

?型燃烧室; 螺旋进气道 空气涡流运 动

⑵球形燃烧室:
? 采用螺旋进气道,油 膜蒸发方式混合 ? 优点:工作柔和,噪 音小,又叫轻声发动 机。 ? 缺点:起动困难,螺 旋形进气道,结构复 杂,制造困难。

2.分隔式燃烧室

⑴涡流室式燃烧室
a、结构特点:通道方向与活塞顶成一 定的角度并与涡流室相切。涡流室通 常由两部分组成,上部与气缸盖铸在 一起。下部(包括连接通道)由耐热 钢制成,称为“保温镶块”。 b、混合气形成特点: ①n↑→涡流增加; ②部分燃油在通道口附近靠近壁面 处着火; ③二次涡流(燃烧涡流)进一步混 合; ④对燃油适应性好。

? 主要优点: ①α 较小,全负荷=1.2~1.3,最低可到1.1,空气利用率较 高; ②对喷雾质量要求不高,可用单孔式喷嘴,开后压力较低 12~14MPa;对燃油系的要求低,减少喷嘴堵塞现象。 ③对转速变化不敏感,高速性好,最高转速可达 5000r/ min。 ④λ p较低,运转平稳;排气污染小,易于调试;使用性能 稳定。 ? 主要缺点: ①相对散热表面积较大; ②气体二次经过通道节流,流动损失也较大; ③冷起动性差,压缩比为18~23,需要起动辅助装置。 ④通道口热负荷很高,容易引起热裂等毛病。

⑵预燃室燃烧室
? 构造特点:燃烧室由两个部分 组成. ? 预燃室和主燃室用一个或几个 小孔(或称喷孔)相连通,小 孔总截面积与活塞截面积之比 只有0.25~0.7%。喷油器安装 在预燃室中心线附近。 ? 混合气形成特点: ①压缩紊流; ②燃油喷入预燃室避免与气流正 面相撞; ③气流将一部分小油粒带向预燃 室的上方形成火源。

? 主要优点: ①α 较小,全负荷=1.2~1.3,最低可到1.1,空气利用率较 高; ②对喷雾质量要求不高,可用单孔式喷嘴,开后压力较低 12~14MPa;对燃油系的要求低,减少喷嘴堵塞现象。 ③对转速变化不敏感,高速性好,最高转速可达 5000rpm。 ④λ p较低,运转平稳;排气污染小,易于调试;使用性能稳 定。 ? 主要缺点: ①流动损失大,散热面积大,散热损失亦较大经济性差,耗 油率高。250~285 g/(kw.h)。 ②冷起动困难。压缩比较高,一般为18~22,需要起动辅助 装置。 ③低转时噪声大。

二、燃烧室比较
①直喷式:热效率高,省油。问题是对转速较敏感, 噪声高,排气污染较大; ②球型:发展趋势不大,主要是性能难于稳定,低速 性能不好。 ③涡流室:高速性能好,升功率较大,噪声较小以及 排气污染较低,适合小缸径。缺点是经济性差,耗 油率较高。起动困难。 ④预燃室:对燃料供给系要求最低,生产、保养较易, 柔和排污小。用于n>2500~3000rpm的小型高速 柴油机上。但其能量损失大,耗油率高,起动性差, 怠速噪声大。 ? 选择燃烧室时主要的依据是缸径、转速及使用要求, 并要考虑当前制造和使用水平。

§5- 4运转因素对燃烧过程的影响
一、燃料性质的影响: 十六烷值和馏程是影响燃烧的重要因素。 ? 十六烷值↑→τi↓→工作柔和。 ? 馏程↓→燃油易于蒸发与空气混合,缩短着火的物理准备 时间。 ? 如果燃油的十六烷值较高,其蒸发性不好,就会造成燃油 来不及蒸发,在高温下裂解成炭烟; ? 反之,如果燃油的十六烷值较低,而着火性能差,也会在 着火延迟或中形成大量可燃混合气,着火后一起燃烧,使 柴油机工作粗暴。 ? 因此,燃油的十六烷值及馏程均要适当,互相配合。一般 高速柴油机十六烷值大致为40~50,馏程为200~350oC 左右 。

二.负荷
柴油机的负荷调节方法是“质调节”,即空气量基本上不随负 荷变化,而只调节循环供油量△b。Pe ↑→△b↑→α↓→ Q1↑→缸 内Τ↑→τi↓→ λ p↓→工作粗暴↓。 ? 下图为负荷对着火延迟期的影响。 ? 在中、小负荷工况下,η i的变化一般不大,但随Pe ↑→ △b ↑→α↓→燃烧过程延长→η i ↓。

? n↑→ ①散热损失+漏气损失↓, 以时间计的τi↓;喷油压 力↑→ 改善燃油的雾化, 但以曲轴转角计φ i↑。 ②η v↓→ △b↑→ɑ↓→ 燃烧占曲轴转角加大 →η i↓ 。 ? n↓→涡流弱→喷油压力 ↓,雾化混合不好,漏 气损失和散热损失 ↑→η i↓。

三、转速的影响

四.供油提前角θ供(或喷油提前角)
? θ供过大,喷油时气缸内温度、压力较低,着火落后期较 长,压力升高率和最大爆发压力增大,导致柴油机工作粗 暴,NOx↑;过早燃烧使压缩负功↑→(Pe+ηi)↓。 ? θ供过小,则燃油的燃烧及时性↓→(Pe+ηi)↓,微粒↑;过 迟燃烧还会使燃烧温度↑,散热损失↑。

最佳供油提前角

? 对于每一种工况,均 有一个最佳的供油提 前角,此时在负荷及 转速不变的前提下, 功率最高,有效燃油消 耗率最低。但为了兼 顾降低NOx的排放量 和燃烧噪声的需要, 一般调节供油提前角 略小于最佳的供油提 前角。

五、废气再循环(EGR)
? 废气再循环,指将一部分已燃的废气再次引入 燃 烧室内参加燃烧。 ? 通过废气再循环降低了燃烧过程中的工质温度, 从而有效的控制了NOx的生成,降低了NOx的排 放量。但由于它实际上降低了过量空气系数,会 对完善、及时的燃烧产生不利的影响,从而也会 使碳烟的排放量增多,柴油机经济性变差,特别 是在高速、高负荷的工况下更是如此。 ? 因此,仅在低速、低负荷的一定范围内,才在进 气中掺入一定量的废气。

小结
? 掌握: 1、柴油机混合器形成特点 2、柴油机燃烧过程划分及特征 3、柴油机燃烧过程存在的问题 4、燃烧室对混合气形成和燃烧的影响 5、使用因素及运转条件对柴油机燃烧的影响 理解: 1、柴油机与汽油机混合气形成及燃烧的区别 2、不同燃烧室之间混合气形成及燃烧的区别


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