发动机原理——第三章 柴油机混合气形成和燃烧

第三章柴油机混合气形成和燃烧

§3-1 柴油机混合气形成

一两种基本形式

（一）空间雾化

将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。

特点:

1 对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴）→燃烧易于完全，经济性好。

2 对空气运动要求不高→后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解

→排气冒烟。

3 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速→∆

∆

p

ϕ

↑，p max↑→工作粗

暴。

（二）油膜蒸发（M过程）

空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则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:

1 对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高。

2 放热先缓后急→∆

∆

p

ϕ

↓，p max↓→工作柔和，噪声小，经济性

较好。

3 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。

二 燃料的喷雾

（一） 喷雾的作用

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。

1 ml 油滴: 1 个， d = 9.7 mm ，S = 245 mm

2 雾化: 299107.⨯个，d = 40 μm ，S = 15106.⨯ mm 2

面积增大 5090 倍，燃烧反应机会大大增加。 （二） 喷雾的形成

1 油束

燃油喷射 － 高压、高速。

一级雾化－汽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。

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。

（三） 喷雾特性

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β

反映油束的紧密程度。

孔式喷嘴—β↑→油束松散，粒细。

轴针式喷嘴—β↓→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。

（四）喷油规律

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θ—开始喷油→上止点的曲轴转角。

θ’ —上止点→停止喷油的曲轴转角。

喷油延迟角∣θ∣+∣θ’∣—开始喷油→停止喷油的曲轴转角。

2 喷油延迟角对性能的影响

∣θ∣+∣θ’∣↑↑→喷油持续时间长, 工作柔和，但油耗增大, 排放变差。

∣θ∣+∣θ’∣↓↓→喷油持续时间短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。

3 喷油延迟角的比较

a. ∣θ∣+∣θ’∣↓↓→油耗↓, 排放好，但工作粗暴。

b. 先急后缓

θ↓→工作粗暴。

θ’↑→油耗↑ , 排放差。

c. 先缓后急

θ↑→工作柔和。

θ’↓→油耗↓ , 排放好, 尽量采用，但很难做到。

（五）喷油嘴

1 孔式喷嘴

主要用于直喷式燃烧室中。

孔数: 1～5个，φ = 0.25～0.8 mm。

雾化好，但易阻塞。孔数越少，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。

φ = 1～3 mm，通道间隙δ = 0.025～0.05 mm。

雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。

三气流运动对混合气形成的影响

（一）气流运动的作用

（二）气流运动

组织气流运动，加速混合气形成。

1 进气涡流

使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。

（1）切向气道

特点: 气道母线与汽缸相切。

优点: 结构简单，气流阻力小→ηv↑

缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。

（2）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

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: 燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，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，汽缸盖内的

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。

（三）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。