柴油机的燃烧过程

一、燃油的喷雾
1.燃油的雾化 燃油在经喷孔 喷出时，在气 缸中被破碎成 微粒的过程。
L:射程 :锥角 喷油横截 面上燃油 分布 喷油横截面 上油粒速度 图6-5 喷注的形状
2．喷注的特征：
①喷注射程L：表示喷注贯穿深度； ②喷注锥角β：表示喷注紧密程度； ③细微度和均匀度：表示雾化程度。 细微度-油注中的平均直径 均匀度-油注中最大直径与最小直径之差
在稀火焰区形成着火核心；稀熄火区是未燃HC的主要来源 后喷现象：雾化和贯穿度小，形成CO、碳粒和未燃HC等
2、燃烧过程
1)喷油始点 2)缸内压力线偏 离纯压缩线始点 3)最高压力点 4)最高温度点 Ⅰ-滞燃期 Ⅱ-速燃 期 Ⅲ-缓燃期 Ⅳ-后燃期 h-针阀升 程 Q-循环放热量 dQ/dφ -放热速率 dq/dφ -喷油速率
喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响τ i的主要因素。
Ⅱ、速燃期（2-3）
（图6-2）
着火后，在滞燃期内形成的混合气此时同时
燃烧，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧，平
均压力升高率 Δ P/Δ Φ =(P3-P2)/(Φ 3-Φ 2) 升高
很快，放热率dθ /dΦ 大。
柴油机Δ P/Δ Φ 一般0.4~0.6MPa/℃A
ω型燃烧室
② 球形燃烧室
混合气形成：油膜蒸发。 一般采用单孔喷嘴， 均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。 主要特点： 面容比小，经济性好。 ΔP/ΔΦ和Pz较小，工作柔和。 对燃油的品质及雾化质量要求低，可以燃用多 种燃料。 冷起动困难。 低速、加速时冒黑烟。 不适于增压，变工况适应性差。
油滴的着火要满足两个条件：
（1）混合气的温度要高于着火临界温度。
（2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在 着火界限之内。
着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之 间。
Tc-热空气 温度；
Tw-油滴周 围混合气 温度； Cu-油滴周 围混合气 浓度；
W-化学反应 速度。 图6-1 单个油滴的着火区域
理想的放热规律应 为：
①曲线要先缓后急。 ②放热开始时刻要适 当提前,持续时间为 图6-3 柴油机与汽油机的放热规律 40°CA。
在燃烧期内，放热过程分三个阶段： 预混合燃烧阶段—对应速燃期，放热率很高，历时 3 ~ 7 ℃A 。 扩散燃烧阶段—对应缓燃期，放热率下降，为主放
热阶段，历时40℃A。 这两个阶段放热达80%。
直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的
一个统一空间。
开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω 形燃烧室
半开式燃烧室—深坑型，如ω 形和球形燃烧室
分开式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。
如：涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室
2．对柴油机燃烧室的要求：
① α 小，但应燃烧完全及时； ② 适度的Δ P/Δ Φ 和Pz值；以保证工作柔和， 平稳，可靠；
放热“尾巴”—对应后燃期，放热20%。
放热规律三要素：燃烧始点、放热曲线形状、持 续时间。 燃烧始点—使最高压力发生在上止点后7~8 ℃A。 曲线形状—开始放热适中,然后燃烧加快，尾巴尽量短。 燃烧持续时间—最佳约为40 ℃A
第二节 柴油机混合气的形成
柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一 是燃烧室的结构 , 二是燃料的喷雾，三是缸内适 当的空气运动。 混合气形成特点: 1、缸内形成 2、时间极短 3、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合 保证燃烧完全、及时靠加快混合气的形成速度
预燃室式燃烧室
各种燃烧室的比较
直喷式燃烧室 形 球形 混合气形成 空间雾化 油膜蒸 方式 混合 发混合 较强进气 强进气 空气方式 涡流和挤 涡流和 流 挤流 喷嘴型式 多孔 单孔或 3-5 双孔 冷启动性 容易 较难 燃烧噪音 高 较高 燃料适应性 燃油经济性 差 好 好 好 分开式燃烧室 涡流室 预燃室式 式 空间雾 空间雾化混 化混合 合 压缩涡 燃烧涡流为 流为主 主 轴针式 难 较低 较好 较差 轴针式 难 低(惰转噪 音高) 好 差
3．影响喷注质量的主要因素：
喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油
的粘度等。
二、空气运动对混合气形成的影响
缸内空气的涡流运动能加速雾化的油滴与 周围空气的混合，促进燃烧过程的进行。
但涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠； 涡流过强也使进气阻力加大，充量系数下降。
三、典型燃烧室结构分析
1．燃烧室分为两大类:直喷式和分开式。
α 大于 1 ，一般取 1.3 。但是至少 30% 的空气未被利用， 使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效 压力降低，这与提高其动力性相矛盾。
2.工作粗暴，燃烧噪音较大。
速燃期内 , 急剧升高的压力直接使燃烧室壁面 及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动 , 并通过气 缸壁传到外部,形成燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的 Δ P/Δ Φ 有很大关系。 为使工作柔和，要求Δ P/Δ Φ ≤400kpa/°CA。 Δ P/Δ Φ 的大小主要与滞燃期中形成的可燃混 合气的数量有关，缩短着火延迟时间 τ i ，减少 滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成 , 可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。
同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重
叠，喷油常在速燃期结束。
Ⅲ、缓燃期（3-4）
（图6-2）
速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较 大，占总放热量的 70 ～ 80% 。一般在上止点后 20 ～ 35°CA ， 出 现 循 环 最 高 温 度 ， 达 1600 ～ 2000℃。 温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近 于等压燃烧。
球型燃烧室
5、分开式燃烧室
1）涡流室式燃烧室
混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针 式喷油器。 主要特点： 喷雾质量要求不高。 ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。 α值可较小，空气利用率高。 变工况适应性好，对转速不敏感。 面容比较大，经济性较差，启动性差。
涡流室式燃烧室
1）预燃室式燃烧室 混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针 式喷油器。 主要特点： 喷雾质量要求不高。 ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。 α值可较小，空气利用率高。 变工况适应性好，对转速不敏感。 面容比较大，经济性差，启动性差。 低速噪声大
混合气形成方法: 由不同喷雾及气流运动组成了各种混合气形成方 式，其基本型式可分为：
空间雾化混合，油膜蒸发混合。
空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油 滴与空气涡流混合。 油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸 发油气与空气涡流混合。 在车用柴油机中，两种方式均有，但多数以空 间雾化混合为主。球形燃烧室柴油机以油膜蒸发 混合方式为主。
① ω型燃烧室
混合气形成：空间雾化混合为主。 一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气 涡流，以加速混合气的形成。 主要特点： 面容比小，Q放↓，经济性好。 低温起动性好 采用多孔喷嘴，高压喷射。 ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。 α大，动力性差。 形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。 多用于3000r/min以下的柴油机。
1．燃油的着火性
是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。 用十六烷值表示。 十六烷值高，着火性好，滞燃期短，ΔP/ΔΦ较小，工作 柔和。十六烷值高，起动性好。 十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。
车用柴油机的十六烷值，一般为40～50。 2．十六烷值对燃烧过程的影响。图6-19 3． 蒸发性
③ 排气品质好；
④ 变工况适应好；应在负荷、转速变化时，
柴油机性能稳定；
⑤ 冷起动性好；
⑥ 制造、维修方便。
3、直喷式燃烧室的空气涡流运动
空气涡流运动是加速混合气形成的
有效手段；也是保证完善燃烧的重 要条件。
直喷式燃烧室产生涡流运动的方法
有种：
1）进气涡流—靠切向进气道和螺旋 进气道形成。 切向进气道：气道母线与气缸相切， 在气门前强烈收缩，使气流越来越 快进入气缸后受缸壁的约束而转向， 形成涡流。
螺旋进气道：气门座上方的气道成螺旋型，相对于气缸中 心一定位置。气流形成绕气门中心的旋转运动，进入气缸 后近于切向气流，沿气缸壁绕气缸中心旋转运动。应用于 高速柴油机上。
2）挤气涡流-在压缩行程后期，
活塞接近上止点时， 活塞顶上方环形空 间中的空气被挤入 活塞顶部的燃烧室 内，造成的空气的 涡流运动。 涡流强度较进气涡 流小，只起辅助作 用。
低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出， 受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.6～1
微米的颗粒构成，而蓝烟是由 0.6 微米以下的颗
粒构成。
暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为
无色。
三、燃烧过程的放热规律
定义：放热率
dQ/dΦ (每度曲轴转 角的放热量)随曲轴 转角的变化关系。
它决定压力升高率(噪音) 的变化和热效率。
逆挤流
4、直喷式燃烧室
1）开式燃烧室－浅坑型
混合气形成方式以空间混合为主。形成质量依靠 燃油喷雾的细微度及油束在燃烧室内的均匀分 布实现。
特点：结构简单，F/V小，Q放↓ ，起动性好，经 济性好，热负荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗 暴，对燃料要求高。
如：浅ω型燃烧室
浅ω型燃烧室
2）半开式燃烧室－深坑型
Ⅰ、滞燃期（1-2）
在压缩终点,Tc=450-800℃,大于柴油的自燃温 度（330-350℃）,但不会立即着火,进行着火前 的准备。 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。 化学准备：裂化，着火前的氧化反应。 一般着火延迟时间τ i≈0.0007-0.003s 从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始 点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。(图6-2)
第六章 柴油机的燃烧过程
柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：
1、混合气形成的方法： 汽油机：缸外（化油器及进气管中），较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。 2、着火和燃烧的方式： 汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、 地点均能控制。 柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控 制。 3、保证及时、完全燃烧的方法： 汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。
Ⅳ、后燃期（4--）
从温度最高到燃料燃烧结束。 远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排 气温度升高，零件热负荷增加，导致柴油机动力 性、经济性下降，故应尽量减少后燃。
二、燃烧过程中存在的问题
1.混合气形成困难，燃烧不完全。
混合极不均匀—混合气形成时间短，边喷油、边混合、
边燃烧。
改进措施： ①促进混合气的形成。 结构上，促进缸内的涡流运动。 ②供给较多的空气。
第三节 燃油的喷射
一、喷射过程
1．燃油的喷射：
燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压 力升高，经喷油器喷出的过程。 2．分三个阶段： 喷油延迟阶段，主喷射阶段，滴漏阶段。
图6-17
燃油的喷射过程
二、不正常喷射
①二次喷射
针阀落座后，过大的 反射波使针阀再次升 起而喷油的现象。
危害：
⑴喷油时间↑，喷油 量↑发动机过热， 排气温度↑，燃油消 耗率↑
蒸发性过好，工作粗暴。 蒸发性差，燃烧不完全。 蒸发性适中
第六章
柴油机的燃烧过程
要求：
1、熟悉柴油机的燃烧过程及存在的问题；
2、懂得放热规律的意义及基本要求；
3、懂得柴油机混合气的形成特点及影响因素；
4、掌握各种运转因素对燃烧过程的影响。
一、燃烧过程
1、燃烧方式--油滴扩散燃烧
柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时 , 借助 喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室 , 以 便与空气形成可燃混合气。
⑵ 喷射压力低，雾化不良，燃烧过程中喷入气缸，排气
冒黑烟，积碳。
②断续喷射、隔次喷射
隔次喷射发生在怠 速运行时，造成柴油机 怠速运转不稳。 断续喷射常发生在低 速小负荷工况。
三、避免不正常喷 射的措施Biblioteka Baidu
减少高压容积， 缩短高压油管长度， 合理选择喷射系统参 数。
第四节 影响燃烧过程的因素
一、燃油的影响
3.排气冒黑烟
主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。 减少黑烟的主要措施: (1) 增加过量空气系数 α 。但与提高柴油机的动 力性相矛盾。 （2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔 和性相矛盾。
4.排气冒蓝烟、白烟
在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度