发动机原理课件-第六章 柴油机混合气形成与燃烧

Ⅳ、后燃期（补燃期）（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—热量不能充分利用 *过长，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。 *应尽量减少后燃
☆☆加快缸内气体运动，可缩短后燃期，减少碳烟。
三、燃烧过程中存在的问题
1.混合气形成困难，且极不均匀
*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。
Фa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。
*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 措施： （1）缩短着火延迟时间τ
i
（2）减少滞燃期内的喷油量 但与提高动力性相矛盾
☆☆燃烧噪音：速燃期内,急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、
* 速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，占总放热量的 70～ 80%。
*放热率比速燃期小
* 一般在上止点后 20 ～ 35°CA ，出现最高温度，达 1600 ～ 2000℃。
*温度虽升高，由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟， 要求加强空气运动，φα >1。
☆☆缓燃期应越快越好—关键是加快混合气的形成。
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
（高速小缸径柴油机多采用分开式燃烧室）
※ 一般，气缸直径越大，燃烧室越浅。
2．对柴油机燃烧室的要求
① Фa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。） ③ 排气品质好；
Ⅰ、滞燃期（着火延迟期）（1-2）
从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点 （或着火）阶段。 (图6-2) *压缩终点,Tc=450-800℃,柴油的自燃温度（330350℃）,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≈0.7-3ms，φ i≈8-12℃A
*在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低， 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
*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。
四、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。
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，涡流室占燃烧容积的50%-60% ＊喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油压力可降低) ＊ ΔP/ΔΦ较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃期短，主燃室燃烧活
塞已下行）
＊空气利用率高， Фa值可较小（1.2~.13） ＊高速性能好。（涡流随转速升高而加强） ＊排污低（最高燃烧温度低）
☆☆扩散混合(着火后的混合)：边燃烧、边喷油的混合。包括：均 相（气相）混合，气、液双相混合；未燃区的低温混合，已燃区的 高温混合；燃油与空气的混合，燃油、空气、燃烧产物等多种物质 的瞬态混杂。
缓燃期特点：
*新鲜空气愈来愈少，温度愈来愈高，燃烧产物愈来愈多， 燃烧速度缓慢，同时活塞已下行，压力近似不变，近于等 压燃烧。
＊一般适用于大缸径（≥140mm），低速（≤2000r/min）柴油机。
※如浅ω型燃烧室。大缸径柴油机多采用开式燃烧室。
浅ω型燃烧室
2）半开式燃烧室－深坑型
混合气形成方式有空间混合和油膜蒸发混合。形成质量依靠 多油注高压喷射。一般有较强的进气涡流。
① ω型燃烧室（典型）
＊混合气形成：空间雾化混合为主。 ＊ 一般采用多孔喷嘴（4-6孔），较高喷射压力，并组织一定的 进气涡流和挤气涡流。 ＊面容比小，Q放↓，经济性好。 ＊低温起动性好。 ＊ ΔP/ΔΦ和Pz大，工作粗暴。 ＊ Фa大（1.3-1.5）。 ＊形成碳烟多，氮氧化物多、排放差。 ＊适用于4500r/min以下，80-140mm的柴油机。
☆☆影响压力升高率的因素：滞燃期喷油量、滞燃期长短、燃料蒸 发混合速度、空气运动、燃烧室形状、燃料性质等—预混合气量
Ⅲ、缓燃期（3-4）
（图6-2）
从缸内压力最高到温度最高阶段
* 着火后，混合是在边燃烧、边喷油的情况下进行的扩散 混合， *扩散混合阶段的燃烧称为扩散燃烧。
*扩散燃烧的特点：既存在预混合燃烧的形式，又存在单 油滴的扩散燃烧形式，是一种气、液双相混合的燃烧过程。
※它决定压力升高率(噪 音)的变化和热效率。
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 40°CA。
柴油机与汽油机的放热规律
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
直径：5~150um
(中间较大)
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
单个油滴的着火区域
油滴扩散燃烧现象：（着火后） *在浓度适宜，温度足够高处形
成球状燃烧区，即火焰峰面
*燃油蒸汽不断由内向峰面扩散
*氧气由外向峰面扩散
*燃油和氧气在峰面处混合燃
烧，浓度都降为0，而温度此 处最高
三、典型燃烧室结构分析
1．燃烧室分类——直喷式和分开式两大类
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。
（缸径大于100mm，转速小于3000r/min的柴油机基本用直喷式的） 根据凹坑深度分： 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
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
混合气形成方法: 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。
热阶段，历时40℃A。
这两个阶段放热达80%。
＊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（放热持续期）。 燃烧始点—使最高压力发生在上止点后7~8 ℃A。 放热曲线形状—开始放热适中,然后燃烧加快，尾巴尽量短。 持续时间—最佳约为40 ℃A
第二节 柴油机混合气的形成
*喷油时缸内温度、压力及燃料性质是影响τ i的主要因素 *τ i的长短会影响预混合气量,对柴油机性能有很大影响
Ⅱ、速燃期（2-3）
（图6-2）
从着火(压力脱离压缩线)到缸内压力最高阶段
*滞燃期内形成的非均质混合气同时燃烧，称预混合燃烧
*活塞在上止点附近，气缸பைடு நூலகம்积变化小，接近于等容燃烧
*Δ P/Δ Φ =(P3-P2)/(Φ 3-Φ 2) 升高快，放热率dQ/dΦ 大 *柴油机Δ P/Δ Φ 一般0.4 ～ 0.6MPa/℃A *出现最高压力点，理想位置：上止点后10°～15℃A *放热量为20% ～ 30% *同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠。
*燃烧产物向峰面两侧扩散 *扩散燃烧速度取决于燃油和空气向峰面的扩散速度。 *在火焰峰面内形成高温缺氧区，易产生碳烟。
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
二、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-补燃期 h-针阀升 程 Q-循环放热量 dQ/dφ -放热速率 dq/dφ -喷油速率
第六章
本章要求：
柴油机混合气形成与燃烧
掌握：柴油机燃烧过程；柴油机混合气的形成； 柴油机的喷射与雾化。 理解：影响燃烧的因素和措施。
了解：柴油机燃烧室的分类、特点和对燃烧的影 响；柴油机有害排放物的生成机理。
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，较均匀一致。 柴油机：缸内, 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
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
产生涡流运动的方法：
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。
曲轴等机件产生强烈的振动,并通过气缸壁传到外部。
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Фa 但与提高柴油机的动力性相矛盾 （2）改善混合气的形成 但与改善柴油机工作的柔和性相矛盾
4.排气冒蓝烟、白烟
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
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。