第4章 柴油机的雾化与燃烧

4.1.2影响雾化与油束特性的因素 喷雾是由油滴群组成的。理论上讲，一个油滴在 前进时受到与速度的1.2～2次方成正比的空气阻力 作用。研究表明，对于大、中型柴油机来讲，油束 射程L、油束锥角β、喷射压力与介质反压力 以及 喷嘴结构参数关系式：
L ≈ 2 c ∆Ρ γ
a

1
4
D t β t 2
第4章 柴油机的雾化与燃烧 4.1燃油雾化与混合气形成
4.1.1 燃料雾化及油束特性 柴油机燃烧主要在气态下进行，因此液体 燃料通过高压油泵的柱塞Leabharlann Baidu动，将燃料压缩 到一定高的压力并输送到喷油嘴，在喷孔前 后形成较大的压力差，经喷孔而高速喷射雾 化。由于要求必须在很短的时间内形成可燃 混合气，所以雾化应具备以下的必要条件：
图4.8 空间雾化混合方式
图4.9 油膜蒸发混合方式
2）油膜蒸发混合 油膜蒸发混合是将大部分燃油喷涂到燃烧室壁 面上，形成一层油膜，油膜受热蒸发汽化，在燃烧室 中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成均匀的可 燃混合气，如图4.9所示。 车用柴油机中，燃油或多或少地会喷到燃烧室壁 上，两种混合方式兼而有之，只是多少、主次不同， 目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主，而有些 车用球型燃烧室柴油机则以油膜蒸发混合为主。
图4.15 挤气涡流
3）湍流 在气缸中形成的无规则的气流运动称为湍流，是 一种不定常气流运动。湍流可分为两大类，即气流 流过固体表面时产生的壁面湍流和同一流体不同流 速层之间产生的自由湍流，柴油机中的湍流主要是 自由湍流。其形成的方式很多，既可在进气过程中 产生，也可在压缩过程中利用燃烧室形状产生，还 可因燃烧而产生。 2．着火现象 燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴。单个 油滴的着火情况，如图4.16所示
图4.11 带导气屏进气门
图4.12 切向气道
图4.13 螺旋气道
图4.14 气道稳流实验台 1-试验气道 2-模拟气缸 3-叶片风速仪 4-计数器 5-压差计 6-孔板流量计 7-稳压箱 8-鼓风机 9-流量调节阀
（2）气道的评定方法 为了增加进气充量，气道的流动阻力越小越 好。气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度， 希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。一般 的稳流气道试验台如图4.14所示。 在评价方法上我国普遍采用Ricardo方法，其流 量系数CF定义为流过气门座的实际空气流量与理论 空气流量之比，即：
雾化：油滴尺寸越小，可以大大增加燃料的蒸 发表面积，增加燃料与空气的接触机会，使气 化和燃烧进行得越快。所以油滴必须粉碎得细 小均匀。 贯穿力：如油滴静止不动，就会被燃气包围不 能与空气接触而无法燃烧，所以直到燃烧终了 为止，油滴必须具有在空气中突进的能力，使 能达到一定的喷射距离。 分布：为了增加平均有效压力，气缸内的空气 应全部用于燃烧。在燃烧室中，油滴没有达到 的地方空气就不能全部利用，而油滴密集处又 由于空气不足而出现不完全燃烧。
将燃料分散成细粒的过程称为燃料的雾化 或喷雾，其目的是大大增加燃料蒸发的表面 积，增加燃料与氧接触的机会，以达到迅速 混合的目标。 实际的雾化过程是流动的并且复杂的，所 以从理论上要对它进行解析是极其困难的。 对于实际的雾化大多数资料是以实验研究所 得的结果为依据的。下面介绍柴油雾化的基 本原理。
1）进气涡流的组织方法 ①采用带导气屏的进气门 图4.11所示，进气门带导气屏的进气道。强制空气从导 气屏的前面流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。 ②切向进气道 图4.12所示，为柴油机切向进气道。其形状比较平直， 在气门座前强烈收缩，引导气流以切线方向进入气缸，从而 造成气门口速度分布的不均匀。 ③螺旋进气道 图4.13所示，为柴油机螺旋进气道。在气门座上方的气 门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的 旋转，其气门口处气流的情况相当于在均匀速度分布的基础 上，增加一个切向速度
1．柴油机缸内空气运动形成 柴油机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过 程有决定性影响，因而也影响着柴油机的动力性、 经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。组织良好的 缸内空气运动对促进燃烧过程中空气与未燃燃料的 混合（热混合作用），提高燃烧速率，有着重要意 义。 1）进气涡流 在进气过程中形成的绕气缸轴线有组织的气流运 动，称为进气涡流。
燃料雾化及特性 燃料以很高的压力（10～20MP）和很高的 速度(100～300m/s)从喷油器的喷孔流出，在 高速流动时所产生的内部扰动及汽缸中空气阻 力的作用下，被粉碎成细小的油粒，表示燃料 被喷散雾化。这样可以大大增加其表面积，加 速混合气形成。 一般雾化质量是用喷散细度和喷散均匀度来 评价的。喷散细度可以用油束中油粒的平均直 径来表示，平均直径越小，则喷雾越细。
Q CF = Av 0
式中：Q—试验测得的实际空气流量，m3/s； A—气门座内截面面积，m2； A = πd n
2 v
4
其中，dV是气门座内径；n是进气门数目。 v 理论进气速度，m/s。
0
2）挤流 在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸 盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤 压流动，又称挤气涡流或挤流。挤流强度主要由挤 气面积和挤气间隙的大小决定。当活塞下行时，燃 烧室中的气体向外流到环形空间，产生膨胀流动， 称为逆挤流见图4.15。
油束的形成及特性 1）油束的形成 燃料高压油管以较高的喷射压力和较快的 喷射速度从喷油器的喷孔喷射入燃烧室，形 成一个由大小不同的油粒所组成的圆锥体叫 做油束，如图4.3所示。
图4.3 油束的形状
2）油束特性 一般油束本身的特性可用喷雾锥角、射程及雾化质 量来描述。 (1)油束射程L 油束射程又称贯穿距离，亦称贯穿力。 (2)油束锥角β 从喷油器喷孔画出的一对相切于油束外廓面的切 线之间的夹角称为油束锥角β。 (3)雾化质量 前面以述，雾化质量表示燃油喷散雾化的程度， 一般是指油束中油滴的细度和均匀度。油束中油滴 越细、越均匀、雾化质量越好。
着火需要具备以下两个条件： ①在形成的可燃混合气中，燃 料蒸气与空气的比例要在着火 界限内。 ②可燃混合气必须加热到某一 临界温度，低于这一温度，燃 料就不能着火，我们把燃料不 用外部点燃而能自己着火的最 低温度称为着火温度或自燃温 度。
图4.16 单个油滴的着火过程
3．燃烧过程的四个阶段 柴油机燃烧过程中的燃烧速度 (即燃烧放 热速度)极不均匀，呈现出明显的阶段性。正 确地认识燃烧进程的全貌是有益的，按照燃 烧速度的区别，柴油机的燃烧过程可划分为 滞燃期1、速燃期2、缓燃期3和后燃期4等四 个阶段，如图4.10所示。 1）第1阶段——滞燃期 滞燃期(也称着火延迟期，如图4.10中的A ～B段)是从喷油开始(A点)到压力线与纯压缩 线的分离点(B点)止， B点视为燃料开始着火 点。
喷油凸轮外形及转速 当凸轮形状较陡或凸轮转速较高时，均使喷油泵的柱塞 供油速度加快，由于喷油嘴喷孔节流作用会使油管中的燃油 压力增加，从而使喷油速度增大，油束射程和喷雾锥角均有 所增加，因此雾化变好。 4.1.3 柴油机可燃混合气的形成方式 柴油机所用的燃料是柴油，由于柴油的粘度较大、不容 易挥发，所以柴油机必须借助喷油设备(喷油泵和喷油器等) 将柴油在接近压缩行程终了的时刻，通过高压以细小的油滴 形式(油滴直径在1～50µm之间)喷入气缸，柴油机是采用缸 内混合的方式形成可燃混合气。这些细小油粒在气缸中与高 温高压的热空气混合，经过一系列物理化学准备，然后着火 燃烧。
喷油压力 燃油的喷射压力越大，则燃油流出的初速度就越大。在 喷孔中燃油扰动程度及流出喷孔后所受到的介质阻力也越大 ，从而使雾化的细度和均匀度提高，即雾化质量好，如图 4.6所示；喷油压力增加时，也使油束射程增加，如图4.7所 示，喷油压力过高，则高压油管容易涨裂，喷油器容易磨损 ，对喷油管制造要求也愈高。
按雾化时序方式分 1）热混合 气流运动除使油、气混合均匀外，还可 加快火焰传播，促使燃烧过程迅速进行。此 外，绕气缸轴线运动还可使混合气中的油滴 、油气、空气及燃气在离心力作用下有所分 离。它们的比重是依次递减的，因而燃气总 是聚向中心而驱使空气和油气在外壁处混合 ，从而促进了混合气的形成和燃烧，此现象 又称为热混合。
n g
1
2
式中：c——收缩系数； wf— 喷出速度（m/s）； t — 时间（s）；
从上式中可以看出，油束特性主要受以下因素影响： 喷油嘴结构 喷油嘴的结构不同，引起油束形成的内部扰动也不 同，从而就产生不同形式的油束，喷油嘴的主要结构 形式，如图4.4所示。
多孔喷油嘴
轴针式喷油嘴
图4.4 柴油机喷油嘴结构
∆p pC − p B = ∆ϕ ϕ C − ϕ B
如果压力升高率太大，则柴油机工作粗暴，运动零 件受到很大的冲击负荷，发动机寿命就要缩短。
3) 第3阶段——缓燃期 缓燃期(图4.10中的C～D段)是从压力急剧升高 的终点（C点）到压力开始下降的D点为止。这一阶 段的燃烧是在气缸容积不断增加的情况下进行的， 所以燃烧必须很快才能使气缸压力稍有上升或几乎 保持不变。有些发动机在缓燃期内燃料仍在继续喷 射，如果所喷入的燃料是处在高温废气区域，则燃 料得不到氧气，燃料容易裂解而形成碳烟；如果燃 料喷到有氧气的地方，则此时由于气缸中温度很高 ，化学反应很快，滞燃期很短，喷入燃料很快着火 燃烧，但如果氧气渗透不充分，过浓的混合气也容 易裂解形成碳烟。
2）第2阶段——速燃期 速燃期(也称急燃期，如图4.10中的B～C段)是 从气缸压力偏离纯压缩线（B点）开始急剧上升， 到最高压力点（C点）止。 在这一阶段中，由于在滞燃期内已混合好的可燃 混合气几乎一起燃烧，而且是在活塞接近上止点、 气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高 特别快。一般用平均压力升高率∆p / ∆ϕ 来表示压力升高 的急剧程度。
2）燃烧预混合 一般的喷雾是油滴群同气化燃料预混合 气的混合体。需要研究的是，在喷射出来的 燃料当中，气体预混合气以多大的程度来进 行燃烧。佐藤等使用空气雾化式喷射器在细 长的燃烧器中造成喷雾燃烧火焰而测得的轴 向气体温度分布。如果预混合气化燃料已经 着火，则一定会迅速燃烧。所以认为在刚刚 着火之后的温度上升，主要是由于预混合气 化燃料的燃烧所造成的。
图4.6喷油压力对雾化质量的影响
图4.7 喷油压力、介质压力及油束射程随时间的变化关系
燃烧室压力 柴油机燃烧室内介质压力相对喷油压力是介质 反压力，介质反压力增加，使介质密度增大，引起 作用在油束上的空气阻力增加，因此燃料雾化有所 改善，喷雾锥角增加，使油束射程缩短，见图4.7所 示。 气缸温度 燃料向气缸内喷射时，由于温度高，油粒在前 进中将发生蒸发或燃烧，所以与向常温的压缩空气 中喷射的情况不同。在高温空气中，由于空气的粘 度增加和燃料的表面张力减小，雾化变好，但油粒 由于蒸发而变小，速度很快降低，使贯穿距离小。
在柴油机研发和发展过程中，人们认识到柴油机要获得 燃油与空气迅速、良好的混合，必须使燃烧室结构、燃油的 喷雾、缸内空气的运动三方面良好的匹配。应避免燃油直接 进入高温缺氧区域而引起裂解。目前，柴油机可燃混合气的 形成方式有两种分类：①按柴油雾化方式分：空间雾化混合 和油膜蒸发混合；②按雾化时序方式分：燃料预混合和燃烧 热混合。 按柴油雾化方式 1）空间雾化混合 空间雾化混合是在喷油压力较高的条件下，将燃料喷向燃烧 室空间。利用油束与空气的相对运动及空气在压缩过程中产 生的热能，实现破碎雾化、吸热蒸发并与空气混合形成可燃 混合气。一般，采用空间雾化混合形式的直喷式燃烧室，喷 油器为喷孔数较多、孔径相对来说较细，安装位置处于燃烧 室的中间。
4.2 柴油机的燃烧过程
气缸中的压力和温 度是反映燃烧进行情况的 重要参数，典型的示功图 如图4.10所示，曲线 ABCDE表示气缸中进行 正常燃烧的压力曲线， ABF表示气缸内不进行燃 烧时压缩膨胀曲线。所以 示功图真实反映了燃烧过 程的进展情况。
图4.10 柴油机典型的燃烧过程示功图
4.2.1燃烧过程进行情况