柴油机混合气的形成和燃烧

2019/1/24
较理想的柴油机燃烧放热规律
有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后 急。 开始放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压 力升高率。 燃烧应加速进行，绝大部分燃油在尽可能靠近 上止点处完成燃烧。 燃烧持续时间不宜过长。

2.理想燃烧放热规律及其控制
（1）放热始点的位置 要能保证最大燃烧压 力出现在上止点后 12°-15°范围。 可通过喷油提前角的 变化以及着火落后期 长短加以控制。
③缸盖及缸体结构复杂
2.预燃式燃烧室
（1）结构特点 ①δk= Vk/Vc = 0.3-0.4， ②通道总截面积f/活塞面积Fp=0.25-0.7% （2）混合气形成特点 活塞压缩，气体冲入副燃烧室，形成无规律紊流，燃油喷 入预燃室，大部分集中于下部，有少部分小油粒被带向预燃 室的上部空间，并在预燃室的上部空间着火，着火后，预燃 室内压力、温度迅速上升，已燃与未燃混合气冲入主燃烧室， 形成二次涡流（燃烧涡流）。
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，发动机寿命缩短， 降低Δp/Δφ 的方法: 缩短着火延迟期的时间 ------减少着火后一起燃烧的混合气量。
控制着火延迟期中的喷油量 抑制着火延迟期中可燃混合气的形成
3.缓然期 从缸内压力最高点C点开始到缸内温度达到最高点D点为止。 速燃期后，喷油往往结束了。但是，由于速燃期时间较短， 喷油较多，大部分燃油来不及形成可燃混合气而留在速燃 期后继续混合和燃烧，使放热不断增加，温度不断升高， 直到最高Tmax。 这个阶段近似混合加热循环中的等压加热; 这个时期结束时，放热量一般达循环放热量的70%－80%。
b.挤流（挤压涡流）
二、柴油机燃烧室
燃烧室的分类
柴油机燃烧室
直喷式燃烧室
开式燃烧室 半开式燃烧室 球形油膜燃烧室
分隔式燃烧室
涡流室燃烧室 预燃室燃烧室
（一）直喷式燃烧室
1.开式燃烧室
dk 0.7 D
优缺点：浅盆形燃烧室主要 依靠燃油的喷射，对雾化质 量，也是对喷射系统要求较 高。喷油器喷孔数目多，孔 径小，喷射压力大。
2.半开式燃烧 室 （1）结构特点 Vk/Vc（相对容积比）＝0.75－0.85， dk/D ＝0.4－0.6 有组织空气运动的结构（进气涡流为主，挤压涡流为辅）
（2）混合气形成的特点
①利用喷雾与空气流的运动，空间形成混合气为主.
②喷孔较且少，孔径稍大，3－4孔
③α 比较小，α ＝1.3－1.5，空气利用率比较好. 所以：上面所说之②、③点是相对于开式燃烧室而言的.
3．喷油规律
供油速率：单位时间或凸轮转角由喷油泵供入高压油路中的燃 油量。 喷油速率：单位时间或凸轮转角由喷油器喷入燃烧室内燃油量
供油/喷油规律：单位时间（转角）供油速率/喷油速率随时间 （转角）而变化的关系； 喷油规律与供油规律的区别：------喷油时刻落后于供油时刻， 喷油持续时间比供油时刻长。 因为a.要克服两个弹簧弹力; b.燃油、高压油管有弹性;
二.分隔式燃烧室
结构特点： 两个燃烧室：主燃烧室和副燃烧室
混合气浓度不同，副燃烧室较浓，主燃烧室较稀
根据混合气在副燃烧室形成不同，分涡流式燃烧 室、预燃式燃烧室
1.涡流式燃烧室
（1）结构特点 ①燃烧室容积比 δ k= Vk/Vc = 0.5， ②燃烧室分成两部分，涡流室下部有“镶块”.
（涡流室）保温，可加工－－减少流动损失.
（2）放热持续时间首先取决则扩散燃烧期越长， 其次，取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。
不同类型柴油机的燃 烧放热规律： 实际发动机的放热率 形状取决于不同的机 型、不同的燃烧室和 混合气形成方式以及 对性能的具体要求。
9.2 柴油机混合气的形成
9.2.1 燃油喷射和雾化
9.2.2 混合气形成及燃烧室
a.从上止点到柱 塞斜槽封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞斜槽封 闭径向孔到柱 塞头部露出径 向油孔之前。
c.从柱塞头部露 出径向油孔到 运行下止点。
a
b
c
整个喷油过程可分为三个阶段:
第一阶段：喷油延迟阶段。 从喷油泵栓塞将进油孔关闭 时起到喷油器针阀开始喷油止。 第二阶段：主喷油阶段。 从喷油器针阀打开到喷油泵 回油孔开始打开（停止供油） 为止。 第三阶段：喷油滴漏阶段。 从泵的回油孔打开到针阀关 闭为止。
⑴液滴的细度
雾化质量
⑵液滴的均匀度
9.2.2
混合气形成及燃烧室
一、混合气形成特点和方式
1、柴油机混合气形成的特点
A、气缸内形成混合气
（ 不同于汽油机）
B、形成条件差 ①时间短 15°-35°CA (千分之几秒) ②柴油的粘度大，不易蒸发.
2、混合气形成的方式
A、空间雾化混合气
将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的 相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式。
在速燃期中，急剧升高的压力冲击燃烧宝壁、活塞、曲轴等机 件，从而诱发缸盖、缸套、机体、齿轮宝、油底壳等机件的变形、 振动、并辐射出强烈的噪音，称之为燃烧噪声。 燃烧噪音是柴油机噪音的主要来源。
3、排气污染 ① 排气颗粒 ②排出有害气体
CO、HC、NOX
9.1.3、燃烧放热规律
1. 燃烧放热规律定义
(1)三要素 燃烧放热始点、放热规律曲线形状和放热持续时间被 认为是燃烧放热规律的三要素。 燃烧始点（B点），决定放热曲线距上止点位置，影 响最高压力、压力上稿率与循环热效率。 燃烧持续时间（A-E） 影响循环热效率、和有害气体排放。 燃烧放热规律曲线形状 决定前后放热量的比例，对发动机噪音、振动、排放 影响大。
9.1.2、 燃烧过程存在的主要问题
1、混合气形成困难及燃烧不完全 因为柴油不容易蒸发，故将燃油喷射成雾状，分散成数百万个 小油滴，这些细小油滴在气缸内迅速蒸发与空气混合，但因为 混合时间极短，缸内情况异常复杂，故使缸内空气和燃油混合 极不均匀，有的地方可能是惰性气体，有的地方是过稀混合气， 有的地方甚至还有燃料液态核心，等等。所以为了保证燃油燃 烧完全。柴油机均在过量空气系数α＞1的条件下工作。 2、燃烧噪音
3.球形燃烧室 （1）结构特点 （2）混合气形成特点 ①油膜蒸发形成混合气
②配有螺旋进气道，形成很强的 进气涡流，
③双孔或单孔喷嘴 ④燃烧室壁温度控制在 200℃~300℃
（3）性能特点
①工作柔和，噪音小
②经济性好
③α比较小,α=1.1 ④冷起动困难 ⑤低速性能不好，使用稳定性差 ⑥对气道要求高
但是为了使柴油机工作柔和平稳，减少燃烧噪音，就应 使着火延迟期（滞燃期）适当缩短，这样才能使速燃期内 燃烧稍有缓和，防止压力升高率过高。 另外为了提高经济性，减少排气污染，应尽量减少补燃 期的燃烧量。要实现这一目的，必须使缓燃期尽快燃烧， 让大部分燃油在缓燃期烧掉，补燃期就不会拖延太长。
由此可见，对柴油机燃烧过程四个阶段的要求应该总结 为：着火延迟期要短，速燃期要缓，缓燃期要急，补燃期 要少。
源自文库 9.2.1
1.供油系统
燃油喷射和雾化
一.供油系统和喷射过程
供油系统的组成包括 喷油 泵、喷油器和高压油管 燃油供给系的功用是按柴油 机各种工况的需要将定量的 燃油，在适当的时期，以合 理的空间形态喷入燃烧室， 即对燃油的数量，喷油的时 间和油束的空间形态三方面 实行有效的控制。 定时、定量、定压
2.喷射过程
B、油膜蒸发形成混合气（主要用于球形燃烧室）
燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃 烧室壁面上形成一层很薄的油膜。
在高速的柴油机上，实际的混合过程是空间及油膜混 合兼而有之。 油膜蒸发混合方式存在一些难以解决的问题，应用不多。
如何改善混合气形成？？
3、缸内气体流动 依靠：A、喷雾：喷注特性，喷注与燃烧室相配合。 B、组织空气运动－－与燃烧室形状相配合 a.进气涡流 螺旋气道形成 切向气道形成
c.压力波的传递
理想的喷油规律应先缓后急
4．不正常喷射
1、二次喷射 2、断续喷射 3、隔次喷射
4、漏油现象
5．燃油的喷雾特性
1)喷雾（雾化）：燃油喷散成细粒的过程。 2)油束的基本参数 包括几何形状和雾化质量两个方面： 几何形状 ⑴油束射程L（贯穿距离）
详见书P227
⑵喷雾锥角β 或油束的最大宽度B
ρ、/ρ > 1，做螺旋向外运动，
ρ、/ρ < 1，做螺旋向内运动， ④“二次涡流”
（3）性能特点
优点:①由于强烈的空气涡流运动（压缩涡流与二次涡流）. 混合气形成质量好，能在α较小的情况下完全燃烧。 一般α=1.2~1.3 ②对喷雾质量要求不高，燃油系统故障少.
③高速性好，性能稳定.
④进气道无特殊要求. ⑤运转平稳，排气污染小. 缺点： ①散热损失，流动损失大，经济性差。 ②冷起动性差

瞬时放热速率: 在燃烧过程中的某一时刻，单位时间 内（或1°曲轴转角内）燃烧的燃油所放出的热量。 累积放热百分比: 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。 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关 系，称为燃烧放热规律。
2019/1/24
2.柴油机合理的燃烧放热规律
（3）燃烧室与气流及油束之间的配合 喉口直径dk大，空气涡流少些，油束射程长； 喉口直径dk小，涡流强，油束射程短，则喷到壁面上的燃 油减少，甚至达不到壁面，这时空间分布的燃料增多。 组织了进气涡流和挤压涡流 （4）性能特点 优点: 缺点： ①经济性好 be ↓
②起动性好.
①工作粗暴 ②气道，供油系统要求高 ③排放性差（NOx↑） ④对工况变化敏感
柱塞式喷油泵的工作过程：喷油泵凸 轮→柱塞 ( 上下运动)→进、回油孔→ 出油阀→高压油管→喷油器→针阀→ 喷孔→燃烧室。
柱塞上行
a.从下止点到柱 塞头部封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞头部封 闭径向油孔到柱 塞斜槽露出径 向孔之前。 c.从柱塞斜槽露出 径向油孔到柱塞 上行至上止点。
a
b
c
柱塞下行
③通道的截面形状有椭圆形，弯月形. 通道位置，角度，截面大小这三要素，可控制涡流强度 ④活塞项上开有导流槽和凹坑 ⑤有起动电预热室
（2）混合气形成特点 ①涡流室内有强烈的有组织的涡流 n↑，涡流强度↑
②燃油顺涡流的方向喷入
以空间形成混合气为主，油膜蒸发形成混合气为 ③热混合作用 A本身密度ρ、，周围的物质密度 ρ ρ、= ρ，做圆周运动，
第9章 柴油机混合气的形成和燃烧
9.1 柴油机的燃烧过程
9.2
9.3
柴油机混合气的形成
燃烧过程的优化
9.1 柴油机的燃烧过程
9.1.1、燃烧过程
1.着火延迟期（A-B） 2.速燃期（B-C） 3.缓然期（C-D） 4.补燃期（D-E）
A-喷油开始点 B-开始燃烧点 C-压力最高点 D-温度最高点
1.着火延迟期 从喷油始点A点开始到压力脱离压缩线开始急剧上升的B点为止。 在上止点前（ A 点），喷油器向气缸内喷入燃油，但燃油并不 马上着火，而是稍有落后，因为柴油机自燃需要有一定条件。 它首先由液态蒸发成气态，并与空气混合形成可燃混合气，当 适当比例的混合气经过一定化学反应过程，燃油才能自燃着火。 着火延迟期越长，气缸中积累的燃料量就越多，着火后一起 燃烧，使燃烧急剧，发动机工作粗暴。 1） 提高缸内温度 2） 使用十六烷值高的燃料
4.补燃期 从最高温度点D点起到燃油基本燃烧完的E点为止，E点 一般难以确定，一般当放热量达到总放热量的95%－97%时， 即可认为补燃期结束。 这一阶段的燃烧是在膨胀行程中进行，必然导致发动机 热效率降低，排气冒烟等现象，故应尽量减少补燃期。
总之： 燃烧过程中每一个阶段都有自己的特点，但又相互关联。 柴油机的经济性和动力性主要取决于速燃期和缓燃期。
直喷式燃烧室柴油机的性能持点

由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。

燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、 副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。
冷起动性能较好。



对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。
工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。 对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性 能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。
缩短着火延迟期的措施:
2.速燃期 从气缸压力偏离压缩线开始急剧上升的B点起，到最高压力 点C点为止。
由于在着火延迟期中喷入气缸的燃油已经过不同程度的物 理、化学准备，所以一旦着火，这些燃料也一起燃烧，此时 活塞靠近上止点位置，这个阶段近似混合加热循环中的等容 加热，压力升高特别快;用压力升高率来表示压力升高的急剧 程度 : p p3 p2 3 2