第9章 柴油机混合气形成和燃烧

9.2
燃油喷射及混合气形成
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发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成 喷油规律 混合气 形成速度 气流运动 燃烧室形状
过程极短 (＜0.5ms)
扩散燃烧速度 着火落后期 dp/dφ
本节从油、气两个方面介绍柴油 机混合气形成过程
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影响 dp/dφ的主要因素：
滞燃期中的混合气生成量，与喷油 速率、混合速率、滞燃期长短有关
柴油
汽油
3、缓燃期（ φC~φD ）
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现象 剩余10～20%的燃料继续燃烧，远 离TDC，气流扰动变弱，燃烧速度下降。 后燃期过长，会造成： 等容度↓，散热↑，碳烟和微粒排 放↑，排温↑ 、 η t ↓ ； 减少后燃的基本思路 加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾 化。
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汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
对比项目 汽油机 柴油机
着火
点燃，高温单阶段着火，单点着 火 火焰在均质预混合气中有序传播 ，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短
压燃，低温多阶段着火，多点同时 着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混 合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长
2、燃油喷射过程（机械式）
（1）喷射延迟阶段
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供油提前角θfs－供油始点至TDC的角度 （油泵出油） 喷油提前角θfj－喷油始点至TDC的角度 （针阀始动） 喷油延迟角＝θfs－θfj，转速越高、油管越 长，延迟角越大 （2）主喷射阶段 喷油始点～喷油器端压力开始下降点 喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化 qn ＝ f(Δp, 针阀升程，喷油持续期) （3）喷油结束阶段 喷油器端压力急剧下降点～针阀落座 燃油雾化质量差，尽可能减少喷油量
供油速率计算
dqp d PA
•


4
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dp
2
dhp d PA
（7－2）
对于确定的喷油泵，柱塞直径dp和柱塞 运动规律（由凸轮型线决定）等几何参 数是一定的，由于可以比较准确地计算 出 因此也称
•
为几何供油规律
现象
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大面积多点着火，燃烧极快， 压力陡升；
放热速率取决于滞燃期内形成 的预混合气多少，因此速燃期也 称为预混合燃烧期 注意与汽油机的“预混合燃烧” 有区别
2、速燃期（ φB~φC ）
燃烧特性参数：
dp/dφ 对动力性、η i 、η m、NOx、振动 噪声有显著影响， 一般柴油机： dp/dφ ＝0.2～0.6 (MPa/CA)
初期放热率，柴◣，汽▲
形状，汽单峰，柴双峰
汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
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汽油机不同负荷时，随负荷的增 加，燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续 期变长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧 持续期拖长，加之上述放热率形 状的不同，其燃烧放热等容度会 低于柴油机，即汽油机最常用的 中小负荷不是“等容放热”
3、供油规律与喷油规律
供油规律
单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷 油泵供入高压油路中的燃油量称为供
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油速率。
供油速率随凸轮轴转角的变化关系称 为供油规律 喷油规律： 喷油速率和喷油规律定义与上类似
喷油泵
喷油器
现象 剩余燃料边蒸发混合,边燃烧， 燃烧速率受控于燃料扩散混合速率， 也称为扩散燃烧期 出现柴油机燃烧特有的“双峰” pmax的大小及位置：
上止点后10～15CA，取决于喷油时间、 着火落后期、预混燃烧
缓燃期燃烧 “过缓”会造成:
等容度↓，散热↑，η i ↓；碳烟和 微粒排放↑
4、后燃期（ φD~φE ）
EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防 止爆震而推迟点火时刻造成的。
汽油机 Vs 柴油机
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?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”，
?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？
汽油机：预混合燃烧 柴油机：预混 + 扩散≈扩散燃烧
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油束的雾化质量指油束中液滴的细度和均匀度
平均粒径、索特粒径和粒径分布
di3 ni SMD di2 ni
粒径分布则既表示了油粒大小又表示了其均匀程度
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第9章 柴油机的混合气形成及燃烧
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发动机（内燃机）燃烧所追求的目标： 高η e(η i) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动
内燃机燃烧的特点：
高速（混合＋着火＋燃烧＝2～10ms） 高温（2000℃ 左右） 高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学
1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀
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喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响
9.2.2 缸内气流运动
分类： 涡流、滚流、挤流——控制油气宏观混合 湍流——促进油气微观混合 1、 涡流（Swirl） 绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用 （1）涡流种类：进气涡流、压缩涡流 （2）评价指标：涡流比Ω＝涡流转速 / 发动机转速
持续期—尽可能缩短，一般柴油机＜40～60CA
形状—因性能要求而异
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1.放热始点
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放热始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续
燃烧
后燃
放热规律
燃烧放热先缓后急，燃烧持续期 较短
燃烧放热先急后缓，燃烧持续期长
汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
示功图（P-φ）： 柴油机
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汽油机
压缩压力
燃烧压力Pmax
压升率（dP/dφ）：
各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低 放热速率dQb/dφ:
分为四期： 着火落后期（ φA~φB ） 速燃期（ φB~φC ） 缓燃期（ φC~φD ） 后燃期（ φD~φE ）
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1、 着火落后期（ φA～φB ）
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9.1 柴油机燃烧过程及其特性分析
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燃烧过程的高速摄影实例：
0º (TDC) 4º 8º
火焰特点： 多点大面积着火—粗暴 “有焰”燃烧 —产生碳烟 12º 16º
20º
24º
28º
32º
40º
9.1.1 柴油机燃烧过程
现象: 喷雾及混合+低温多阶段着火，是复 杂的物理化学过程 ； 影响着火落后期的主要因素：
温度、压力、喷油量、雾化特性
着火点的判断方式： 示功图—脱离压缩线的时点 高速摄影—出现火焰 ROHR —放热率由负变正的拐点
柴油机的着火落后期对后续燃烧过程 有重要影响。
2、速燃期（ φB~φC ）
期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心距 上止点的位置。 影响：循环热效率、压力升高率、燃烧最大压力
2.放热持续期
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放热持续期的长短，一定程度上是理论循环等压放热
预膨胀比ρ 值大小的反映。决定循环热效率，有害气 体排放。 放热持续期原则上越短越好，柴油机一般小于4060CA. 柴油机放热持续期：
最终影响发动机性能的是 喷油规律
异常喷射现象
1.二次喷射
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2.滴油现象
3.断续喷射 4.不规则喷射和隔次喷射
5.气穴和穴蚀
避免异常喷射的方法
缩短高压油管长度
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减小高压容积以减缓压力波动
合理选择喷油系统参数：喷油柱塞直径、凸轮型线、出油
阀结构和尺寸，出油阀减压容积，高压油管内径，喷油器 喷孔尺寸、喷油器开启压力
喷雾特性与雾化质量
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油束射程(又称为贯穿距离)L 喷雾锥角 油束的最大宽度
汽油机 Vs 柴油机
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对比 项目
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序传 播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等腰三 角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳烟 排放，热效率较低
9.2.1 喷油系统与喷油特性
1、对燃料喷射过程的要求 合理的喷油特性（喷油规律） 良好的雾化特性 定时 定量 不出现异常 喷油特性主要指供油规律与喷 油规律 喷油特性和喷雾特性是喷油系 统最主要的两类指标
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柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧 和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线， 持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放
燃烧
后燃 放热 规律 性能
9.1.2 合理的燃烧放热规律
放热规律三要素： 放热始点—存在最佳值，一般使Pmax出现在10～15CA ATDC
注意：看懂图；理解“凸轮工作段”的概念； 在右图上如要改变工作段应怎样调整；工作段 与柱塞有效行程有什么关系。
实际发动机中的供油规律与喷油规律对比
？为什么会出现两者的差异
•燃油的可压缩性
•压力波传播滞后－相位变化 •压力波反射叠加－形状变化 •高压油管弹性变形
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线面心的位置，也影响预混合燃烧与扩散燃烧的比例。
9.1.2 合理的燃烧放热规律
放热率形状： （相同放热始点、持续期时） a：热效率最好（见185页），等 容度最高 d：热效率最低，但排放低 b\c：介于上述两者之间，有多种 优化结果，取决于实际需要
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首先取决于喷油持续角的大小，喷油时间逾长则扩散燃烧期愈
长。 其次也取决ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。
3.放热率曲线形状
放热率曲线形状决定了前后放热量的比例。
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放热始点和放热持续期不变，形状的变化，既影响放热曲
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