发动机原理——第三章 柴油机混合气形成和燃烧

第三章柴油机混合气形成和燃烧§3-1 柴油机混合气形成一两种基本形式（一）空间雾化将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。

特点:1 对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴）→燃烧易于完全，经济性好。

2 对空气运动要求不高→后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解→排气冒烟。

3 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速→∆∆pϕ↑，p max↑→工作粗暴。

（二）油膜蒸发（M过程）空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。

经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。

初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。

特点:1 对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高。

2 放热先缓后急→∆∆pϕ↓，p max↓→工作柔和，噪声小，经济性较好。

3 但低速性能不好，冷起动困难。

对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。

二 燃料的喷雾（一） 喷雾的作用只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。

接触面积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。

1 ml 油滴: 1 个， d = 9.7 mm ，S = 245 mm2 雾化: 299107.⨯个，d = 40 μm ，S = 15106.⨯ mm 2面积增大 5090 倍，燃烧反应机会大大增加。

（二） 喷雾的形成1 油束燃油喷射 － 高压、高速。

一级雾化－汽缸中空气的动力作用将油束撕裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。

二级雾化－空气动力作用将片、带、泡或大颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。

油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中，颗粒大。

边上油滴松散，颗粒小。

但也有说法正好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。

2 着火条件浓度、温度为着火的必要条件中间油粒大, 浓度偏高。

外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不高，化学准备没有跟上。

等温度适合于着火了，油粒又过分发散，也不会着火。

要控制好浓度与温度的进程，使之正好配合，方可着火。

（三） 喷雾特性1 油束射程L并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。

L ↑↑→燃料喷到壁面上多→空间混合气太稀。

L ↓↓→燃料集中→混合气分布不均匀，空气利用↓。

2 喷雾锥角β反映油束的紧密程度。

孔式喷嘴—β↑→油束松散，粒细。

轴针式喷嘴—β↓→油束紧密，粒粗。

3 雾化质量（雾化特性）细微度—油滴平均直径细：雾化好均匀度—油滴最大直径- 油滴平均直径匀：雾化好粒细→均匀度好，粒粗→均匀度差。

（四）喷油规律单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。

喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。

1 喷油延迟角喷油提前角θ—开始喷油→上止点的曲轴转角。

θ’ —上止点→停止喷油的曲轴转角。

喷油延迟角∣θ∣+∣θ’∣—开始喷油→停止喷油的曲轴转角。

2 喷油延迟角对性能的影响∣θ∣+∣θ’∣↑↑→喷油持续时间长, 工作柔和，但油耗增大, 排放变差。

∣θ∣+∣θ’∣↓↓→喷油持续时间短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。

3 喷油延迟角的比较a. ∣θ∣+∣θ’∣↓↓→油耗↓, 排放好，但工作粗暴。

b. 先急后缓θ↓→工作粗暴。

θ’↑→油耗↑ , 排放差。

c. 先缓后急θ↑→工作柔和。

θ’↓→油耗↓ , 排放好, 尽量采用，但很难做到。

（五）喷油嘴1 孔式喷嘴主要用于直喷式燃烧室中。

孔数: 1～5个，φ = 0.25～0.8 mm。

雾化好，但易阻塞。

孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。

2 轴针式喷嘴主要用于分隔式燃烧室中。

φ = 1～3 mm，通道间隙δ = 0.025～0.05 mm。

雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。

三气流运动对混合气形成的影响（一）气流运动的作用（二）气流运动组织气流运动，加速混合气形成。

1 进气涡流使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。

（1）切向气道特点: 气道母线与汽缸相切。

优点: 结构简单，气流阻力小→ηv↑缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。

（2）螺旋气道特点: 进气道呈螺旋型。

优点: 能产生强烈的进气涡流。

缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高2 挤气涡流活塞上行: 将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。

活塞下行: 燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。

挤气间隙↓→挤气涡流强度↑挤气面积↑→挤气涡流强度↑挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。

3 燃烧涡流燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。

尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。

（三）热混合作用1 刚性涡流涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。

2 势涡流涡流中心质点速度最大，压力最小。

越向边缘速度越小，压力越大，壁面处速度为零。

一般认为涡流为势涡流。

3 热混合作用（主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生）涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中心运动。

若ρ’ —质点密度，ρ—空气密度。

当ρ’ = ρ时，—质点作圆周运动。

当ρ’ > ρ时，—离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。

当ρ’ < ρ时，—压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。

液体油、燃油蒸汽: ρ’ > 400 ρ，向外运动。

燃烧产物: ρ’ < 0.3 ρ，向中心运动。

燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开，火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。

§3-2 柴油机的燃烧过程一燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向（一）燃烧过程的特点1 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。

2 压缩自燃。

（二）柴油机燃烧的主要研究方向1 喷油雾化2 喷油规律3 气流运动4 燃烧室结构配合要好。

二燃烧过程p －ϕ 示功图曲线下的面积表示有用功的大小。

（一） 着火延迟期τi 或称滞燃期 1－2（着火延迟角ϕi ）1 — 喷油嘴针阀打开向缸高压喷油。

此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度 （可达 400～800 ℃） ，但 并不马上着火。

燃烧需要:物理准备 — 雾化、吸热、蒸发、扩散、混合化学准备 — 分解、氧化 （焰前反应）2 — 缸内压力脱离压缩线开始急骤增高。

一般: τi = 0.0007～0.003 [s]；对应的曲轴转角称为着火延迟角ϕi 。

尽管着火延迟期τi 很短，但却对燃烧过程、尤其是柴油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。

（二） 速燃期 2－32 点开始着火，压力急骤增高，接近等容燃烧。

持续喷油，即随喷随燃。

3 — 最高压力点。

p p 3=max 。

为表示2－3阶段压力升高的急骤程度，引入概念压力升高率: ∆∆p p p ϕϕϕ=--3232[ kpa/degCA ] ∆∆p ϕ↑↑，p max ↑↑ → 冲击载荷↑，工作粗暴，柴油机寿命↓ ∆∆p ϕ↓↓，p max ↓↓ → 做功不利，柴油机性能↓ （三） 缓燃期 3－44 — 最高温度点。

T T 4==max 1700～2000 ℃。

放热量达70～80%。

喷油在这一阶段停止。

V↑，p↓，接近等压燃烧。

废气量↑，氧气、燃油量↓→燃烧↓。

（四）补燃期4－55 —放热量达95～97%。

补燃期在膨胀过程中。

补燃期↑→ηt↓，g e↑，动力性↓，冷却水温度↑，排气温度↑，排放差。

所以，应尽量减少补燃。

柴油机由于随喷随燃，混合时间短，补燃要比汽油机严重。

三影响着火延迟期τi的因素（一）压缩温度T c和压力p c—直接影响因素p c↑，T c↑→τi↓∣lnτi∣↑→τi↓（二）压缩比εε↑→p c↑，T c↑→τi↓（三）喷油提前角θ—影响最大的因素θ↓↓→虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧↓→p c↓，T c↓→τi↑θ↑↑→p c↓，T c↓→τi↑所以，有一个使τi为最小的θ。

=10～15 [ degCA ]高速时: θτi min=5～10 [ degCA ]低速时: θτi min一般: θ = 5～10 [ degCA ]（四）转速nn↑⇒漏气、散热损失↑→p c↑，T c↑；喷油压力↑→雾化↑；气流运动↑→蒸发↑⇒混合气形成好转→τi↓。

但n↑⇒着火延迟角ϕi↑（五）十六烷值十六烷值↑⇒柴油的自然性↑→缸内p，T大时，影响不大；缸内p，T小时→τi↓。

（六）增压增压→p c↑，T c↑→τi↓四着火延迟期τi对柴油机性能的影响τi↑→τi期间喷入缸内的燃料量↑→着火前可燃混合气量↑→∆∆pϕ↑，p max↑。

τi↑↑→∆∆pϕ↑↑，p max↑↑→冲击载荷↑，工作粗暴，柴油机寿命↓。

τi↓↓→混合气形成欠佳→柴油机性能↓五放热规律燃烧放热率∆∆Q/ϕ随曲轴转角ϕ变化的关系。

由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。

（一）放热规律I阶段—在速燃期内，约占3 degCA。

∆∆Q/ϕ↑↑。

II阶段—放热量约80%，约占40 degCA。

∆∆Q/ϕ↓。

III阶段—在膨胀过程内，放热量约20%。

（二）燃烧过程三要素1 放热开始时刻2 放热规律3 放热持续时间（三）希望—先缓后急工作柔和，经济性、动力性好，排放少，补燃少。

上止点§3-3 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的影响一燃油喷射（一）供油系统的组成油箱→输油泵→滤油器→低压油管→喷油泵→高压油管→喷油器（喷油嘴）（二）喷油过程普遍采用柱塞式喷油泵。

柱塞上行，使喷油泵内压力升高，当压力升高到一定值时，克服喷油泵上方出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压，顶开出油阀，通过高压油管向喷油器供油。

上行2点过了4点之后，打开回油口，使泵内油压下降。

当泵内油压小于出油阀弹簧预紧力和高压油管内的残余油压力时，出油阀落座，喷油停止。

下行2点过了4点之后，回油停止，重新进油。

（三）喷油延迟时间从喷油泵内燃油顶开出油阀进入高压油管至油压压开喷油嘴针阀的时间。

原因—高压油管中燃油压缩+ 节流作用（四）几何供油规律从几何关系求出的油泵凸轮每转一度（或每秒）喷油泵供入高压油管的燃油量[ ml/degPA或ml/s ]随曲轴转角ϕ（或时间t ）的变化关系。

d g d t f wpp p=[ ml/s ]d g df w pp pϕ=[ ml/degPA ]其中f p—柱塞面积[ mm2]；w p—柱塞速度[ ml/degPA ]。

几何供油规律与喷油规律不同。

二喷油泵速度特性及其校正（一）节流作用1 理论上（不存在节流）上行—当3点与5点重合时，才开始供油。