内燃机原理4_燃烧过程及混合气形成

1.0 0.8
95%
累计放热率
0.6 0.4 0.2 0.0 -30
问题： 为什么不研究汽 油机的喷油规律？
5%
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60
曲轴转角 (deg)
瞬时放热率 (J/deg)
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
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曲轴转角 (deg)
曲轴转角 (deg)
4.1.1 汽油机燃烧过程及分析
汽油机着火和燃烧的高速摄影
火核形成
特点：均质透明火焰，前锋面皱褶
1 、 着火落后期（φA～Baidu NhomakorabeaB ）
现象： 在φ A 点开始火花点火，高 温单阶段着火； 在φ B 点产生稳定的火核， 开始火焰传播； φ B 点也可用CA05 表示，即 累计放热 5%的相位。 特性参数：着火落后期φi 10 °～ 20°CA 注意区别点火提前角θig φ i 相对稳定（相对柴油机）， 因此θ ig对pmax相位有重要影响
瞬时放热率 (J/deg)
例：柴油机燃烧特性 不同负荷燃烧特性对比
小负荷 大负荷 BMEP=0.6MPa BMEP=1.6MPa 燃烧持续期(oCA) 最大爆发压力(bar) 主燃期平均压升率 (bar/oCA) 最高瞬时放热率(J/oCA) 着火落后期(oCA) 44 100.6 2.3 115 8 37 136.1 2.4 192 7
2 、 明显燃烧期（φB～φC ）
现象： 由明显火核产生～火焰充满 燃烧室； 90 ％燃料在此期间被燃烧。 也称为速燃期 放热速率特征值CA50：累计放 热 50% 的相位，0～10 CAATDC 主要控制参数1： 最高爆发压力pmax pmax ↑， ηi ↑，W i ↑， NOx ↑ ，机械负荷及热负荷↑； 但
４．２ 柴 油机燃油喷射及混合气形成原理
由第5章和6.1节可知：柴油机混合气形成过程极短(<0.5ms) 经历：燃料喷射雾化汽化混合 扩散燃烧速度 着火落后期 dp/dφ 混合气 形成速度 气流运动 燃烧室形状 喷油规律
本节从油、气两个方面介绍柴油机混合气形成过程
柴油机喷雾燃烧高速摄影例 条件：涡流比2.5，4孔喷嘴，乙醇-柴油混合燃料
来源：清华大学
燃油喷射过程（机械式）
（ 1）喷射延迟阶段 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
4.1.2 柴油机燃烧过程
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 ） 分析中注意与汽油机燃烧过程 的不同
1 、 着火落后期（ φ A ～φB ）
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：
汽油机燃烧过程及分析 柴油机燃烧过程及分析 合理的燃烧放热规律 汽油机与柴油机燃烧特性对比
分析方法：
示功图， P (φ) = f (燃烧速率、温度、燃室容积···） 放热速率 ROHR (Rate of Heat Release) dQ B 1 dp dV pV dk ＝ V ＋kp － ＋α t FW (T－TW ) 2 dϕ k－1 dϕ dϕ (k－1) dϕ
2 、速燃期（ φB~φC ）
影响 dp/dφ的主要因素： 燃烧开始时的可燃混合气量 ∵ 控制对策：滞燃期中的混合 气生成量和着火时间，亦即喷油 速率和混合速率 dp/dφ与dQB/dφ的关系: 最大值基本对应，但过分后燃 时例外
3 、缓燃期（ φC~φD ）
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 ” 现象； 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↑，ηi ↓；碳 烟和微粒排放↑
第4章 燃烧过程及混合气形成
发动机（内燃机）燃烧的特点：
高速（混合＋着火＋燃烧＝10～2ms） 高温（2000℃ 左右） 高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程：流动、喷雾、多相流、燃烧化学
内燃机燃烧所追求的目标： 高ηe(ηi) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动
4.1 实际发动机的燃烧过程及放热规律 主要内容
pmax位置， φc＝10～15 CA（ ATDC）
3 、后燃期（φC～φD )
现象 燃烧剩余约10％燃料，主要存在 于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧 区域、壁面附近未燃混合气 要求： 燃期短 —后燃期↑， ηi ↓ ， 排温 ↑，甚至 “ 放炮” 燃烧净 —否则，HC ↑ ， CO ↑
喷油时刻对柴油机性能的影响
COMBUSTION ANALYSIS OF TWO INJECTION TIMINGS
Test Condition and Results of Two Fuel Injection Timings Fuel Injection Timing Pmax (MPa) BSFC (kg/kWh) Smoke (Bosch #) NOx (ppm) Injection Start ( º CA BTDC) Injection Duration ( º CA) Relative Efficiency (%) Calculated Peak Temperature (K) Exhaust Temperature (º C) Early 16.40 0.1919 0.15 1413 19.5 36.2 94.4 2028 455 Late 15.07 0.1968 0.27 1145 16.5 36.9 92.0 1979 473
4 、后燃期（ φD~φE ）
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。
燃烧特性测试例：柴油机
满足欧Ⅳ排放的 Cummins 重型柴油机
温度、压力、喷油量、雾化特性
着火点的判断方式： P-φ图、 ROHR 、火焰图像 柴油机的着火落后期对后续燃烧 过程有重要影响。 为什么柴油机着火时可 明显看到“脱离压缩线” 的现象，而汽油机不能？
2 、速燃期（ φB~φC ）
现象 大面积多点着火，燃烧极快， 压力陡升； 速燃期也称为预混合燃烧期， 但与汽油机的预混合燃烧有所 不同； 主要控制参数： dp/dφ 对动力性、ηi 、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)
活塞运动自然形成的湍流，较弱且不可控； 预燃室中的空气运动（如图，压缩和膨胀均有）； 非回转体燃烧室（参见讲义图9-10）； 燃烧冲击形成湍流（预燃室的主燃室）
4
滚流
绕垂直于气缸轴线的有规则的 气流运动（与涡流相反），也称 纵向涡流 近年来开发的混合气形成方式 主要用于缸内直喷式汽油机
用滚流形成大范围的油气混合 滚流被压扁、破碎 形成高度湍流强化微混合。
例：柴油机燃烧特性
14
缸内压力 (MPa)
12 10 8 6 4 2 0
缸内压力 (MPa)
TDC 1500r/min 小负荷 BMEP=0.6MPa
14 12 10 8 6 4 2
TDC
1500r/min 大负荷 BMEP=1.6MPa
200 160 120 80 40 0
0
200 160 120 80 40 0
2、挤流 压缩时空气被挤入燃烧室凹坑内形成 挤流
膨胀时燃烧气体冲出凹坑形成逆挤流
挤流强度 ∝ dk/D、 S0 特点：不影响φc和Ω，但强度较弱，作用小 于涡流，起辅助作用 思考：汽油机中的挤流运动
3 、湍流（紊流） 湍流是指无规则的小尺度气体运动，也称微涡流 湍流可以改善微观的油气混合程度 形成方式：
项目 型号 型式 气缸数 总排量 /L 压缩比 最大功率 /转速 (kW/ r⋅ min-1) 最大转矩 /转速 (N⋅ m/ r⋅ min-1) 燃油供给系统 后处理系统 参数 Cummins ISBe4 140 四冲程，直列， 增压中冷，直喷，水冷 4 4.5 17.3 103/2500 550/1500 高压共轨 尿素 SCR
Bertrand D. Hsu(徐大宏 ). Practical Diesel-Engine Combustion Analysis. 2002 SAE International
喷油规律的优化
随着降低 NOx和噪声的要 求不断提高，初始喷油速率不 断降低，以至于出现了预喷射 （ Pilot Injection)
负荷率95%
14
TDC
缸内压力 (MPa)
12 10 8 6 4 2 0
1500r/min 大负荷 BMEP=1.6MPa
200 160 120 80 40 0
滚流
本章要点
扩散燃烧速度 着火落后期 dp/dφ 1. 喷油规律和供油规律的异同及原因 2. 喷油规律对燃烧特性的影响 3. 内燃机中空气运动的方式及适用范围 4. 两种混合气形成方式的对比 5. 汽油机混合气形成（6.3节）内容自学，但不作为重点。 混合气 形成速度 气流运动 燃烧室形状 喷油规律