6单元 柴油机的燃烧过程和燃烧规律

6-1柴油机燃烧过程
1、混合气形成特点：
1）气缸内部形成 混合气：因柴油不 易挥发，必须借助 喷射设备在上止点 附近（T,P高）喷 入气缸，利用喷雾、 加热蒸发和气流的 冲击作用形成混合 气。
切向进气道及螺旋进气道形成进气涡流
利用燃烧室形状的挤流与逆挤流
6-1柴油机燃烧过程
1、混合气形成特点： 2）混合气形成时间短，只有15~35゜CA, n=3000r/min 时只有0.8ms~2ms（相当于照相机曝光一次时间）。
单元6 柴油机混合气的形成和燃烧
课前回顾
问题一：传统汽油机与柴油机的混合气形成方式及着火方式 有什么不同？
汽油机：缸外形成混合气，点燃；柴油机：缸内喷射，压燃。
问题二：为什么传统汽油机采用缸外混合，火花塞点燃式燃 烧，柴油机采用缸内喷射，压燃式燃烧？
燃料的品性决定了混合气的形成方式及着火方式。
蒸发性：汽油＞柴油； 发火性（自燃性）：柴油＞汽油。
6-1柴油机燃烧过程
备燃期:（着火延迟期、滞燃期）
定义：从燃油开始喷入燃烧室 内（A点）至由于开始燃烧而 引起压力升高使压力脱离压缩 线开始急剧上升（B点）。
作用：在备燃期内，燃烧室内 进行着合气准备的物理和化学 过程。
6-1柴油机燃烧过程
物理过程： 温度准备：加热 混合气准备：分布、 蒸发、 扩散与空气混合；
压缩终了温度T 压缩终了压力P 柴油十六烷值。
6-1柴油机燃烧过程
速燃期： 定义：速燃期为图中的BC段， 即从压力脱离压缩线开始急剧 上升（B点）至达到最大压力 （C点）。
作用：速燃期内，在备燃期内准 备好的混合气几乎同时开始燃烧 P↑↑，接近等容燃烧 。
6-1柴油机燃烧过程
压力升高率： 定义：单位曲轴转角内压力的变化值，用dp/dφ来表示，单 位——[Mpa/˚CA] 压力升高率决定了柴油机运转的平稳性，压力升高率过大会 造成柴油机工作粗暴。 ：
1）泵-管-喷嘴系列 （1）直列柱塞泵
高压油管 燃油滤清器 停油电磁阀
回油管 润滑机油管
P7100泵 正时齿轮
2、改进机体等有关零部件的结构，通过试验和计算分析 的方法，在尽可能不增加重量的前提下，提高有关部位的 刚度，降低结构振动的振幅和提高共振频率。
3、为减小撞击力，尽可能减小缸套与活塞之间、轴承、 传动齿轮等处的间隙。为减小惯性力，应减小运动件的质 量，并在可能的情况下，适当降低活塞平均速度。
机械噪声：运动件的质量、减少间隙、防止共振、采用吸 振材料
气流噪声：优化进排气道结构，防止截面突变；风扇优化 ；优化消音器；合理匹配配气相位。
隔震：吸音板、隔震垫等。
具体措施如下
1、控制燃烧过程来降低燃烧噪声。例如，减小喷油提前 角以适当推迟燃烧，减少在着火延迟期内形成的可燃混合 气，调整喷油规律，在着火延迟期内喷入较少燃油等。
1）空气利用率低 （不均匀导致的） 混合气形成时间短、只有15~35°CA 1.7~4ms边燃 烧边喷油，油滴易被高温废气包围找不到氧，氧找不 到油分子； 所以为保证柴油机燃烧比较完全，必须在α >1条件工 作：α ≥1.3左右，即最少有30%的空气量未能完全利 用。使柴油机容积利用率低，强化指标差。
5燃烧放热规律：
瞬时放热速率：指在燃烧过程中的某一时刻，单位时 间（曲轴转角）内燃烧的燃料所放出的热量；用 dQ/dΦ表示。
dQ dU dW dQW
d d d d
5燃烧放热规律：
累积放热百分比： 是指从燃烧过程开始至某一时刻（曲轴转角）为
止混合气所放出的热量Q与每循环混合气放热量的比 值Q总。
某一时刻止放热量
Q
循环总放热量
Q总
5燃烧放热规律：
燃烧放热规律分析 第Ⅰ阶段AB为预混合燃烧阶段，放热率一般都很高，历 时3~7°CA，与速燃期相对应。
典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量）
第Ⅱ阶段BC为扩散燃烧阶段，放热率逐渐下降，历时约为 40°CA，Ⅰ-Ⅱ阶段的放热率约为80%。 第Ⅲ阶段CD为放热的尾巴，可能延至整个膨涨过程放热量 约占20%。
2）燃烧噪声（工作粗暴）
主 要 是 因 为 速 燃 期 压 力 升 高 率 过 大 （ Δp/Δφ>0.4 ~0.5Mpa/˚CA）产生燃烧噪声使零件负荷↑寿命↓称柴油机 工作粗暴。
降低柴油机工作粗暴的根本措施是↓Δp/Δφ，主要途径有 三：
①缩短备燃期φi：选十六烷值高的燃料；提高喷油时缸 内温度如增压等，推迟喷油（靠近上止点、减小喷油提 前角）；
柴油机工作粗暴的危害：
1）发动机平稳性变差 2）发动机的噪声增大。 3）运动部件承受的负荷增大，影响到发动机的可靠 性及寿命。 因此(dp/dφ)max应控制在0.4~0.5 MPa/˚CA下。
6-1柴油机燃烧过程
避免压力升高率过高的方法： （釜底 抽薪）
1）减少备燃期内喷入的柴油 采用轴针喷油器或预喷射方式喷 射柴油
6-1柴油机燃烧过程
1、混合气形成特点： 3）混合气形成不均匀 ，为了提高经济性总体过量空气系 数>1.2。导致容积利用率低，升功率低（傻大黑粗）。
傻大黑粗
高富帅？？？
6-1柴油机燃烧过程
2、混合气形成方式： 油膜蒸发混合，燃料大部 分顺气流方向喷到燃烧室 壁面上，形成一层油膜， 油膜受热蒸发，在旋转气 流作用下与空气相混合形 成可燃混合气。
一般白烟在柴油机暖机的过程中逐渐变为兰烟，再变为无 色烟。
4）柴油机燃烧过程存在的矛盾
（1）节能与排放的矛盾
原因：节能要求燃烧完全，使燃烧温度高，虽然CO、 HC和碳烟排放少，但NOX排放多。 （2）碳烟与氮氧化物排放的矛盾
原因：消除碳烟要 燃烧完全，使燃烧温度高，氮氧 化物排放多。而对减少氮氧化物排放有利的措施，又可能导致 碳烟；反之亦然。
2）减少备燃期内形成的混合气 采用油膜蒸发方式形成混合气
3）缩短备燃期 压缩终了温度、压力，十六烷值
5-1柴油机燃烧过程
缓燃期： 定义：缓燃期为图5－1中的CD 段，即从最大压力点（C点） 至最高温度点（D点）。
作用：速燃期内未燃烧的燃油和 后喷入的燃油在具有大量废气的 环境中较慢的燃烧。
6-1柴油机燃烧过程
典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量）
燃烧放热规律分析 开始燃烧时刻，放热规律曲线形状和燃烧持续时间是放热规律三 要素，大量研究表明，燃烧始点最佳是使Pmax出现在上止点后 7~8°CA，燃烧持续时间最佳为40°CA（25-30°CA）。
典型高速柴油机燃烧过程放热率（累积放热量）
6柴油机燃烧过程中存在的主要问题
6-1柴油机燃烧过程
后燃期： 定义：后燃期为图5－1中的 DE段，即从最高温度点（D点） 至燃油基本燃烧完（E点）。
后燃期的终点很难准确地确定， 一般当放热量达到循环总放热量 的95％～99％时，就可以认为 后燃期结束，也是整个燃烧过程 的结束。
6-1柴油机燃烧过程
后燃期特点：
1）燃烧放出的热量得不到有 效利用。 2）排气温度提高，散热损失 增大。 3）对柴油机的经济性不利。 此外，后燃还增加了有关零部 件的热负荷。
高温压缩空气
喷 射
物理化学变化
雾状柴油 喷 射
燃烧
•混合气形成与燃烧紧密相连，边混合边燃烧。 •油膜（滴）蒸发扩散为主的混合加热循环。 •存在缺氧区域－>裂化、脱氢－>碳烟生成（冒黑烟）、微粒 （PM）排放增加。
6-1柴油机燃烧过程
4、燃烧过程概述：
备燃期 (ignition delay period) ； 速燃期 (rapid combustion period) ； 缓燃期 (normal combustion period) ； 后燃期 (after combustion period)
6-1柴油机燃烧过程
缩短后燃期的方法： 1）加强气流运动；
2）减少缓燃期后期的喷油量； 3）使燃烧在上止点附近完成，提高燃烧温度。
根据上述对柴油机燃烧过程的分析，可Βιβλιοθήκη Baidu知道：
1、为了保证柴油机工作可靠（尤其是冷起动的可 靠性），应该保证燃料有很好的发火性。
2、为使柴油机工作柔和，燃烧噪音小，寿命长，速 燃期的压力升高率和最高燃烧压力不超过一定限度， 应尽可能缩短备燃期，减少在备燃期内形成的可燃 混合气量。
②组织相对运动：促使油束分散增大混合范围；热 混合作用；增强缸内紊流。
③提高喷射压力，促进油束雾化。
此外，柴油机还有时产生白烟和兰烟 产生条件：柴油机在寒冷气候起动以及怠速或小负荷暖车时 白烟与兰烟之间没有严格的成分差异，只是微粒直径不同 ，对光的反射不同，从而产生不同的颜色。
白烟0.6µm~1mm颗粒构成 兰烟0.6µm以下颗粒构成
②减小备燃期内喷入的油量（选择合适的喷油规律，先 少后多）；
③控制蒸发速度（油膜蒸发缓和）；
3）排气冒黑烟
缓燃期燃油被高温废气包围：高温缺氧→裂解→脱氢 →聚合形成碳烟。 一般在高负荷时发生如汽车加速，爬坡或超载。
减少冒黑烟的措施： ①增大过量空气系数α：改进进气系统ην↑，减少喷 油量降低功率使用。
2.柴油机供油系统的分类
通常是按产生喷射功率的高压部分的工作原理与结构特点来进 行分类
1）泵－管－嘴系统（位置控制式）
2）泵－喷嘴系统（时间控制式）
3）共轨式系统（时间控制式）
电控高压共轨与泵－喷嘴系统是今后的重要发展方向， 但由于在传统的泵－管－嘴燃料供给系统方面已积累了长 期制造与匹配的经验，在教学仍以传统的泵－管－嘴燃料 供给系统与机械调节方式为主。
4、应用吸振减振材料制造薄板零件，如油底壳、 缸盖罩等。在缸体与油底壳之间、缸盖与缸盖罩 之间采用较“软”的垫片，对振动起到阻尼使用。
5、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、 冷却风扇等的设计以及适当调节配气相位，以降 低气体动力噪声。
6、遮蔽噪声源，采用对作为主要噪声源的发动机 的局部或整体加隔声罩的方法等。
缓燃期的特点： 1）一边形成混合气，一边燃烧， 一边活塞下行（Tmax在2000K左 右，一般在上止点后20°～ 35°CA处出现）
2) 缸内废气↑ ，氧气↓ ，燃烧条 件不利，燃烧速率降低，局部高 温缺氧燃料裂解形成碳烟→冒烟、 经济性差↓。
3) 由于不可能完全形成均匀混合气，所以α＞1，稀燃。 4) 循环放热量达到总热量的70-80％
（3）节能与工作柔和要求的矛盾
原因：工作柔和要求前期少喷油，会造成后燃严重， 经济性和动力性差；如 燃烧完全，前期喷油多，则压力升高 快，工作粗暴。
7控制噪声与振动的措施
噪声来源主要有三个方面：燃烧噪声（主要部分） 、机械噪声、空气动力学噪声
关于控制噪声与振动的措施，简述如下：
燃烧噪声：减少工作粗暴的措施
化学过程：分解、裂化，形成活性物质。 活化物质包含：H，甲醛（CH2O），羟基等。
6-1柴油机燃烧过程
备燃期长短对柴油机燃烧过程的影响
备燃期的长短，会影响到发动机的最高压力、 动力输出、排放、热负荷等方方面面,如果滞燃 期过长，容易造成工作粗暴，备燃期一般为 0.7~3ms左右。
影响备燃期的因素：
第二节 燃油喷射和雾化
一、供油系统和喷射系统
1燃油供给系统构成及核心部件的作用、分类（自己复习构 造书）
喷油泵的作用：定时、定量地经高压油管向各缸的喷油器 周期性地供给高压燃油。
喷油器的作用：将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧 室内，使燃油雾化成微小的油粒，并按一定的要求适当地 分布在燃烧室内。
空间雾化混合，燃料喷入燃烧 室空间形雾状混合物。要求喷 雾与燃烧室形状配合，并利用 气流运动。
6-1柴油机燃烧过程
现代小型高速柴油机上主要采用空间雾化模式， 但燃油或多或少会喷到燃烧室壁面上形成油膜，因 此以上两种混合方式兼而有之，只是主次，多少不 同。
6-1柴油机燃烧过程
3、燃烧过程特点
持续喷射 雾状柴油
3、为使燃烧完全、及时，提高动力性和经济性，减 少排气冒烟，应改善和加速缓燃期中燃料与空气的 混合，提高后期的燃烧速率，减少后燃。
5燃烧放热规律：
定义： 瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。
意义： 燃烧放热规律表征的是燃料燃烧放热快慢的，影响到 燃烧过程中缸内压力、温度的变化，决定着柴油机的 性能；对了解、分析和改善燃烧过程有着特别重要的 作用（热力过程计算） 计算燃烧始点、燃烧终点和燃烧持续期。