第五章 柴油机的燃烧分析

第五章
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着火需要具备两个条件：
1)浓度条件：在形成的可燃混 合气中，燃料蒸气与空气的比 例要在一定的范围内，这个范 围称作着火范围(或着火界限)。 着火界限不是一成不变的，随 着温度的升高，分子运动速度 增加，反应速度加快，将使着 火界限扩大。
2)温度条件：可燃混合气必须加热到某一临界温度，低 于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点 燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。 它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。
而起作用。存在一个使滞
燃期最短的喷油提前角。 为了保证有较好的功率和
经济指标，希望在上止点
前5-10°(CA)开始着火燃 烧，保证燃烧在上止点附 近完成。
第五章
影响滞燃期的因素：
3）随着增压压力提高， 滞燃期显著缩短。
增压空气温度升高，
滞燃期缩短。
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影响滞燃期因素： 4）转速对滞燃期的
影响 随着转速增
第五章
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第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-2 压燃式内燃机的燃烧室

燃烧室分类：直接喷射式燃烧室、分隔式燃烧室 直接喷射式柴油机：浅盆形、深坑形；无涡流直 喷式和有涡流直喷式两种。

气缸直径越大，燃烧室就越浅。浅盆形燃烧 室不组织进气涡流或弱进气涡流，而深坑形
燃烧室一般都组织较强的进气涡流。
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六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配
压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的 完善程度，空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要 的影响因素。 在大型柴油机中，不组织空气涡流运动，依靠高压喷射、 多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。 在中、小型高速柴油机中，组织进气涡流，促进混合气 的形成和燃烧过程。对于一定缸径和转速的发动机，根 据燃油系统参数和燃烧室结构参数确定一个最佳涡流比。 最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时应为高涡 流比，在高速时应为低涡流比。可变涡流进气系统。 由于直喷式柴油机具有经济性好的明显特点，柴油机向 直喷化方向发展。
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涡流室柴油机特点
1)混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩 涡流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油 嘴，喷油压力较低，这可降低对燃油系统的要求，减少 喷孔堵塞等故障。 2)由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高 时仍保证较好的混合质量。 3)因为有强烈的压缩涡流保证较好的混合质量，使空 气能较充分利用，过量空气系数较小。由于燃烧初期在 涡流室内进行，工作较为平稳。
高燃烧压力较高，运动零
件受到强烈的冲击负荷， 发动机运转粗暴，影响发
动机的使用寿命。
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影响滞燃期因素：
压缩温度和压力是影 响滞燃期的主要因素。 喷油提前角、转速以 及燃料性质等对滞燃 期也有较大影响。
1）随着压缩温度和压 力提高，滞燃期减小。
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影响滞燃期的因素：
2）喷油定时对滞燃期的 影响通过压缩温度和压力
4)涡流室的相对散热面积较大，散热损失较大，在涡 流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大， 因此，冷起动困难，燃油消耗率较高。
5)由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx 排放，此外，HC和微粒排放均比直喷式柴油机低。
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五、预燃室式燃烧室（prechamber systems）
由位于气缸盖内的预燃室 和活塞上方的主燃烧室所组 成，两者之间由一个或数个 孔道相连，喷油嘴安装在预 燃室中心线附近。不产生有 组织的强烈涡流，但空气流 过通道产生强烈湍流，空气 湍流使一部分燃料雾化混合。 由于起动性及经济性较差， 基本已不被采用。
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五、燃烧噪声(combustion noise)
燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力 升高比过大，则产生强烈的震音，我们称这种现象 为柴油机的工作粗暴(或敲缸knock)。降低燃烧噪声 的主要途径有：
1．缩短滞燃期（如：十六烷值高的燃料） 2．减小滞燃期内的喷油量；二级喷射pilot injection。 3．减少滞燃期内形成的可燃混合气数量（油膜蒸发混 合）
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在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化混 合是没有的，燃油都或多或少地喷到燃烧室壁 面上，实际的混合过程是介于空间雾化混合和 油膜蒸发混合之间。
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四、涡流室燃烧室
(swirl combustion Βιβλιοθήκη Baiduhamber)
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混合气形成
主燃烧室和涡流室之间用一个或数个通道相 连，通道方向与活塞顶成一定角度，喷油嘴安装 在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射。在压缩过程 中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡 流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入 涡流室中的燃油混合。当涡流室中着火燃烧后， 气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡 流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道 流入主燃烧室中(形成二次涡流)，与燃烧室的空 气进一步混合燃烧。
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六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配
图 二气门柴油机的燃烧室、油嘴头部中心与气缸中心的位置关系 O点气缸中心 O1点喷油嘴中心 O2点燃烧室中心 O3点、O 4点进排气中心点
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图 增压轿车柴油机的放热规律
图 增压中速柴油机的放热规律与累计放热率的变化曲线
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喷射率
喷射
着火
燃烧率
曲轴角度 曲轴角度
图 根据喷油规律估算放热规律的林氏三角形堆砌法
放 热 率 /(J/°C A)
曲轴角度
曲轴角度
图 按喷油规律预测的放热规律与实际放热规律的比较
第五章
dp k 1 dQ p dV k d V d V d
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第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-1 柴油机的着火与燃烧过程
一 着火现象(ignition)
燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油摘，这
些细小油滴经过加热、蒸发（vaporization）、扩 散（diffusion）与空气的混合等物理准备及分解、 氧化等化学准备阶段后，一处或几处同时着火， 即自行着火燃烧。
2) 油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地 分布到整个燃烧室空间。 3)燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油 束的扩展使燃油与空气混合。
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浅盆形燃烧室
4)燃烧室形状简单，结构紧凑。经济性好，容易起 动。
5)因均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合 气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作 粗暴。 6)对转速和燃料较敏感。（喷雾质量随转速而变）
加，以秒计的滞燃
期缩短，以曲轴计 滞燃期Ψ i则可能增 加或减小。
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四、燃烧放热规律(Heat release rate)
QB Q QW U W QW
dQB dQ dQW d (mu ) dV dQW p d d d d d d
燃 烧 规 律 放 热 规 律 加 热 规 律 传 热 规 律

分隔式燃烧室：涡流室、预燃室
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第五章 柴油机的燃烧分析 § 5-2 压燃式内燃机的燃烧室
图 a）浅盆形
直喷式燃烧室示例 c）形 c）带缩口的形
b）圆柱形
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一、浅盆形燃烧室
（shallow bowl combustion chambers）
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浅盆形燃烧室
1)混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾质量 要求高，采用多孔喷嘴，6~12个喷孔，直径很小 （0.12mm），最高喷油压力高（140MPa），对燃 油系统要求较高。
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（二）燃烧室设计要点 1．广泛采用ω形燃烧室。
2．燃烧室尺寸：

VK/Vc要尽可能大，一 般VK/Vc =0.75~0.85。
主要措施是减小活塞顶
隙S0。

dK/D要合适，要与油 束射程配合。
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三、球形油膜燃烧方式
球形油膜燃烧 室是深坑型燃烧 室的一种，其混 合气形成主要是 油膜蒸发混合。
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五、燃烧噪声(combustion noise)
•怠速敲缸
柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较
长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷， 每循环的喷油量仍相当大，因此压力升高比也较大， 产生较强的震音，这种噪声称怠速敲缸；随着转速 升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。
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当发动机结构参数确
定后，气缸压力变化特 性主要由燃烧规律(或 加热规律)所决定(公式 5-21)，从而燃烧放热 规律强烈影响平均有效 压力、燃油消耗、最高 燃烧压力、燃烧噪声等
性能指标。
第五章
开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是
燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要
表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。比较 合适的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热 要适中，压力升高比不超过0.4~0.6MPa／[(CA)]， 以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料 尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应 超过上止点后 40 º (CA) ，以满足经济运转的要求。
第五章
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二 燃烧阶段的划分 柴油机的燃烧过程，
可以从不同的角度用
各种方法进行研究， 如高速摄影、光谱分 析、采样分析等，但 最简便、应用最多的 方法是从展开的示功 固上分析燃烧过程。
第五章
燃烧过程的四个阶段： 第1阶段：

着火延迟阶段(AB段)(ignition delay)。从喷油开始(A点)到
燃期所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水 的热损失，使柴油机经济性下降；增加活塞组的热负荷 以及使排气温度增高，所以应尽量减少过后燃烧。
第五章
内燃机工作过程系统布置图
第五章
三 滞燃期
滞燃期越长，则在滞
燃期内喷入燃烧室的燃料 就越多，在着火前形成的
可燃混合气就越多。这些
燃料在第2阶段中几乎一起 燃烧，使压力升高比和最
( )
第五章
由实测的示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：
1）瞬时放热速率——在燃烧过程的某一时刻，单位时间内 燃烧的燃油放出的热量
2）累积放热百分比——从燃烧过程开始至某一时刻止，已 燃燃油与循环供油量的比值。
第五章
图 直喷式柴油机的放热规律
图 自然吸气式车用柴油机的放热规律以及累计放热率的变化曲线 a）变负荷时的放热规律 b）变转速时的放热规律 c）变负荷时的累计放热率 d）变转速时的累计放热率
第五章
将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气 涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的 油膜。燃烧室壁温200~350℃，使壁面上的燃料在较低的 温度下蒸发，以控制燃料的裂解。从油束中分散出来的一 小部分燃料在炽热的空气中首先形成火核，然后靠此火核 点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量 热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合 气，保证迅速地燃烧。球形油膜燃烧室发动机工作柔和， 燃烧噪声小，排烟少，性能指标好。
第五章
第3阶段：

从压力急剧升高的终点(C点)到压力开始急剧下降的D点 为止，称为缓燃期(controlled pressure rise)。加强缓燃 期内空气运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近 迅速而完全燃烧有重要作用。
第4阶段：

从缓燃期的终点(D点)到燃料基本上完全燃烧时(E点)为
止，称为后燃期(burning on the expansion stroke)。后
7)过量空气系数较大。
浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，工作过程组织 的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间的合理配合。
第五章
二、深坑形燃烧室
(deep bowl combustion chambers)
(一)混合气形成特点
小型高速柴油机转速高，为了获得较好的性能指标，就 要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。于是出 现了有涡流的深坑形燃烧室。燃烧室基本上分成两个空间： 活塞中的燃烧室容积VK及活塞顶上的余隙容积V，采用 4~6孔喷油器，喷孔直径较大(0.35mm左右)。混合气形成一 方面利用喷雾，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合 气形成和燃烧。深坑形燃烧室利用进气涡流加强混合气的 形成，使空气利用率大大提高，一般a＝1.3~1.5，并保持 燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机 上获得广泛应用。
压力开始急剧升高时(B点)为止，这一段时间又称为滞燃
期。
第2阶段：

压力急剧上升的BC段，称为急燃期(rapid pressure rise)。
滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠 近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力
升高特别快。平均压力升高比不宜超过0.4MPa/º (CA)