第六章柴油机混合气形成和燃烧

工质的做功能力： 燃烧期间工质质量m变化很小，故令
➢对工质的加热率：
dU md m uvd cT
dQ d dU d dW d
➢工质对活塞做功：
dW pdV
又pVmR, TRcp cv, kcp cv
➢燃烧后气缸压力变化率：
ddpkV1ddQkVpddV
dp/d (工质做功能力)，与燃烧规律和膨胀速率有关
度
/%
粒径分布
粒子直径/nm
高温：在预混合火焰温度2000~2400K范围内出现峰值； 在扩散火焰区缺氧
未氧化 PM。
T>2400K时：PM
实验结果
C原子不易凝聚；
已形成的碳烟氧化。
由
HC 向碳 烟的 转换 率
计算结果
急速加热到1700K以上时，聚乙炔及碳蒸 汽成为中间产物而生成碳烟
➢危害：致癌物；大气可见度
燃烧温度/K
火焰温度 Tf/K
当量比
气缸压力 p/MPa
➢PM生成特点：
4
8
3
6
2
4
1
2
0
0
1.5 15
1.0
10
0.5
5
碳烟生成过程早于NO的生 成
Tf
采样位置
2400 x
2200
p
x=29
z
y=0
2000
z=0
1800
Soot
燃烧初期生成 中期和后期氧化；
NOx PM排量 碳烟生成后被氧化80程0度
➢
凡是改善蒸发雾化条件均使 i
➢ 2、速燃期：压力脱离压缩线~最高压力点pz
➢ 在 i内形成的可燃混合气同时燃烧 预混合燃烧
➢ 特点：p、T ，pz 13MPa以上，影响NOx
➢
评价粗暴程度：平均压力升高率
➢ 影响因素： i内形成的可燃混合气量 i内喷入量
ppcc pbb0.4~0.5MP /a
3、缓燃期：最高压力点~最高温度点 喷射过程结束，边喷边燃烧 扩散燃烧阶段； 主要影响碳烟排放。
§6-2 燃烧过程
一、燃烧阶段的划分 由示功图分为四个阶段： 1、着火延迟期（ i） ：喷油开始~压力脱离压缩线； 混合气形成的物理过程： 喷雾 分散 蒸发 汽化 混合 化学过程：局部可燃混合气先期化学反应 自燃。
i ，dp/d ，粗暴，NOx
➢ 影响因素：燃料的十六烷值 ， i ；
➢
温度、压力 ， i ；
➢ 快速NO生成条件：浓混合气 燃烧火焰带内>化学平衡浓度的O、OH等活性中心为主的中间生成物、 燃料中的碳和氢生成的碳氢化合物，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应的结果 。
➢ 热力NO是在火焰下游区产生；
➢ 快速NO是在火焰带前急速生成，对温度依赖性小，与混合气浓度直接相关，快速NO的生成速度比热 力NO快。
d d d
工质 吸热率
dU dW dQW
d d d
放热率
瞬时累计放热百分 比
累计放热率x： 从燃烧过程开始至任一时刻为止燃烧所放出的累积 热量与每循环燃料燃烧总热量之比。
影响因素：燃烧室结构，及其内部气流状态；
喷射方式——高压喷射，先导喷射等
xQ 1 B
2 dQ Bd
QB0 gbHu 1 d
600
CO CO2
400
200
NO/10-6
Soot 摩尔分数/% CO.CO2 摩尔分数/%
0
0
-20
TDC
20
40
曲轴转角/°CA
0 60
因此，组织好扩散燃烧，是控制碳烟的有效措施。 一般，加速碳烟氧化的措施，使NOx 。
➢PM控制的基本原理：由PM和NOx形成领域， ➢ 控制火焰领域内混合气的浓度和温度。
特点：p,气缸V 散热损失，排温； 热效率
尽可能减小补燃期
二、燃烧放热规律： 放热速率随时间（曲轴转角）变化规律； 组织燃烧过程的关键 影响性能、排放。 瞬时放热率：燃烧过程中任一时刻，单位时间内（每度曲轴转角）燃烧所放出的热量。
由能量守恒律和热一定律 ：
放热率 dQB dQ dQW 传热率
第六章柴油机混合气形成和燃烧
§6-1 柴油机能量转换特点
柴油机以，循环热效率。 混合气形成和燃烧特点： 混合气形成时间极短； 混合气空间时间分布极不均匀； 燃料喷射过程和燃烧过程同时存在。 质调节：输出功，喷油量 ；喷射期间，散热损失；反之极短时间内快速喷射燃烧粗暴; 发动机性能放热功率喷油规律混合气形成
微粒
燃料分子
空气分子 中间产物
不完全燃烧
微粒核
碳核的形成 凝集+表面生长
粒子状 微粒
生成锁状、结合 +表面生长
➢ 生成条件：高温缺氧；
➢ 缺氧：空燃比为5.25~5.65的比较浓的狭窄范围；
➢
接近火焰 高温缺氧；
➢
部分氧化和热分解
➢
生成各种低级不饱和烃类
➢
脱氢、聚合成碳核(2nm)
粒子 数相 对频
控制燃烧过程 放热规律的三要素：
燃烧始点 喷射时刻；
放热规律曲线形状 喷射规律；
燃烧持续时间 扩散速率
➢燃烧室内部气流特性，和燃料喷射方式的优化匹配是控制柴油机燃烧放热规律的主要手段。
三、柴油机的有害排放物和振动噪声 CO和HC的生成机理与汽油机相同，但 a>1，缝隙激冷效应小，故其排放小。 柴油机有害排放物：NOx, PM, 且二者矛盾。 CO2 1) NOx的生成机理: 根据燃料及其混合气形成方式分为： 热力NO(Themal NO)和快速NO（Prompt NO） 热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间 汽油机
➢ 危害：1）与HC一起产生光化学烟雾——植物枯死
➢
2）破坏地球大气层（O3层）
2）碳烟的生成机理
1．碳烟的生成过程
碳烟：可溶性有机成分（SOF）和不可溶成分；
由燃烧时生成的含碳粒子
及其表面上吸附的多种有
机物组成。
生成过程：
高温环境下 热分解形成
低级碳氢化合物 没有与空气
分子
再接触的部分最终变成微粒。
➢具体措施： ➢ 促进碳烟的氧化过程 组织燃烧室内的气流运动， 促进紊流混合； ➢促进喷雾的量比 局部过量空气系数
PCCI 燃烧域
传统燃烧域 NOx 生成领域
温度 /K
图 7-5 柴油机 NOx 和微粒生成领域
四、柴油机排放控制策略 抑制与混合燃烧过程 NOx，促进扩散燃烧 PM
特点：空气量减少，燃烧产物 ，活塞 ，燃烧缓慢 不均匀混合气的燃烧 空燃比偏大，才有可能 完全燃烧 空气利用率低 ，PL，比重量<汽油机。
影响因素：混合气形成速度 燃料与空气的扩散速度 燃烧室内气流特性及强度 燃烧室。
4、补燃期：Tmax~基本燃烧完 释放总放热量的95%~99%时，补燃期结束。 燃烧时间短促，混合气不均匀； 膨胀中燃烧后燃； 高速大负荷时严重。