柴油机混合气形成与燃烧

第五章 柴油机混合气形成与燃烧,第一节 柴油的使用性能 第二节 柴油机燃烧过程 第三节 柴油的喷射与雾化 第四节 混合气形成与燃烧室 第五节 使用因素对柴油机燃烧的影响,第一节 柴油的使用性能,1、十六烷值 是评定柴油自燃性好坏的指标。 评定：用容易自燃的十六烷（十六值为100）和最不容易自燃的-甲基萘（十六值为0）按不同比例混合组成标准燃料组（混合液），将被测定柴油在相同条件下与标准燃料进行燃烧比较，标准燃料组中十六烷的体积百分数就是被测柴油的十六值。,国产柴油的十六烷值一般为40-50，不必要过分增大。,十六烷值高，发火性好，工作平稳； 十六烷值过高，燃烧易劣化，析出碳，排气冒烟。,2、馏程,表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度及 起动性能有密切关系。 燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成，易于起动。 90%和95%溜出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。,3. 粘度,是燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性。 直接影响燃料的喷雾质量雾化性。粘度越大，雾化后油滴颗粒越大。 柴油机喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件都是靠燃油自润滑，所以柴油应具有一定的粘度。,4、流动性,用凝固点表示。凝固点燃油失去流动性达到凝固的温度。 国产轻柴油按凝固点不同，分为10、0、-10、 -20、35五级，其凝固点分别不高于10、0、10、-20和-35。 轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。 选用柴油时，应按最低环境温度高出凝固点5以上，如-20柴油适用于最低环境温度为15以下的场合。,三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响,第二节 柴油机燃烧过程,一、柴油机的着火 在压缩行程后期，当活塞达到上止点前，燃料在高压下以高速（200-300m/s）喷入高温（450-5500C）、高压（3-4MPa）的空气中，与空气快速混合形成可燃混合气，但燃料并不能立即着火。 可燃混合气着火燃烧的条件： 1）可燃混合气必须加热到某一着火温度（临界温度）以上，否则，不能着火； 2）燃料与空气的比例要在着火界限范围内。若过浓与过稀且超过着火界限范围，就不能着火。,柴油机气缸内燃料的着火情况非常复杂,位于油束外围直径很小的油滴，在很短的时间内蒸发完毕，虽可以形成适当浓度的混合气区域，但因温度不够或化学准备来不及而不能着火。 着火首先发生在油束核心与外围之间混合气温度和浓度适当的地方。 着火火源一般不止一个，而是多处同时着火。,二、柴油机燃烧过程,一般根据展开的示功图进 行分析，如右图。 图中：横坐标表示曲轴转角； 纵坐标表示气缸压力。 根据气缸中工质压力和 温度的变化规律，人为地 划分为4个阶段。,1）着火延迟期（滞燃期）（A-B点）,从喷油开始点A到压力开始急剧升高（燃烧开始的标志）点B。 此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度（可达400800），但喷入气缸内的柴油并不马上着火。需要进行燃烧准备： 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）。 作用：形成发火源（一处或多处着火），保证II期燃烧能在燃烧室内扩展。,着火延迟期,以秒计的着火延迟期用i 表示； 以曲轴转角计的着火延迟期用i 表示； 一般i =0.7-3ms；i = 8 -12。 尽管着火延迟期i 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。 着火延迟期内存在问题： 混合时间短， 缸内空气、燃油混合不均匀。 目前，采用1，改善燃烧，使燃油尽可能完全燃烧。,2）速燃期（B-C点）,从压力开始急剧升高点B到最大燃烧压力点C。 该时期短意味着更接近混合加热过程中的等容过程。 特点：混合气燃烧速度很快，接近等容燃烧，缸内温度、压力急剧上升。 压力升高率 ： 表示柴油机工作的平稳性 ， 冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命； ， 做功不利，柴油机性能。,存在问题：工作粗暴（燃烧噪音）,的大小主要决定于着火延迟期的长短及该期内形成的可燃混合气数量，控制着火延迟期的长短是改善柴油机燃烧过程的主要手段。 速燃期进行好坏的标志是：柴油机工作是否平稳柔和，而工作是否平稳柔和则取决于上一时期积存油量的多少，因而，着火延迟期的长短与速燃期工作好坏有重要关系。,3）缓燃期（C-点）,从最大燃烧压力点C到最高燃烧温度点D。 该时期短意味着更接近混合加热过程中的等压过程。 特点：燃烧产物增多，燃烧速度，缸内压力变化不大，放热量达70-80%。某些缺氧区域出现不完全燃烧，造成污染物。 存在问题：不断喷入气缸的燃油与空气混合不充分，导致燃烧不完全。 强化燃烧后期喷入气缸的燃油与空气的混合成为关键。,4）补燃期（点-燃烧过程基本结束）,期内未燃尽的混合气继续燃烧。 特点：因活塞已远离上止点，缸内压力低，该期燃烧热量利用率低，散热损失。 特别在高速、高负荷时由于过量空气少，混合气形成困难，燃烧时间短，补燃。 补燃期， ， ，动力性，冷却水温度，排气温度，排放污染物 。,柴油机的补燃比汽油机要严重的多，希望补燃越少越好。,存在问题： 补燃太严重，如何缩短直至消灭补燃？ 措施： 加强燃烧室内气流活动，改善混合气形成； 减少缓燃期内的喷油量。,柴油机与汽油机相比主要有如下特点,柴油机、汽油机燃烧过程的对比,柴油机与汽油机燃烧过程主要特点对比,汽油机、柴油机燃烧过程的主要区别,三、影响着火延迟期的因素,1、压缩温度和压力直接影响因素 Pc，Tc i。 凡是能促使压缩末期温度、压力上升的因素，均可使i，如增大压缩比，增大进气温度等。 2、压缩比 Pc ， Tc i 。,3、喷油提前角 影响最大的因素,喷油提前角对i的影响实际上是温度、压力和反应物反应时间对着火延迟期的综合影响。 虽然喷油时的压力较高，但着火时刻推迟，使燃烧，Pc ，Tc i ； 所以，应有一个使i为最小的。一般：=5-10degCA。,4、转速n,n漏气、散热损失 Pc，Tc； 喷油压力雾化；气流运动蒸发； 混合气形成好转 i。 但n 着火延迟角 。 5、燃油品质 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i。,四、燃烧放热规律,瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系。它决定了气缸中压力变化过程。 由喷油规律和实测示功图，经计算机计算而得。,瞬时放热速率:,在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内（或1曲轴转角内）燃烧的燃油所放出的热量。 累积放热百分比: 从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。,燃烧放热规律三要素：,1）放热始点 对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力都有重大影响。 2）放热规律曲线形状 决定了前后放热量的比例，对噪声、振动和有害排放量都有很大影响。 3）燃烧持续期 对有害排放量有较大影响。,不同发动机的燃烧放热规律,燃烧放热规律影响柴油机的性能，对了解、分析和改进燃烧过程有着特别重要的作用。,理想的燃烧放热规律及控制,1）放热始点要求使最高压力出现在上止点后10-15曲轴转角。可通过喷油提前角变化及着火延迟期长短进行控制。 2）理想放热曲线形状是“前缓后急”。通过喷油、气流、燃烧室协调来控制。 3）燃烧持续期不宜太长。取决于喷油延迟角的大小、扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。,五、柴油机的有害排放物,微粒 氮氧化合物（NOx） 一氧化碳（CO） 碳氢化合物（HC） 白烟与蓝烟,六、柴油机的噪声振动,气体动力噪声 机械噪声 燃烧噪声,第三节 柴油的喷射与雾化,一、柴油机供油系统 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）。 主要装置 燃油供给装置：柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、喷油器等。 空气供给装置：空气滤清器、进气管道。 混合气形成装置：燃烧室。 废气排出装置：排气管道、消音器。,二、燃油喷射过程,1.喷油泵供油系的主要元件之一 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。 形式：普遍采用柱塞 式喷油泵。,柱塞泵工作过程： 进油压油回油,压油过程：柱塞1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。 回油过程：当压油室通过柱塞斜槽与回油口相同，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。 进油过程：柱塞1下行与进油口接通时，回油停止，重新进油。,柱塞有效行程,等于柱塞完全关闭进、回油口到回油口与柱塞斜槽接通的一段行程。 每循环的供油量决定于柱塞有效行程。 转动柱塞，可以改变柱塞有效行程，从而改变循环的供油量,2.喷油泵速度特性及其校正,喷油泵速度特性：喷油泵油量控制机构（齿条或拉杆）位置固定，每循环供油量随转速n的变化关系。 曲线如此变化的原因： n节流作用循环供油时间循环供油量b。,对车用发动机的适应性,车用：希望nbTtq（例如：低速大负荷工况）。 而喷油泵速度特性：nbTtq。 因此，喷油泵速度 特性并不适合于车用， 必须进行校正。,油量校正的目的：,当柴油机在全负荷工况下工作，转速因短时期负荷增加而下降时，喷油泵能自动每循环供油量b，以增大低速时的输出扭矩。,泵管嘴喷射系统模型,主要包括凸轮、柱塞、等压出油阀、高压油管、针阀、压力室和喷嘴。,3、喷射过程,从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程。 整个喷射过程可以 分为三个阶段：即 1喷射延迟阶段； 2主喷射阶段； 3喷射结束阶段。,4. 供油规律和喷油规律,供油规律是单位时间内喷油泵的供油量随时间的变化关系。 喷油规律则是单位时间内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间的变化关系。,供油规律和喷油规律不一致的原因,燃油的可压缩性； 高压油管的弹性变形； 压力波的往复反射和叠加。 三种因素导致柴油机供油规律和喷油规律不一致。,5、异常喷射现象,1）二次喷射,高压油管内压力波引起。 喷射时间雾化不良，燃烧不完全，补燃严重，排污，炭烟，零件过热。 2）滴油现象 在喷油器针阀密封正常情况下，喷射终了时由于系统内的压力下降使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油滴出的现象。 难以雾化；易生成积炭并使喷孔堵塞。,3）断续喷射,进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。 喷油时间正常，但针阀运动次数，喷油嘴易磨损。 4）隔次喷射 低速、尤其是怠速时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。 怠速运转不稳定。,喷射系统中的穴蚀破坏,穴蚀：主要是指在工程机械上因为长久的工程使用，造成机械上的外层脱落而形成的，形成的麻点状和针状小孔的小洞。 柴油机喷射系统的穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。 产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。 穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。,三、燃油的雾化和油束特性,燃油的雾化：燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小液滴的过程。 雾化可以大大增加蒸发表面积，加速吸热和汽化过程。 可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。 不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的要求有所不同。,油束几何形状,主要包括油束射程（又称为贯穿距离）L和喷雾锥角或油束的最大宽度B。 影响油束几何形状的主要因素有： 喷射压力 喷油器喷孔的长径比 空气与燃油密度比,油束雾化质量,油束的雾化质量一般是指油束中液滴的细度和均匀度。 细度可以用液滴平均直径来表示。 均匀度是指油束中液滴大小相同的程度以及液滴在油束内分布的均匀程度。,对燃油喷射系统的基本要求,1）在各种工况下能避免出现不利的异常喷射现象； 2）能产生足够高的喷油压力，以保证燃油良好的雾化混合燃烧，包括雾化质量（喷雾细度及均匀性）和空间分布； 3）实现所要求的喷油功率，以保证合理的燃烧放热规律和良好的综合性能； 4）可以根据不同转速和负荷的要求，在最佳喷油时刻，精确提供所需燃油量； 5）在强化喷射系统时，保证零部件的工作可靠性和使用寿命，降低振动和噪声。,第四节 混合气形成与燃烧室,一、柴油机混合气形成 是指燃料喷入气缸至着火及燃烧的整个阶段中所发生的破碎、雾化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程。 由于柴油的蒸发性差，不得不采用高压喷射的方法，即在压缩行程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气。 混合气的形成与燃烧重叠进行，即边喷油，边混合，边燃烧。,柴油机混合气形成的两个特点,与汽油机相比 1）在气缸内部混合； 2）混合时间短。 柴油机可燃混合气的品质较汽油机差。 为使喷入气缸内的柴油尽可能完全燃烧，柴油机不得不采用较大的过量空气系数。,柴油机混合气形成主要依靠3方面作用,燃料喷雾； 空气运动，缸内组织必要的气流运动； 与燃烧室形状良好的配合。 即油、气、室三者间的合理配合。,1.形成混合气的 两种基本方式,1）空间雾化混合方式 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： 对燃料喷雾要求高（采用多孔喷嘴）燃烧易于完全，经济性好。 对气流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。 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速 ， ，工作粗暴。,2）油膜蒸发混合方式,该方式是将绝大部分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（约5%）分布在燃烧室空间，与空气混合而首先着火。 着火后燃烧室温度迅速升高，使燃烧室壁面上的油膜在强烈气流作用下，以越来越快的速度蒸发并与空气混合形成均匀混合气。 燃烧景象：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：, 对燃料喷雾要求不高（采用单、双孔喷嘴），对空气运动要求高。 放热先缓后急 ， 工作柔和，噪声小，经济性较好。 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。,2、气流运动,作用：加速油气混合。,气流运动形式,1）进气涡流 使进气气流相对于气缸中心产生 一个力，形成涡流。 （1）切向气道 特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小 。 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。,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，气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。 涡流运动对混合气形成的作用： 促进油束分散，加速油气混合。,3、燃烧涡流,二、柴油机燃烧室,1、直喷式燃烧室 结构特点：位于活塞顶部，具有统一空间的燃烧室。有开式、半开式之分。 开式：中、大型，中、低速船舶、发电用柴油机上采用。 不组织进气涡流，空间雾化型混合气蒸发方式。 半开式：中、小型，中、高速车用柴油机上广泛采用。 有型、球型、复合式（U型）。根据需要组织一定强度的进气涡流。,型燃烧室（6135Q柴油机等采用）,活塞顶上挖一呈型的凹坑。 工作情况： 空气：进气过程：依靠螺旋气道形成进气涡流； 压缩过程：接近压缩上止点部分压缩空气形成挤流。 燃油：多孔喷油器：将大部分燃料均匀地以雾状分布在燃烧室空间；很少量喷射至壁面。 着火：油气主要在空间混合并着火。,主要特点,优点： 结构紧凑，散热面积小，热效率高，经济性好； 较低，易启动； 缸盖结构简单，热变形小。 缺点 对燃料喷雾要求较高； Pz较高，工作粗暴； 较大，对n变化较敏感； 排气污染大，主要是NOx含量高。,球型燃烧室,活塞顶上挖一较深且呈 半球型的凹坑。 工作情况： 空气：进气过程：依靠螺旋气道形成强烈的进气涡流； 压缩过程：接近压缩终了助以挤流。 燃油：二孔喷油器：将大部分燃料顺气流方向喷向燃烧室壁面均；少量喷向燃烧室空间。 着火：分散在空气中的油粒先着火，使壁面油膜受热蒸发并被强烈气流卷走，从而实现快速完全燃烧。,主要特点,优点： 轻声无烟，工作柔和，噪声小； 值较小，空气利用率高，经济性好； 能使用多种燃料。 缺点： 冷启动困难，低速性能差； 低负荷排烟大； 对螺旋气道要求严格，带来制造、工艺上的困难。,2、分隔式燃烧室,结构特点：整个燃烧室分隔成两个空间，主燃烧室设于活塞顶部，副燃烧室位于气缸盖内，中间用通道连接。 有涡流室型与预燃室型两种。,1）涡流室式燃烧室 小型高速车用柴油机采用。,工作情况： 空气：压缩过程中副室内形成强烈的有组织的涡流运动，涡流强度与n有关； 燃油：顺涡流方向喷入副室； 着火：副室先着火，P、T后以高速冲入主室，再次在主室凹槽内形成二次涡流。,主要特点,优点： 有强烈的涡流运动，混合气质量较高， 值较小 对喷油系统要求不高，故障较少； 高速性能比较好，对n变化不敏感（广泛用于小型高速柴油机上）。 缺点： 散热损失大，经济性差； 要求较高（=20左右），冷启动困难； 缸盖、缸体结构变得复杂。,2）预燃室型： 小、中、大型，中、高速车用柴油机采用。,工作情况： 空气：压缩过程中副室内形成强烈的无组织的涡流运动（紊流）； 燃油：喷入副室及喷孔（通道）附近； 着火：副室先着火，因主副室通道强烈的节流作用，副室内油气以高速冲入主室，再次在主室凹槽内形成燃烧涡流。,主要特点,优点： 主室内Pz较低， 低，工作柔和；能在低 值无烟燃烧； 对喷油系统要求不高（因主室内形成燃烧涡流； 对喷油时刻、燃油品种变化不敏感，易于维护。 缺点： 流动损失、散热损失大，经济性差； 要求较高（=20左右），冷启动困难； 喷油器工作在高温下易损坏； 缸盖、缸体结构变得复杂。,三、不同燃烧室的比较与选用,三、不同燃烧室的比较与选用（续表）,第五节 使用因素对汽油机燃烧的影响,一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合 柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往相互之间是矛盾的。十全十美的配合方案不存在。 只能在燃油喷射、气流运动、燃烧室形状之间根据具体情况有所侧重，寻求一个折中方案。,二、使用因素对燃烧过程的影响,1、负荷（质调节） 负荷增加，循环供油量增大， ，单位容积混合气燃烧放出的热量增加，缸内T，Ti,有利于防止工作粗暴。 负荷，需要适当加大供油提前角。 在中小负荷工况，随循环供油量加大，燃烧过程延长，经济性；在超负荷，燃烧恶化，排气冒黑烟，油耗。,2、转速,n，散热损失和活塞环漏气损失，使压缩终了的T、P，也使喷油压力，雾化改善 以秒计的着火延迟期缩短，以曲轴转角计的着火延迟期视燃烧室具体结构而变。 n过高，使充气效率， ，热效率。,3、供油提前角,过大、过小对燃烧都不利，希望在每一工况下都处于最佳供油提前角状态。 4、燃油品质 十六烷值保持在40-50之间比较合适。,5、废气再循环（EGR）,将一部分已燃的废气 再次引入燃烧室参与燃烧。 优点：降低燃烧过程中工 质的温度，控制NOx的生成，降低NOx的排放； 缺点：因，对完全、及时燃烧产生影响，也使排烟，经济性。,