汽车发动机原理第6章燃烧过程及混合气形成教学课件

一汽油机燃烧过程 一般将汽油机燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明显燃烧期、后燃期。1着火落后期 由火花塞跳火的A点到气缸压力线脱离压缩线的B点所界定的时期称为着火落后期，其长短用着火落后时间i或着火落后角i来表示。电火花在上止点前ig角（点火提前角）跳火，可燃混合气按高温单阶段方式着火后，经过一个阶段形成稳定的火核。此时，压力和温度升高，缸内气体压力开始脱离压缩压力线，这标志着火落后期结束。一般i约为10-20。形成火核的时间往往在B点之前，但在实际中难以测定，因此一般都以B点作为确定着火落后期的标志。也有的资料中以燃烧放热量的1%-10%内的某一数值着火落后期的标 准，可见它是一个工程概念。若能保证汽油机正常工作，着火落后期的长短对汽油机性能影响不大，这一点与柴油机不同，因为汽油机性能主要取决于何时着火而不是何时点火。对着火落后期的要求主要是要稳定并尽可能短。稳定是指每循环中的i长短不要离散过大，这就使B点的位置相对稳定，由此使最高燃烧压力pmax所对应的角度相对稳定，发动机循环波动率（见后述）不致于过大。所谓i尽可能短是因为，过长会使i的大小不稳定。考虑到pmax出现在上止点稍后为最佳时刻，一般使B点出现在上止点前12-15 较为合适。2明显燃烧期 由B点到C点的期间称为明显燃烧期，在此期间，火焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉。随燃烧的进行，缸内温度和压力很快升高，并达到最高燃烧压力pmax，一般将pmax作为明显燃烧期的终点。pmax及压力升高率dp/d是与发动机性能密切相关的两个燃烧特性参数。汽油机的最高燃烧压力pmax一般小于5.0MPa。pmax高，一般会使循环热效率和循环功增加，但机械负荷及热负荷也会随之增加。pmax出现的时间也非常重要，一般希望pmax出现在上止点后10 15。出现过早，则混合气着火必然过早，引起压缩过程负功增加；过晚则预膨比上升，等容度下降，循环热效率下降，同时散热损失也上升，如图6-2所示。如前所述，pmax出现的位置可用点火提前角ig来控制。压力升高率dp/d在实际中往往有两种表示方式，一种是最大压力升高率（dp/d）max；另一种是平均压力升高率dp/d ，其定义为dp/d =（pc-pb）/（c-b）（6-1）压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标。压力升高率越高，则燃烧等容度越高，这对动力性和经济性是有益的；但会使燃烧噪声及振动增加，同时也是氮氧化物增高的重要原因（见后述）。一般汽油机的平均压力升高率为dp/d=0.20.4MPa/（），也有资料上推荐最佳范围为dp/d=0.170.25MPa/（），这时综合性能比较好。3后燃期 由C点到D点的期间称为后燃期。在C点时，火焰前锋面已传播到燃烧室壁面，整个燃烧室被火焰充满。由于90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合气；另外，高温裂解产生的CO，HO等成分，在膨胀过程中随温度下降又部分化合而放出热量。由于燃烧放热速率下降，加之气体膨胀作功，使缸内压力很快下降。为保证高的循环热效率和循环功，应使后燃期尽可能短。一般要求整个燃烧持续期在40-60CA。二柴油机燃烧 过程 柴油机的燃烧过程要比汽油机复杂的多，往往要同时借助于实测的示功图和燃烧放热率曲线进行分析。如图6-3所示，柴油机的燃烧过程可分为4个时期，即着火落后期（滞燃期）、速燃期、缓燃期和后燃期（分别对应图中1、2、3、4阶段）。1着火落后期（滞燃期）图6-3中由喷油始点A到气缸压力线与压缩线脱离点B对应的时期称为着火落后期，或称滞燃期。随压缩过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高，在上止点附近气体温度高达600以上，高于燃料在当时压力下的自燃温度。在A点被喷入气缸的柴油，经历一系列复杂的物理化学过程，这包括雾化、蒸发、扩散、与空气混合等物理准备阶段，以及低温多阶段着火的化学准备阶段，在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处，多点同时着火，随着火区域的扩展，缸内压力和温度升高，并脱离压缩线。与汽油机相同，实际着火点应该在B点之前，用燃烧放热速率曲线或高速摄影等方法可以更精确地判定着火点。如图6-3所示，由于柴油汽化吸热，造成在着火前dQB/d曲线出现负值，一旦开始燃烧放热，dQB/d很快由负变正。因此可以取dQB/d明显上升前第1个极小值点，或dQB/d=0点作为着火点，这在曲线上比示功图的B点容易判定。一般柴油机的着火落后角i=8 12，着火落后时间i=0.73ms。与汽油机不同的是，柴油机着火落后期长短会明显影响滞燃期内喷油量和预制混合气量的多少，从而影响柴油机的燃烧特性、动力经济性、排改特性以及噪声振动，必须精确控制。2速燃期 由B点开始的压力急剧上升的BC段，称为速燃期，C点是燃烧放热率变缓的突变点。由于在着火落后期内作好燃前准备的非均质预混合气多点大面积同时着火，而且是在活塞靠近上止点时气缸容积较小的情况下发生，因此气体温度、压力及 dp/d都急剧升高，燃烧放热速率dQB/d 很快达到最高值。dp/d的大小对柴油机性能有至关重要的影响，一般柴油机dp/d=0.20.6 MPa/（），直喷式柴油机的较大，约为dp/d=0.40.6 MPa/（）。从提高动力性和经济性的角度，希望dp/d大一些为好，但dp/d过大会使柴油机工作粗暴；噪声明显增加；运动零部件受到过大冲击载荷，寿命缩短；过急的压力升高会导致温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加。为兼顾柴油机运转平稳性，dp/d不宜超过0.4 MPa/（）；而为了抑制氮氧化物的生成，dp/d还应更低。与汽油机不同的是，柴油机dp/d 的大小主要取决于着火落后期内形成的可燃混合气的多少，而可燃混合气的生成量要受着火落后期内喷射燃料量的多少、着火落后期的长短、燃料的蒸发混合速度、空气运动、燃烧室形状和燃料物化特性等多种因素的影响。图6-4是各种非增压直喷高速柴油机的（dp/d ）max和pmax与滞燃期的关系，两者均随滞燃期的增长而线性增长。以后的章节中我们将经常讨论dp/d 和pmax的控制问题。由于在速燃期参与燃烧的主要是在着火落后期内形成的可燃混合气，因此也称这一时期为“预混合燃烧”阶段。值得指出的是，这种预混合气体是在极短时间内形成的，实际是一种非均质预混合气，即第5章中所介绍的油滴群的燃烧，与汽油机的均质预制混合气燃烧并不完全相同。随着大量在着火落后期内生成的可燃混合气燃烧殆尽，燃烧放热速率暂时降至较低水平，出现图6-3中曲线上的谷点C，以此作为速燃期和预混合燃烧阶段的结束点要比示功图上的C点容易判断。速燃期中，累积放热率可达20-30%。3缓燃期 由C点到出现最高燃烧压力的D点，称为缓燃期。在此期间，参与燃烧的是速燃期内未燃烧的燃料和缓燃期内喷入的燃料。特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，边以高温单阶段方式着火参与燃烧。由于汽缸内温度的急剧升高，蒸发混合速度明显加快，加之后续喷油速率的上升，使放热速率dQB/d 再次加速，出现柴油机燃烧特有的“双峰”现象。这一阶段燃烧放热速率的大小取决于油气相互扩散混合速度，因此也称为扩散燃烧阶段或可控燃烧阶段。可以说，dQB/d 曲线的双峰，第1个峰对应预混合燃烧阶段，而第2个峰则对应扩散燃烧阶段。但小负荷时由于喷油量少并在着火落后期内就停止，往往并不出现“双峰”现象。柴油机的最高燃烧压力pmax一般为5-9MPa，增压柴油机有可能大于10MPa。同汽油机一样，一般希望pmax出现在上止点后1015 ，这样可以获得较好的动力性和经济性。但与汽油机不同的是，C点的位置不仅取决于喷油提前角fj，也取决于着火落后期和速燃期的长短。缓燃期结束时，累积放热率可达80%左右，燃气温度可达1700-2000。一般要求缓燃期不要过长，否则会使等容度下降，后膨比上升，循环热效率下降。即缓燃期不要缓燃，而应越快越好。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速率。4后燃期 从缓燃期终点D到燃料基本燃烧完毕（累计放热率X95%）的E点称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，拖到膨胀期间继续燃烧，特别是在高负荷时，过量空气少，后燃现象比较严重。后燃期内的燃烧放热，由于远离上止点进行，热量不能有效利用，并增加了散热损失，使柴油机经济性下降。此外，后燃还增加了活塞组的热负荷以及使排气温度升高。因此，应尽量缩短后燃期，减少后燃所占的百分比。柴油机燃烧时，空气是过量的，只是混合不匀造成局部缺氧。因此，加强缸内气体运动，可以加速后燃期的混合气形成和燃烧速度，而且会使碳烟及不完全燃烧成分加速氧化。三合理的燃烧放热规律 图6-3 上已示出实测的柴油机放热规律。汽油机放热规律变化不大，对性能的影响也不如柴油机那样多样和明显，所以一般文献资料中讨论柴油机放热规律居多。1放热规律三要素 指的是燃烧放热始点（相位）、放热持续时期和放热率曲线的形状三个要素。放热规律始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心（指放热率曲线包围的面心）距上止点的位置。如前所述，这一因素对循环热效率、压力升高率和燃烧最大压力都有重大影响。放热持续时期的长短，一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比值大小的反映。显然这是决定循环热效率的一个极为关键的因素。对有害排放量也有较大的影响。放热规律的形状决定了前后放热量的比例，对噪声（dp/d ）、振动和排放量都有很大的影响。在放热始点和循环喷油量不变条件下，形状的变化，既影响放热曲线面心的位置，也影响放热持续期的长短，间接对循环热效率等性能指标产生影响。2.理想的燃烧放热规律及其控制(1)放热始点的要求及控制 无论汽油机还是柴油机，都希望放热始点的位置能保证最大燃烧压力pmax出现在上止点后1015 。为此汽油机通过点火提前角ig，柴油机通过喷油提前角inj的变化以及着火落后期长短来加以调控。由于各工况的着火落后期不相同，所以每个工况都有其最佳的ig角或inj角。图6-5是任一工况的ig或inj角对动力、经济性指标Pe、be的影响曲线。最佳角度条件下，能获得最大Pe和最小be值。此曲线叫做点火提前角或喷油提前角的调节特性线。1）汽油机的点火提前规律 对于汽油机，最佳ig角将随转速的上升而加大，称为转速提前；而又随进气管真空度的上升（负荷下降）而加大，称为真空提前。图6-6 表示了最佳ig在n及负荷变化时的变化规律。这是因为，在节气门开度不变时，各个转速的着火落后期均变化不大。但转速上升后，相同落后期所占的转角将正比增加，于是高转速时的着火落后角显著加大。为保证最大压力点相位大致不变，必定要加大ig角。在转速不变时，随着节气门的减小，进气管真空度上升，残余废气系数r将加大，使得燃烧速度下降。这样，着火落后期和燃烧持续期都加大，就要求点火提前以保证加热中心接近上止点位置。化油器式汽油机设有机械的转速和真空提前装置来保证上述要求。电控汽油喷射机型则直接靠点火提前角的MAP图来加以精确控制。2）柴油机的喷油提前规律 柴油机要求转速及负荷都提前。转速提前的原因与汽油机类似，即油量调节杆位置不变时，高转速的着火落后角要比低转速大得多；再加上喷油持续角和相应的燃烧持续角也都加大（这是喷油特性所决定的），所以要求转速提前。但是转速不变喷油量加多时，主要由于喷油持续角的加大也要求适当提前。这一点与汽油机负荷减小时的真空提前正好相反。传统的车用柴油机一般都装有自动喷油提前器来完成转速提前的功能。因负荷提前量较小，一般未予控制。电控柴油机则可通过提前角的MAP图进行二者的精确控制。3）柴油机着火落后期（滞燃期）的影响因素 柴油机虽然可通过fj的调控而达到合理的着火位置，但同时也要求尽可能缩短着火落后期以减少滞燃期中的予喷油量。通过大量试验，总结出滞燃期i的半经验公式(6-1)由公式(6-1)可知，缩短滞燃期的主要因素是提高喷油初期燃烧室中的温度与压力。一般直喷式柴油机i=0.7ms3ms，车用柴油机则在1ms 左右；非直喷柴油机i=0.6ms1.5ms则。车用增压柴油机由于进气温度提高，致使压缩终了温度也增加，结果i缩短到0.4ms1.0ms，这是它dp/d下降、噪声降低的主要原因。选择喷油始点的位置也十分重要。喷油始点若在上止点前不远，则缸内温度及压力均达压缩冲程的较大值，此时i 会减小。喷油过早，i 会上升，再加上放热中心向前移，会使噪声大大增加；喷油过晚，虽然i也会上升，但因放热中心后移，总的使噪声下降。（2）放热持续期的要求及控制 放热持续期原则上是越短越好。汽油机一般为4050，柴油机一般小于5060。对于汽油机，放热持续期主要取决于火焰传播速度和火花塞到燃烧室最远点的燃烧距离两大因素。火焰传播速度取决于燃料及可燃混合气特性、燃烧室中层流或湍流的气流特性以及燃烧室中残余废气系数r等影响燃速的因素。后者则主要取决于燃烧室几何形状、火花塞位置等结构因素。掌握这一思路，就可以分析各个参数的具体影响，后文中会多处提到。对于柴油机，放热持续期首先取决于喷油持续角的大小，这是显而易见的。喷油时间愈长则扩散燃烧时期愈长。其次取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。喷油再快，混合气形成跟不上也不能缩短燃烧时间；混合气形成不完善就会拖延后燃时间。以上两个环节又受诸多因素的影响，将在后面有关燃油喷射和混合气形成一节详加叙述。（3）放热规律曲线形状的影响及控制 放热规律形状的影响比较复杂，为便于定性分析，一般假定四种柴油机简单的放热率图形，见图6-7，并据此计算出各自的示功图a、b、c和d曲线。图中，假定四种放热规律都在上止点开始放热，放热总量相同，持续期均为40。曲线a的放热形状初期放热多，dp/d值最大，pcmax达8MPa。此时的循环热效率为it为52.9%，是四种方案中的最高值。曲线d的放热形状则相反，放热速率前缓后急，dp/d和pcmax都最低，it也最小为45.4%。这种形状对降低噪声、振动和NOx排放有明显效果。曲线b和c则介于二者之间。实际发动机的放热率形状取决于不同的机型、不同的燃烧和混合气形成方式以及对性能的具体要求。在一定条件下，可采取一定措施加以调控。汽油机一般具有类似图6-7曲线d的形放热率形状。这是由球状的火焰传播特点所决定的。燃烧初期，燃烧速度、范围及压力、温度都较小，放热率低；燃烧中、后期，锋面球面积扩大，温度和压力也累聚上升，故放热率加大。具体放热率形状还受燃烧室形状的影响，这在后文燃烧室的介绍中将加以说明。汽油机放热率的这一特点决定了它的噪声、振动小，燃烧最大压力低等一系列特性。实际汽油机由于持续期比柴油机短，所以图6-7 d 例中it虽低，并不能成为热效率比柴油机低的原因。直喷式柴油机两阶段燃烧的特点，决定了它的放热率曲线更接近图6-7 a 曲线形状。因而噪声、振动大，爆发压力高，同时对it也较有利。为了改进直喷式柴油机放热率曲线所引起的不利影响，应通过喷油气流燃烧室的相互协调来加以改变和控制。例如近代在喷油系统中作了若干努力，在不增长喷油持续期的前提下尽可能降低初期喷油率。由于初期喷油量的减少，使放热率的第一个峰值下降，和pcmax都相应降低。有关柴油机“油气室”三结合改善性能的内容将在后文中多处提及。总之，为了兼顾发动机的各种性能，合理的燃烧过程应作到：着火点位置要适宜；燃烧持续期不过长；放热率曲线宜先缓后急。对于柴油机则更具体为：滞燃期要缩短；速燃期不过急；缓燃期要加快；后燃期不过长。四柴油机与汽油机燃烧过程的对比 表6-1中列出了柴油机与汽油机燃烧过程主要特点对比，这些差别导致了在动力性、经济性、排放特性等各种性能方面的差别。第二节第二节柴油机燃油喷射及混合气形成原理柴油机燃油喷射及混合气形成原理 柴柴油油机机的的燃燃烧烧速速度度取取决决于于混混合合气气形形成成速速度度，混混合合气气形形成成要要经经历历燃燃料料喷喷射射-雾雾化化-汽汽化化-混混合合复复杂杂的的过过程程，还还有有燃燃烧烧中中的的再再混混合合问问题题。这这个个过过程程并并不不是是越越急急越越好好，而而应应根根据据动动力力、经经济济、排排放放以以及及噪噪声声振振动动等性能的要求，对其进行合理的控制。等性能的要求，对其进行合理的控制。这这种种控控制制是是通通过过对对燃燃油油喷喷射射系系统统、进进气气系系统统、燃燃烧烧室室以以及及三三者者之间的合理之间的合理匹配匹配进行的。进行的。一喷油系统与喷油特性一喷油系统与喷油特性1喷油系统喷油系统1927年年，德德国国Bosch公公司司开开始始生生产产以以螺螺旋旋槽槽柱柱塞塞旋旋转转方方式式调调节节供供油油量量的的机机械械式式喷喷油油泵泵，工工作作原原理理一一直直沿沿用用至至今今。典典型型的的柴柴油油机机供供油系统核心部分是由喷油泵、喷油器和高压油路油系统核心部分是由喷油泵、喷油器和高压油路，又称为喷油系统。，又称为喷油系统。对喷油系统的要求是：对喷油系统的要求是：1）能能产产生生足足够够高高的的喷喷油油压压力力、以以保保证证燃燃料料良良好好的的雾雾化化混混合合燃燃烧烧，这包括雾化质量（喷雾粒度及均匀性）和空间分布；这包括雾化质量（喷雾粒度及均匀性）和空间分布；2）实实现现所所要要求求的的喷喷油油规规律律，以以保保证证合合理理的的燃燃烧烧放放热热规规律律和和良良好好的综合性能；的综合性能；3）精精确确控控制制每每循循环环的的喷喷油油量量，且且各各缸缸间间的的喷喷油油量量和和喷喷油油时时间间相相同，即达到均量、均时的要求；同，即达到均量、均时的要求；4）在各种工况下）在各种工况下避免出现异常喷射避免出现异常喷射现象。现象。2喷油泵喷油泵常常见见的的柴柴油油机机喷喷油油泵泵：柱柱塞塞式式直直列列泵泵和和转转子子分分配配泵泵两两类类。直直列列泵泵包包括括直直列列多多缸缸泵泵、单单体体泵泵和和泵泵喷喷咀咀系系统统，多多用用于于大大、中中型型车车用用柴柴油油机机上上（图图6-9）。转转子子式式分分配配泵泵系系统统有有端端面面凸凸轮轮驱驱动动的的VE泵泵系系统统（图图6-10）和和内内凸凸轮轮驱驱动动的的径径向向对对置置柱柱塞塞系系统统，多多用用于于轿轿车车和和轻轻型型车用柴油机。车用柴油机。与与直直列列泵泵相相比比，分分配配泵泵具具有有结结构构紧紧凑凑、体体积积小小、重重量量轻轻、能能在在高高转转速速下下工工作作的的优优点点，但但难难以以达达到到较较高高的的供供油油压压力力，并并且且对对燃燃油油质质量要求较高。量要求较高。近代柴油机电控燃油喷射技术的发展中，开发了一种与常规柱近代柴油机电控燃油喷射技术的发展中，开发了一种与常规柱塞脉动喷油原理不同的塞脉动喷油原理不同的共轨（共轨（CommonRail）喷油系统）喷油系统，将在第三，将在第三篇中加以介绍。篇中加以介绍。3喷油器喷油器喷油器可分为喷油器可分为孔式喷油器和轴针式喷油器孔式喷油器和轴针式喷油器两类。两类。孔孔式式喷喷油油器器一一般般用用于于直直喷喷式式燃燃烧烧室室，喷喷孔孔的的数数目目、孔孔径径及及喷喷射射角角度度等等设设计计参参数数要要视视具具体体的的燃燃烧烧室室形形状状和和空空气气运运动动而而定定。一一般般针针阀阀升程为升程为0.20.45mm;对对D150mm、较较强强进进气气涡涡流流的的直直喷喷式式燃燃烧烧室室，喷喷孔孔数数为为45，孔孔径径为为0.20.4mm；而而对对较较大大缸缸径径并并不不组组织织进进气气涡涡流流的的直直喷喷式式燃燃烧烧室室，喷喷孔孔数数为为612个个。孔孔径径过过小小，则则加加工工困困难难，并并容容易易引引起起积积炭炭堵堵塞。塞。轴轴针针式式喷喷油油器器一一般般用用于于非非直直喷喷式式燃燃烧烧室室，有有标标准准轴轴针针式式（StandardPintleNozzle）和和节节流流轴轴针针式式（ThrottlePintleNozzle）两两种种。通通过过针针阀阀头头部部在在喷喷孔孔内内的的上上下下运运动动，可可起起到到防防止止积积炭炭堵堵塞塞的的自自洁洁作作用用。轴轴针针式式喷喷油油器器的的孔孔径径一一般般为为0.81.5mm，针针阀阀升升程程为为0.41.0mm。喷孔流通截面积喷孔流通截面积与针阀升程的关系称与针阀升程的关系称为喷油器的流通特性。为喷油器的流通特性。4燃油喷射过程燃油喷射过程图图6-12表表示示燃燃油油喷喷射射过过程程中中喷喷油油泵泵端端压压力力pH、喷喷油油器器端端压压力力pn以以及及针针阀阀升升程程h的的变变化化过过程程。整整个个过过程程一一般般分分为为:喷喷射射延延迟迟阶阶段段、主主喷喷射射阶阶段段和和喷喷射射结结束阶段。束阶段。5供油规律与喷油规律供油规律与喷油规律单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量称为角供油速率（或供油速率）。油量称为角供油速率（或供油速率）。单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量称为角喷油速率（或喷油速率）。量称为角喷油速率（或喷油速率）。qp、qn分分别表示到别表示到 c（或（或t）时刻为止的循环供油量或喷油量。时刻为止的循环供油量或喷油量。图图6-15给给出出了了供供油油规规律律和和喷喷油油规规律律的的图图形形。供供油油规规律律可可由由凸凸轮轮和柱塞的几何尺寸计算出，也称几何供油规律。和柱塞的几何尺寸计算出，也称几何供油规律。喷油规律虽然由供油规律决定，但两者之间存在明显不同：喷油规律虽然由供油规律决定，但两者之间存在明显不同：（1）始点一般差别）始点一般差别812度；度；（2）喷油持续时间较供油持续时间长；）喷油持续时间较供油持续时间长；（3）最大喷油速率较最大供油速率低，其形状有明显畸变；）最大喷油速率较最大供油速率低，其形状有明显畸变；（4）循环喷油量也低于循环供油量。）循环喷油量也低于循环供油量。两两者者的的差差别别主主要要起起因因于于：燃燃油油的的可可压压缩缩性性、压压力力波波传传播播滞滞后后、压力波动、高压容积变化。压力波动、高压容积变化。喷油规律一直是柴油机燃烧和性能优化中的重要内容。常用的喷油规律一直是柴油机燃烧和性能优化中的重要内容。常用的试验测定方法有压力升程法和试验测定方法有压力升程法和Bosch（波许）长管法。（波许）长管法。6异常喷射现象异常喷射现象喷喷油油系系统统内内的的压压力力高高变变化化快快，喷喷油油峰峰值值压压力力往往往往高高达达数数十十甚甚至至100MPa以以上上，而而谷谷值值压压力力由由于于出出油油阀阀减减压压容容积积的的作作用用往往往往低低至至零零甚甚至至出出现现真真空空。由由此此容容易易造造成成二二次次喷喷射射、断断续续喷喷射射、隔隔次次喷喷射射以以及及穴蚀等异常喷射现象的出现。穴蚀等异常喷射现象的出现。为避免异常喷射现象：为避免异常喷射现象：（1）应尽可能缩短高压油管长度，减小高压容积，以降缓压力波应尽可能缩短高压油管长度，减小高压容积，以降缓压力波动；动；（2）合理选择喷油系统的参数合理选择喷油系统的参数，如喷油泵柱塞直径、凸轮型线、，如喷油泵柱塞直径、凸轮型线、出油阀结构及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径及壁厚、喷油出油阀结构及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径及壁厚、喷油器喷孔尺寸、喷油器开启压力等。器喷孔尺寸、喷油器开启压力等。二内燃机缸内气流运动二内燃机缸内气流运动内内燃燃机机缸缸内内的的气气流流运运动动形形式式：涡涡流流、挤挤流流、滚滚流流等等形形式式，被被分分别或组合应用于不同的燃烧系统。别或组合应用于不同的燃烧系统。1涡流涡流缸缸内内的的涡涡流流运运动动一一直直是是柴柴油油机机混混合合气气形形成成的的主主要要手手段段，但但近近年年来来，汽汽油油机机为为实实现现稀稀薄薄燃燃烧烧也也开开始始应应用用涡涡流流。可可分分为为进进气气涡涡流流和和压压缩缩涡涡流流。涡涡流流转转速速与与发发动动机机转转速速之之比比称称为为涡涡流流比比，作作为为衡衡量量涡涡流流强度的指标。强度的指标。1）进气涡流进气涡流在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动，称为进气涡流。内燃机中进气涡流的产生方法一般有为进气涡流。内燃机中进气涡流的产生方法一般有4种，即导气屏、种，即导气屏、切向气道、螺旋气道及组合进气系统。图切向气道、螺旋气道及组合进气系统。图617给出了不同涡流产给出了不同涡流产生方法的气门口速度分布。生方法的气门口速度分布。导导气气屏屏设设置置在在进进气气门门上上，通通过过改改变变导导气气屏屏的的包包角角和和安安装装位位置置（角角度度），可可调调节节涡涡流流强强度度，涡涡流流比比04，但但阻阻力力最最大大，一一般般用于少数汽油机和试验研究用发动机。用于少数汽油机和试验研究用发动机。切切向向气气道道形形状状简简单单，涡涡流流比比12，适适用用于于对对涡涡流流强强度度要要求求不高的发动机。不高的发动机。螺螺旋旋气气道道的的形形状状最最复复杂杂，涡涡流流比比24，同同样样涡涡流流比比时时的的进进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。组组合合式式进进气气系系统统，是是指指在在2个个进进气气门门的的发发动动机机上上，采采用用不不同同类类型或不同角度的两个进气道，以组合所需要的涡流和流速分布。型或不同角度的两个进气道，以组合所需要的涡流和流速分布。进进气气涡涡流流在在压压缩缩过过程程中中，一一边边旋旋转转一一边边被被挤挤入入燃燃烧烧室室凹凹坑坑。设设进进气气涡涡流流比比和和压压缩缩终终点点时时燃燃烧烧室室凹凹坑坑内内的的涡涡流流比比分分别别为为和和c，根根据动量关系，则有式（据动量关系，则有式（63）。）。2）压压缩缩涡涡流流：在在涡涡流流式式燃燃烧烧室室中中，而而在在压压缩缩过过程程中中由由主主燃燃烧烧室室经经连连通通道道进进入入涡涡流流室室时时，形形成成强强烈烈的的压压缩缩涡涡流流。虽虽然然这这种种产产生生涡涡流流的的方方式式不不会会带带来来进进气气阻阻力力增增大大和和进进气气充充量量下下降降，但但形形成成压压缩缩涡涡流流时时会会伴随着不同程度的能量的损失，而使循环热效率降低。伴随着不同程度的能量的损失，而使循环热效率降低。2挤流挤流挤挤流流也也是是一一种种有有效效的的缸缸内内气气体体运运动动，如如图图6-19所所示示。挤挤流流强强度度取取决决于于燃燃烧烧室室凹凹坑坑喉喉口口直直径径Dk与与活活塞塞直直径径之之比比，以以及及活活塞塞顶顶间间隙隙S0。Dk和和S0越小，则挤流强度越大。越小，则挤流强度越大。3滚流滚流在在进进气气过过程程中中形形成成的的绕绕垂垂直直于于气气缸缸轴轴线线的的有有组组织织的的空空气气旋旋流流称称为为滚滚流流（Tumble），也也称称为为纵纵涡涡或或横轴涡流横轴涡流。三柴油机的混合气形成方式三柴油机的混合气形成方式柴柴油油机机的的混混合合气气形形成成方方式式可可分分为为两两大大类类，即即空空间间雾雾化化混混合合与与壁壁面面油油膜膜蒸发混合。蒸发混合。1空间雾化混合空间雾化混合将将燃燃油油喷喷射射到到空空间间进进行行雾雾化化，通通过过燃燃油油与与空空气气之之间间的的相相互互运运动动和和扩扩散散，在空间形成可燃混合气的方式称为空间雾化混合。在空间形成可燃混合气的方式称为空间雾化混合。1）常用的空间雾化混合方式）常用的空间雾化混合方式直直喷喷式式柴柴油油机机中中的的混混合合气气形形成成方方式式如如图图6-21所所示示，是是一一种种“油油找找气气”的的混合方式。由于无进气涡流，进气充量较高，但混合气浓度分布不均匀。混合方式。由于无进气涡流，进气充量较高，但混合气浓度分布不均匀。图图6-21b则则表表示示油油和和气气相相互互运运动动的的混混合合气气形形成成方方法法。涡涡流流强强度度与与喷喷油油射束的匹配是十分重要的。射束的匹配是十分重要的。在在非非直直喷喷式式燃燃烧烧室室中中，尽尽管管也也是是空空间间混混合合方方式式，但但采采用用的的是是两两段段混混合合方法。方法。近近年年来来出出现现的的撞撞击击喷喷射射（将将燃燃油油高高速速喷喷向向壁壁面面产产生生撞撞击击）基基本本也也是是一一种种空空间间混混合合方方式式，通通过过喷喷油油射射束束对对不不同同形形状状壁壁面面的的撞撞击击和和反反弹弹，使使油油束束的的分布范围扩大，在涡流的作用下，快速形成混合气。分布范围扩大，在涡流的作用下，快速形成混合气。2）热混合现象）热混合现象在在此此旋旋流流场场中中运运动动的的质质点点，将将受受到到离离心心力力、压压差差引引起起的的向向心心推推力力、以以及及气气流流对对质质点点运运动动的的粘粘性性阻阻力力的的综综合合作作用用。由由于于液液体体油油粒粒或或燃燃油油蒸蒸气气的的密密度度比比空空气气大大，离离心心力力将将起起主主要要作作用用，呈呈向向外外运运动动的的趋趋势势；已已燃燃气气体体的的密密度度比比空空气气小小，向向心心推推力力将将起起主主要要作作用用，呈呈向向内内运运动动趋趋势势。这这种种由由于于在在旋旋转转气气流流中中已已燃燃气气体体向向燃燃烧烧室室中中心心运运动动、而而未未燃燃燃燃料料和和新新鲜鲜空空气气向向外外周周运运动动，由由此此促促进进空空气气与与燃燃料料混混合合的的现现象象称称为为热热混混合合现现象象。对对于于有有强强烈烈空空气气涡涡流流运运动动的的燃燃烧烧过过程程进进行行的的高高速速摄摄影表明，影表明，火焰是呈螺旋状向内卷吸运动火焰是呈螺旋状向内卷吸运动。相相反反，若若燃燃油油过过分分集集中中在在燃燃烧烧室室中中心心区区域域（如如喷喷油油贯贯穿穿率率不不足足），由由于于该该区区域域切切向向速速度度小小（离离心心力力小小）难难以以使使燃燃油油粒粒子子被被抛抛向向周周边边区区域域与与新新鲜鲜空空气气混混合合，同同时时又又被被已已燃燃气气体体包包围围，致致使使火火焰焰被被“锁锁定定”在中心区域，造成燃烧不完全。这种现象称为在中心区域，造成燃烧不完全。这种现象称为热锁现象热锁现象。2壁面油膜蒸发混合壁面油膜蒸发混合以以球球形形燃燃烧烧室室：燃燃油油沿沿壁壁面面顺顺气气流流喷喷射射，在在强强烈烈的的涡涡流流作作用用下下，在在燃燃烧烧室室壁壁面面上上形形成成一一层层很很薄薄的的油油膜膜。在在较较低低的的燃燃烧烧室室壁壁温温控控制制下下，形形成成少少量量可可燃燃混混合合气气；着着火火后后，使使混混合合气气形形成成速速度度和和燃燃烧烧速速度度加加速。速。强烈的涡流还产生了强烈的涡流还产生了上述热混合作用，加强已上述热混合作用，加强已燃气体与未燃气体的分离，燃气体与未燃气体的分离，使新鲜空气向壁面运动，使新鲜空气向壁面运动，与燃油蒸气混合燃烧；而与燃油蒸气混合燃烧；而已燃气体向燃烧室中心集已燃气体向燃烧室中心集中，以脱离燃烧区域。中，以脱离燃烧区域。3两种混合方式的对比两种混合方式的对比表表6-2列出了空间雾化混合和油膜蒸发混合的特点及列出了空间雾化混合和油膜蒸发混合的特点及对比。在空间雾化混合中，燃油的喷雾特对比。在空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决性对混合起决定性的作用。在滞燃期内形成大量的可燃气，造成初期放定性的作用。在滞燃期内形成大量的可燃气，造成初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOX排放高。但如排放高。但如果减小滞燃期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着果减小滞燃期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成碳火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成碳烟。因此，烟。因此，空间雾化混合方式尽管有较好高的热效率，但空间雾化混合方式尽管有较好高的热效率，但碳烟、碳烟、NOX和燃烧噪声均较高和燃烧噪声均较高。油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面和空气旋流起了主要作用。合气生成速率，燃烧室壁面和空气旋流起了主要作用。第三节第三节汽油机理想混合气特性及其制备原理汽油机理想混合气特性及其制备原理为为满满足足汽汽油油机机动动力力、经经济济性性的的要要求求，不不同同工工况况时时应应使使用用不不同同浓浓度度的的混混合合气气。满满足足这这一一要要求求的的混混合合气气过过量量空空气气系系数数a随随工工况况参参数数转转速速n和和负负荷荷Pe的的变变化化关关系系，就就是是汽汽油油机机的的理理想想混混合合气气特特性性。汽汽油油机机混合气的制备都是以满足这一基本要求为前提进行的。混合气的制备都是以满足这一基本要求为前提进行的。汽汽油油机机混混合合气气的的形形成成方方式式主主要要有有化化油油器器式式和和汽汽油油喷喷射射式式两两大大类类型型。后后者者又又有有进进气气管管喷喷射射（包包括括气气门门口口的的多多点点喷喷射射和和进进气气总总管管中中的的单点喷射）和缸内直接喷射之分。单点喷射）和缸内直接喷射之分。本节不涉及汽油机缸内直喷，负荷质调节的那一类系统。本节不涉及汽油机缸内直喷，负荷质调节的那一类系统。一理想混合气特性一理想混合气特性1、功功率率混混合合气气与与经经济济混合气混合气2、理想混合气的要求、理想混合气的要求（1）经经济济混混合合气气及及功功率混合气特性线率混合气特性线（2）理想负荷特性线）理想负荷特性线二混合气制备原理二混合气制备原理传传统统化化油油器器和和电电控控汽汽油油喷喷射射系系统统制制备备混混合合气气的的原原理理有有很很大大的的差差别别。化化油油器器则则是是利利用用喉喉管管处处进进气气气气流流真真空空度度引引射射汽汽油油的的方方法法进进行行混混合气制备。合气制备。Thank 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