第五章-柴油机混合气的形成与燃烧课件

1第五章第五章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧本章要求：本章要求：了解：柴油机有害排放物和燃烧噪声生成机理，了解：柴油机有害排放物和燃烧噪声生成机理，柴油机燃烧室的分类、特点。柴油机燃烧室的分类、特点。理解：影响燃烧的因素和改善措施。理解：影响燃烧的因素和改善措施。掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴油机的喷射与雾化。柴油机的喷射与雾化。2 柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：汽油机汽油机 柴油机柴油机混合方式：混合方式：着火燃烧：着火燃烧：进气涡流：进气涡流：缸外混合（少数缸内）缸外混合（少数缸内）缸内混合缸内混合 （混合时间长）（混合时间长）（混合时间短）（混合时间短）点燃、预混合燃烧点燃、预混合燃烧 压燃、扩散燃烧压燃、扩散燃烧 （着火时间、地点可控）（着火时间、地点可控）（着火时刻、地点不可控）（着火时刻、地点不可控）加速火焰传播加速火焰传播 促进燃油与空气混合促进燃油与空气混合 防止爆燃防止爆燃 加速燃烧加速燃烧3第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化指从喷油泵开始供油到喷油器停止喷油的全指从喷油泵开始供油到喷油器停止喷油的全过程。过程。包括：包括：喷射延迟、主喷和喷油结束喷射延迟、主喷和喷油结束三个阶段。三个阶段。一、喷射与雾化一、喷射与雾化 1 1、喷射过程：、喷射过程：柴油机的燃烧过程柴油机的燃烧过程取决于混合气的形成取决于混合气的形成，而后者又取，而后者又取决于决于燃料的喷射与雾化、缸内的气流运动和燃烧室的结构燃料的喷射与雾化、缸内的气流运动和燃烧室的结构。4 1 1）喷油延迟：）喷油延迟：从喷油从喷油泵柱塞关闭进油孔瞬间到喷泵柱塞关闭进油孔瞬间到喷油器针阀升起（喷油开始）。油器针阀升起（喷油开始）。供油提前角供油提前角G G喷油提前角喷油提前角P P喷油延迟角喷油延迟角=G G-P P 喷油延迟角随发动机转喷油延迟角随发动机转速的提高和高压油管长度增速的提高和高压油管长度增加而增大。加而增大。*思考：供油（或喷油）提前思考：供油（或喷油）提前角过大或过小会产生什么问题？角过大或过小会产生什么问题？5 2 2）主喷油：）主喷油：3 3）喷油结束：）喷油结束：从喷油器开从喷油器开始喷油到喷油器端压力开始始喷油到喷油器端压力开始急剧下降。急剧下降。持续时间取决于喷油泵持续时间取决于喷油泵柱塞的有效行程。柱塞的有效行程。从喷油器从喷油器端压力开始急剧下降到针阀端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油。落座停止喷油。由于喷油压力低，雾化由于喷油压力低，雾化差，希望断油迅速、彻底，差，希望断油迅速、彻底，以减少这一阶段的喷油量。以减少这一阶段的喷油量。62 2、供油规律和喷油规律：、供油规律和喷油规律：分别指供油速率和喷油速率随分别指供油速率和喷油速率随凸轮转角或时间的变化规律。凸轮转角或时间的变化规律。两者的特点：两者的特点：1 1）供油规律决定喷油规律；）供油规律决定喷油规律；2 2）喷油持续时间大于供油时间；）喷油持续时间大于供油时间；3 3）喷油时刻落后于供油时刻；）喷油时刻落后于供油时刻；4 4）循环喷油量少于循环供油量；）循环喷油量少于循环供油量；5 5）最大喷油速率低于最高供油速率；）最大喷油速率低于最高供油速率；6 6）喷油规律较供油规律明显畸变。）喷油规律较供油规律明显畸变。7 造成喷油规律与供油规律差异的主要原因：造成喷油规律与供油规律差异的主要原因：1 1）燃油的可压缩性：）燃油的可压缩性：2 2）压力波传递的滞后：）压力波传递的滞后：产生压力波并使循产生压力波并使循环供油量大于循环喷油量。环供油量大于循环喷油量。3 3）压力波动：）压力波动：喷油时刻落后于喷油时刻落后于供油时刻（高压油管越长、转速越高，落后供油时刻（高压油管越长、转速越高，落后角度越大）。角度越大）。造成喷油规律明显畸变。造成喷油规律明显畸变。4 4）高压容积变化（高压油管和两阀）：）高压容积变化（高压油管和两阀）：主要造成循环供油量大于循环喷油量。主要造成循环供油量大于循环喷油量。*思考：喷油规律的影响因素主要有那些？思考：喷油规律的影响因素主要有那些？（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）83 3、喷雾特性与雾化特性：、喷雾特性与雾化特性：燃油雾化：燃油雾化：指燃油喷入燃烧室后被破碎成细小液滴的指燃油喷入燃烧室后被破碎成细小液滴的过程过程（喷雾越细越好）（喷雾越细越好）。油束几何形状：油束几何形状：1 1）油束射程（贯穿距离）油束射程（贯穿距离）L L2 2）喷雾锥角）喷雾锥角或油束最大宽度或油束最大宽度B B 在喷油压力和喷孔不变的前提下，喷雾锥角在喷油压力和喷孔不变的前提下，喷雾锥角越大，越大，雾化好，但贯穿距离雾化好，但贯穿距离L L会相应减小。会相应减小。希望希望L L和和都要大都要大9 3 3）贯穿率：）贯穿率：指油束贯穿距离与喷孔轴线到燃烧室壁面指油束贯穿距离与喷孔轴线到燃烧室壁面距离的比值，即距离的比值，即L/RL/R。当贯穿率当贯穿率11时，时，会有部分燃油喷射到燃烧室壁面上，会有部分燃油喷射到燃烧室壁面上，故一故一般直喷式柴油机采用较小的贯穿率。般直喷式柴油机采用较小的贯穿率。10影响油束几何形状的主要因素：影响油束几何形状的主要因素：1 1）喷射压力）喷射压力2 2）喷油孔的长）喷油孔的长/径比径比3 3）介质反力）介质反力（取决于空气密度或压力）（取决于空气密度或压力）喷射压力增大，喷射压力增大，L L和和增大，雾化效果越好。增大，雾化效果越好。长长/径比增大，径比增大，L L增大而增大而减小。减小。压缩终了压力越大，压缩终了压力越大，增大（雾化好）但增大（雾化好）但L L减小。减小。11油束的雾化质量：油束的雾化质量：指油束中液滴的细度和均匀度。指油束中液滴的细度和均匀度。1 1）平均粒径：）平均粒径：2 2）索特粒径：）索特粒径：所有油粒直径的算术平均值。所有油粒直径的算术平均值。（无法表示不同油粒的分布情况）（无法表示不同油粒的分布情况）所有油粒总体积与总面积之比。所有油粒总体积与总面积之比。在循环供油量相同的情况下在循环供油量相同的情况下:SMD SMD值越小，雾化效果也就越好值越小，雾化效果也就越好;若若SMDSMD相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也就基本相同。就基本相同。123 3）粒径分布：）粒径分布：表示油粒大小及其分布。表示油粒大小及其分布。1-1-油粒细而均匀油粒细而均匀2-2-油粒粗细不均匀油粒粗细不均匀3-3-油粒粗但均匀油粒粗但均匀 粒径分布与喷射压力、粒径分布与喷射压力、喷射背压和喷孔直径有关。喷射背压和喷孔直径有关。134 4、不正常喷射：、不正常喷射：1 1）二次喷射：）二次喷射：喷油器针阀落喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次座后，在压力波动的影响下再次开启的喷油现象，开启的喷油现象，危害：危害：首先，喷射压力小，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增加首先，喷射压力小，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增加且易积碳而堵塞喷孔；且易积碳而堵塞喷孔；其次，在燃烧后期喷入，后燃严重，经济性下降且加重其次，在燃烧后期喷入，后燃严重，经济性下降且加重高温零件的热负荷。高温零件的热负荷。*思考：可采取那些措施避免二次喷射？思考：可采取那些措施避免二次喷射？（加大针阀弹簧刚度、增大减压容积和喷孔直径、减小高压油管直径和长度）（加大针阀弹簧刚度、增大减压容积和喷孔直径、减小高压油管直径和长度）二次喷射二次喷射易发生在高速、易发生在高速、大负荷工况下大负荷工况下。142 2）断续喷射：）断续喷射：喷油泵供油跟喷油泵供油跟不上喷油针阀流通截面上的出油不上喷油针阀流通截面上的出油量，而造成的针阀周期性的跳动。量，而造成的针阀周期性的跳动。危害：危害：加重针阀偶件的磨损。加重针阀偶件的磨损。*思考：可采取那些措施避免断续喷射？思考：可采取那些措施避免断续喷射？（加大供油速率（提高柱塞平均运动速度和直径，改善油泵凸轮型线）（加大供油速率（提高柱塞平均运动速度和直径，改善油泵凸轮型线）、减少针阀直径和喷孔直径）、减少针阀直径和喷孔直径）断续喷射断续喷射易发生在低速、小负荷区。易发生在低速、小负荷区。153 3）不规则喷射和隔次喷射：）不规则喷射和隔次喷射：由于供油量过小，造成每由于供油量过小，造成每循环供油量不均匀，甚至有些循环供油量不均匀，甚至有些循环不喷油的现象。循环不喷油的现象。危害：危害：使怠速工况不稳甚至停车（只能采用较高的怠速转速）。使怠速工况不稳甚至停车（只能采用较高的怠速转速）。*思考：可采取那些措施避免不规则喷射？思考：可采取那些措施避免不规则喷射？（加大柱塞直径，减小针阀弹簧刚度（加大柱塞直径，减小针阀弹簧刚度（慎用），（慎用），减少高压容积）减少高压容积）易发生在易发生在怠速工况下（或者喷油设备偶怠速工况下（或者喷油设备偶件过度磨损）。件过度磨损）。164 4）喷油器滴漏：）喷油器滴漏：喷射终了时，仍有燃油流出的现象；喷射终了时，仍有燃油流出的现象；危害：危害：由于是流出，雾化极差，易积碳和堵塞喷孔。由于是流出，雾化极差，易积碳和堵塞喷孔。*思考：可采取那些措施避免滴漏？思考：可采取那些措施避免滴漏？（增加针阀刚度，减小针阀压力室容积及喷孔面积，增大出油阀减压（增加针阀刚度，减小针阀压力室容积及喷孔面积，增大出油阀减压容积）容积）产生的原因：产生的原因：一是系统压力不能迅速下降，导致针阀落座速度慢；一是系统压力不能迅速下降，导致针阀落座速度慢；二是针阀下压力室容积过大，燃油受热膨胀后溢出；二是针阀下压力室容积过大，燃油受热膨胀后溢出；三是针阀偶件磨损造成漏油。三是针阀偶件磨损造成漏油。175 5）穴蚀：）穴蚀：是由于高压油路中油压低于燃油蒸汽压，产生气泡和是由于高压油路中油压低于燃油蒸汽压，产生气泡和气泡破裂所至。气泡破裂所至。严重危害系统的正常工作和使用寿命。严重危害系统的正常工作和使用寿命。减压阀减压速度过快或喷油孔面积过大。减压阀减压速度过快或喷油孔面积过大。因而可采取因而可采取减少减压容积和喷孔面积的方法来消除穴蚀（但要避免出减少减压容积和喷孔面积的方法来消除穴蚀（但要避免出现二次喷射）。现二次喷射）。产生的原因：产生的原因：18第第2 2节节 燃烧与放热燃烧与放热 1 1、着火落后期（滞燃期，、着火落后期（滞燃期，A-BA-B）一、柴油机燃烧过程一、柴油机燃烧过程 2 2、速燃期（急燃期，、速燃期（急燃期，B-CB-C）3 3、缓燃期（、缓燃期（C-DC-D）4 4、补燃期（后燃期，、补燃期（后燃期，D-ED-E）19 1 1、着火落后期（滞燃期，、着火落后期（滞燃期，A-BA-B）从燃油开始喷入燃烧室到开从燃油开始喷入燃烧室到开始着火燃烧始着火燃烧（压力线明显脱离纯（压力线明显脱离纯压缩线而急剧升高）压缩线而急剧升高）原因：原因：物理准备、化学准备物理准备、化学准备影响因素：影响因素：压缩比压缩比（压缩终了温度与压力）（压缩终了温度与压力）十六烷值十六烷值20 2 2、速燃期（急燃期，、速燃期（急燃期，B-CB-C）从开始着火燃烧到压力达到从开始着火燃烧到压力达到最高点最高点（最高爆发压力，通常喷（最高爆发压力，通常喷油在此阶段结束）油在此阶段结束）。特点：特点：着火落后期内形成的可燃混着火落后期内形成的可燃混合气在上止点附近多点着火迅速合气在上止点附近多点着火迅速燃烧。燃烧。21压力升高率的影响因素：压力升高率的影响因素：综合来讲，希望综合来讲，希望 不超不超过过0.4MPa0.4MPa。动力性动力性运转平稳性运转平稳性压力升高率对性能的影响：压力升高率对性能的影响：越大越大排放性排放性 越好越好越差越差越差越差 着火落后期内形成的可燃混着火落后期内形成的可燃混合气数量合气数量 *思考：如何控制压力升高率？思考：如何控制压力升高率？22 3 3、缓燃期（、缓燃期（C-DC-D）从压力最高点到温度最高点从压力最高点到温度最高点。特点：特点：1 1、大部分燃油在此期间燃烧大部分燃油在此期间燃烧（放热量占（放热量占70-80%70-80%），并），并出现循出现循环最高温度环最高温度T Tmaxmax=1600-2000=1600-2000；2 2、由于活塞于下行，、由于活塞于下行，作功效作功效率差；率差；3 3、燃烧产物多，氧浓度低，、燃烧产物多，氧浓度低，燃烧速度很慢；燃烧速度很慢；4 4、高温缺氧燃烧，、高温缺氧燃烧，是生成碳是生成碳烟的主要阶段。烟的主要阶段。23 如何改进缓燃期燃烧性能：如何改进缓燃期燃烧性能：从其特点来看，第从其特点来看，第1 1条是必然条是必然性的，只能着手于性的，只能着手于2 2、3 3、4 4条条。1 1、加快混合，缩短缓燃期燃烧、加快混合，缩短缓燃期燃烧时间；时间；2 2、采用大的过量空气系数、采用大的过量空气系数（1.21.2以上）。以上）。24 4 4、补燃期（后燃期，、补燃期（后燃期，D-ED-E）从温度最高点直到燃料基本燃从温度最高点直到燃料基本燃烧完。烧完。特点：特点：1 1、远离上止点放热，、远离上止点放热，排温高、排温高、热负荷严重热负荷严重（高速大负荷尤为严（高速大负荷尤为严重）；重）；2 2、部分碳烟等不完全燃烧产、部分碳烟等不完全燃烧产物在此期间被氧化。物在此期间被氧化。改进：改进：加速混合、缩短后燃期加速混合、缩短后燃期 25 二、燃烧过程中存在的问题二、燃烧过程中存在的问题混合时间短混合时间短+废气干扰废气干扰边喷、边混合、边烧边喷、边混合、边烧1 1、混合气形成困难，燃烧不完全、混合气形成困难，燃烧不完全改进措施：改进措施：加速空气运动加速空气运动 组织进气涡流、压缩涡流等组织进气涡流、压缩涡流等 采用大的过量空气系数（采用大的过量空气系数（1.21.2）在进气不变的情况下意味着少喷油，动力性下降，与在进气不变的情况下意味着少喷油，动力性下降，与提高动力性相矛盾。提高动力性相矛盾。26 速燃期压力升高率大，燃烧噪音大，运转稳定性差。速燃期压力升高率大，燃烧噪音大，运转稳定性差。2 2、燃烧噪音、运转稳定性、燃烧噪音、运转稳定性改进措施：改进措施：减少着火落后期内形成的可燃混合气数量减少着火落后期内形成的可燃混合气数量 缩短着火落后期缩短着火落后期 高压缩比（提高温度与压力）、高十六烷值高压缩比（提高温度与压力）、高十六烷值 减少着火落后期的喷油量减少着火落后期的喷油量 先缓后急的喷油模式先缓后急的喷油模式 但是通过降低压力升高率来控制燃烧噪音、改善运转但是通过降低压力升高率来控制燃烧噪音、改善运转稳定性的同时会降低最高爆发压力，使动力性下降。稳定性的同时会降低最高爆发压力，使动力性下降。27 三、燃烧放热规律三、燃烧放热规律 1 1、定义：、定义：燃烧放热快燃烧放热快 放热速率放热速率累计放热百分比累计放热百分比燃烧放热规律燃烧放热规律意义：意义：压力和温度升高快压力和温度升高快 因此，燃烧放热规律直接影响到柴油机的工作性能。因此，燃烧放热规律直接影响到柴油机的工作性能。放热规律的测定：放热规律的测定：28 （1 1）放热始点）放热始点燃烧放热规律燃烧放热规律 （在持续期和速率曲（在持续期和速率曲线不变的情况下）线不变的情况下）放热始点（起点）放热始点（起点）放热持续期放热持续期放热曲线形状放热曲线形状 始点提前：始点提前：放热规律三要素：放热规律三要素：压缩负功增大、热效率降低；压缩负功增大、热效率降低；始点推迟：始点推迟：压力升高率和最高爆发压力小，热效率低且压力升高率和最高爆发压力小，热效率低且后燃严重。后燃严重。2 2、理想放热规律、理想放热规律291 1）喷油提前角）喷油提前角放热始点的控制：放热始点的控制：通常是以最大功率和通常是以最大功率和最小油耗为目标。最小油耗为目标。燃烧放热规律燃烧放热规律2 2）着火落后期）着火落后期具体措施：具体措施：转速转速、负荷、负荷，相，相应提前角应加大。应提前角应加大。缩短着火落后期，以减少预喷油量。缩短着火落后期，以减少预喷油量。提高压缩终了的压力与温度提高压缩终了的压力与温度（增压柴油机噪音小的原因）（增压柴油机噪音小的原因）30 （2 2）放热持续期与放热曲线形状）放热持续期与放热曲线形状最高爆发压力、温度最高爆发压力、温度和压力升高率大和压力升高率大燃烧放热规律燃烧放热规律 动力性好、效率高动力性好、效率高但噪音、运转稳定性和排放性差但噪音、运转稳定性和排放性差 （在总放热量不变的（在总放热量不变的情况下）情况下）持续期越短、曲线越陡持续期越短、曲线越陡31放热持续期的控制：放热持续期的控制：1 1）喷油持续时间）喷油持续时间2 2）燃烧时间）燃烧时间混合快慢混合快慢加强汽缸内的空气运动加强汽缸内的空气运动放热曲线形状的影响：放热曲线形状的影响：放热先快后慢放热先快后慢放热规律对示功图的影响放热规律对示功图的影响放热先慢后快放热先慢后快效率高、但工作粗暴、效率高、但工作粗暴、NONOX X排放高排放高效率低、但工作柔和、排放好效率低、但工作柔和、排放好32第第3 3节节 混合气形成与燃烧混合气形成与燃烧 1 1、缸内形成、缸内形成 2 2、时间极短、时间极短 3 3、过量空气系数较大、过量空气系数较大 4 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：喷雾雾化喷雾雾化空气运动空气运动 燃烧室结构燃烧室结构加快混合气的形成是保证及时、完全燃烧加快混合气的形成是保证及时、完全燃烧（汽油机是提（汽油机是提高火焰传播速度）高火焰传播速度）混合气形成特点混合气形成特点:一、混合气形成特点一、混合气形成特点33二、混合气形成方式、混合气形成方式空间雾化混合空间雾化混合油膜蒸发混合油膜蒸发混合 1 1、空间雾化混合：、空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流进行混合。与空气涡流进行混合。混合效果主要取决于：混合效果主要取决于：喷雾特性、空气涡流喷雾特性、空气涡流空间雾化混合空间雾化混合涡流混合的作用：涡流混合的作用：过弱过弱混合效果差混合效果差过强过强使燃烧产物与使燃烧产物与邻近喷雾重叠邻近喷雾重叠a、促使油束分散、促使油束分散b、实现热力混合、实现热力混合34 空间雾化混合的特点：空间雾化混合的特点：优点：优点：喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、效率高。效率高。缺点：缺点：初期形成混合气过多，使压力、温度急剧上升，初期形成混合气过多，使压力、温度急剧上升，发动机工作粗暴（噪音大），发动机工作粗暴（噪音大），NOx排放高；排放高；若减少初期喷油若减少初期喷油量，将导致后期高温裂解严重，量，将导致后期高温裂解严重，碳烟增加。碳烟增加。2 2、油膜蒸发混合：、油膜蒸发混合：将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气的形式与空气涡流混合气的形式与空气涡流混合（一般用于球形（一般用于球形燃烧室）燃烧室）。混合效果取决于：混合效果取决于：燃烧室壁面温度、空气涡流燃烧室壁面温度、空气涡流油膜蒸发混合油膜蒸发混合混合快慢混合快慢取决于喷雾特性和空气涡流取决于喷雾特性和空气涡流35 油膜蒸发混合的特点：油膜蒸发混合的特点：优点：优点：初期形成混合气量少，初期形成混合气量少，发动机工作柔和、发动机工作柔和、NOx排排放少；放少；燃烧过程中，燃烧始终是蒸发后与空气混合，避免了燃烧过程中，燃烧始终是蒸发后与空气混合，避免了高温下油滴的裂解，高温下油滴的裂解，碳烟排放低。碳烟排放低。低温蒸发速度慢，低温蒸发速度慢，冷起动性能差；对工况变化的冷起动性能差；对工况变化的反映能力差；反映能力差；另外，对涡流变化敏感，且热效率也不及空间另外，对涡流变化敏感，且热效率也不及空间雾化混合方式。雾化混合方式。缺点：缺点：混合快慢混合快慢取决于燃烧室壁面温度和空气涡流取决于燃烧室壁面温度和空气涡流在在车车用用柴柴油油机机中中，通通常常是是上上述述两两种种方方式式共共存存，但但多多数数以以空间雾化混合为主。球形燃烧室以油膜蒸发混合方式为主。空间雾化混合为主。球形燃烧室以油膜蒸发混合方式为主。36三、缸内气流运动、缸内气流运动 1 1、涡流：、涡流：主要可分为：主要可分为：涡流、挤流、滚流和湍流。涡流、挤流、滚流和湍流。分分进气涡流进气涡流、压缩涡流压缩涡流和和燃烧涡流燃烧涡流三种。三种。（1 1）进气涡流：）进气涡流：在进气过程中在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的气流运动形成的绕气缸轴线旋转的气流运动（通常人为组织）（通常人为组织）。进气涡流进气涡流 涡流比涡流比 ：涡流转速与发动机转速之比涡流转速与发动机转速之比（用（用于衡量涡流强度）。于衡量涡流强度）。37切向气道切向气道螺旋进气道螺旋进气道 进气涡流的组织：进气涡流的组织：a a、切向进气道：、切向进气道：涡流比通常为涡流比通常为1-21-2，适用于对涡流强度，适用于对涡流强度要求不高的发动机；要求不高的发动机；但是：但是：进气涡流会进气涡流会增大进气阻力，降低进增大进气阻力，降低进气充量。气充量。b b、螺旋进气道：、螺旋进气道：涡流比为涡流比为2-42-4，适用于，适用于涡流强度要求较高的涡流强度要求较高的发动机。发动机。38 （2 2）压缩涡流：）压缩涡流：进气过程中进气过程中不组织涡流，而是在压缩过程中，不组织涡流，而是在压缩过程中，在涡流室内产生涡流运动在涡流室内产生涡流运动（会影响（会影响压缩功和热效率）。压缩功和热效率）。（3 3）燃烧涡流：）燃烧涡流：涡流室型燃涡流室型燃烧室，烧室，燃烧过程中由于压力差产燃烧过程中由于压力差产生的涡流生的涡流（会影响热效率）。（会影响热效率）。压缩涡流压缩涡流燃烧涡流燃烧涡流39 2 2、挤流：、挤流：压缩过程中，气压缩过程中，气缸内空气被挤入活塞顶部燃烧室缸内空气被挤入活塞顶部燃烧室凹坑而形成的挤压涡流运动。凹坑而形成的挤压涡流运动。3 3、滚流：、滚流：进气过程中形成的绕垂直于气进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线旋转的气流运动缸轴线旋转的气流运动（通常人为组织）。（通常人为组织）。进气滚流进气滚流由于气流会引起能量损失，且高速与由于气流会引起能量损失，且高速与低速时差异较大，难于精确控制，故低速时差异较大，难于精确控制，故现代柴现代柴油机倾向于高压直喷方向发展。油机倾向于高压直喷方向发展。40四、柴油机燃烧室、柴油机燃烧室 1 1、直喷式：、直喷式：开式（浅盆型）和半开式（开式（浅盆型）和半开式（型、球型）。型、球型）。（直喷式与分隔式）（直喷式与分隔式）（1 1）浅盆形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比）浅盆形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比0.70.7）浅浅形燃烧室形燃烧室混合气形成特点：混合气形成特点：优点：优点：空间雾化为主，故采用较多的喷孔数空间雾化为主，故采用较多的喷孔数（7-127-12）和较高的喷射压力；一般不组织进气涡流，要求贯和较高的喷射压力；一般不组织进气涡流，要求贯穿率穿率1。动力性、经济性和起动性好；动力性、经济性和起动性好；通常用于缸径较大、转速较低的发动机。通常用于缸径较大、转速较低的发动机。最高燃烧温度与压力高、工作最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、粗暴、NOxNOx和碳烟排放高和碳烟排放高。缺点：缺点：41 （2 2）形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比0.70.7）形燃烧室形燃烧室混合气形成特点：混合气形成特点：优点：优点：空间雾化混合为主，采用多孔喷嘴空间雾化混合为主，采用多孔喷嘴(4-6)(4-6)，组织一定进气涡流和挤流，以加速混合气的形成。，组织一定进气涡流和挤流，以加速混合气的形成。动力性、经济性和起动性好，动力性、经济性和起动性好，适合于高速柴油机需求；适合于高速柴油机需求；通常用于缸径为通常用于缸径为80-140mm80-140mm之间、转速之间、转速4500r/min4500r/min的发动机。的发动机。最高燃烧温度与压力高、工最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、作粗暴、NOxNOx和碳烟排放高，且对和碳烟排放高，且对转速变化敏感。转速变化敏感。缺点：缺点：42 （3 3）非回转体燃烧室）非回转体燃烧室结构特点：结构特点：燃烧室中特殊设计了一些边角和凹凸。燃烧室中特殊设计了一些边角和凹凸。43优点：优点：燃烧改善，燃烧改善，HC和和CO排放低，对转速变化不敏感。排放低，对转速变化不敏感。缺点：缺点：NOx排放较高，加工复杂，一些突出部位热负荷严重。排放较高，加工复杂，一些突出部位热负荷严重。44 （4 4）球形燃烧室）球形燃烧室球形燃烧室球形燃烧室混合气形成特点：混合气形成特点：优点：优点：油膜蒸发为主，需要强涡流保证均匀油膜蒸发为主，需要强涡流保证均匀而薄的油膜的形成而薄的油膜的形成（通常采用螺旋进气道加强进气涡流）（通常采用螺旋进气道加强进气涡流）。冷起动性差。冷起动性差。1 1、空气利用率高，可采用较、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数；小的过量空气系数；2 2、混合均匀，避免油滴高温、混合均匀，避免油滴高温裂解，故裂解，故碳烟排放低，动力性与碳烟排放低，动力性与经济性较好；经济性较好；3 3、工作工作柔和、柔和、NOxNOx排放低。排放低。缺点：缺点：451 1、燃烧迅速，经济性好；、燃烧迅速，经济性好；2 2、面容比小，散热损失小，冷起动性能好；、面容比小，散热损失小，冷起动性能好；3 3、对喷射系统要求较高；、对喷射系统要求较高；4 4、半开式对进气气流有较高要求；、半开式对进气气流有较高要求；5 5、变工况适应性差，对转速敏感、变工况适应性差，对转速敏感;6 6、NOxNOx和碳烟排放高；和碳烟排放高；7 7、压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴。、压力升高率大，燃烧噪声大，工作较粗暴。直喷式燃烧室特点：直喷式燃烧室特点：46 2 2、非直喷式（分隔式）：、非直喷式（分隔式）：涡流室燃烧室涡流室燃烧室预燃室燃烧室预燃室燃烧室 1 1、二次涡流或湍流（压缩和燃、二次涡流或湍流（压缩和燃烧）加速混合，抑制碳烟的生成；烧）加速混合，抑制碳烟的生成；4 4、对进气涡流和喷雾要求低；、对进气涡流和喷雾要求低；特点：特点：2 2、浓稀两段混合燃烧，抑制了、浓稀两段混合燃烧，抑制了NOxNOx的生成，且燃烧柔和，噪音小；的生成，且燃烧柔和，噪音小；3 3、散热与节流损失大，冷起动、散热与节流损失大，冷起动性与经济性差；性与经济性差；5 5、涡流室适合于高速柴油机；、涡流室适合于高速柴油机；6 6、空气利用率高，可采用较小的、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数。过量空气系数。47第第4 4节节 燃烧过程的优化燃烧过程的优化柴油机燃烧优化的难点：柴油机燃烧优化的难点：一、燃烧过程优化的基本原则一、燃烧过程优化的基本原则 1 1、动力性、经济性、运转稳定性（噪音）、排放性的、动力性、经济性、运转稳定性（噪音）、排放性的改善往往相互矛盾；改善往往相互矛盾；2 2、车用柴油机工作范围广泛，对油、车用柴油机工作范围广泛，对油-气气-燃烧室三者间燃烧室三者间的配合影响很大。的配合影响很大。燃油雾化、空气运动、燃烧室结构燃油雾化、空气运动、燃烧室结构48柴油机燃烧优化的一般原则：柴油机燃烧优化的一般原则：1 1、控制着火落后期内形成的混合气数量、控制着火落后期内形成的混合气数量 2 2、合理组织燃烧室气流运动、合理组织燃烧室气流运动 动力性、经济性与燃烧噪音、动力性、经济性与燃烧噪音、NOxNOx排放的折中排放的折中 加速混合与燃烧、避免局部过浓加速混合与燃烧、避免局部过浓充量降低、损失增大充量降低、损失增大 3 3、紧凑的燃烧室结构（、紧凑的燃烧室结构（F/VF/V要小）要小）减少散热、提高空气利用率减少散热、提高空气利用率减少余隙容积减少余隙容积49 4 4、运转参数的优化、运转参数的优化（喷油提前角、喷油规律喷油提前角、喷油规律、压缩比、压缩比、配气相位、增压比、配气相位、增压比、EGREGR率等）率等）喷油提前角喷油提前角 过大：过大：过小：过小：转速、负荷越大转速、负荷越大着火落后期长，工作粗暴、动力性、经济性和排着火落后期长，工作粗暴、动力性、经济性和排放性（放性（NOxNOx）变差；）变差；不能在上止点附近燃烧，动力性与经济性差、同不能在上止点附近燃烧，动力性与经济性差、同时碳烟排放高。时碳烟排放高。适当加大提前角适当加大提前角50 二、燃油喷射过程（喷油规律）的优化二、燃油喷射过程（喷油规律）的优化 放热规律对发动机性能的影响：放热规律对发动机性能的影响：51 理想的燃烧模式：理想的燃烧模式：初期放热速率要适中，降低燃烧噪音初期放热速率要适中，降低燃烧噪音并抑制并抑制NOxNOx的生成；中、后期燃烧要迅速（尤其要缩短补燃的生成；中、后期燃烧要迅速（尤其要缩短补燃期），确保动力性与经济性，同时降低碳烟生成。期），确保动力性与经济性，同时降低碳烟生成。喷油规律应满足：喷油规律应满足：速率不能太高，以便控制着火落后期内速率不能太高，以便控制着火落后期内混合气量，降低初期的放热速率；混合气量，降低初期的放热速率；（降低（降低NOxNOx和噪音）和噪音）喷油速率要高，以便缩短喷油时间，喷油速率要高，以便缩短喷油时间，加快燃烧；加快燃烧；（确保动力性与经济性，并降低碳烟）（确保动力性与经济性，并降低碳烟）1 1、喷油初期：、喷油初期：2 2、燃烧开始后：、燃烧开始后：断油要迅速，并防止不正常喷射；断油要迅速，并防止不正常喷射；（降低碳烟和油耗）（降低碳烟和油耗）3 3、喷油结束：、喷油结束：总的说来：总的说来：“先缓后急、断油迅速，防止不正常喷射。先缓后急、断油迅速，防止不正常喷射。”52 改善喷油规律（供油规律）的措施：改善喷油规律（供油规律）的措施：1 1、提高喷射压力、提高喷射压力 改善雾化、加速混合、改善雾化、加速混合、缩短着火落后期和燃烧持缩短着火落后期和燃烧持续时间。续时间。（高达（高达150-200MPa)150-200MPa)2 2、先缓后急的喷射、先缓后急的喷射 （1 1）采用凹弧凸轮代）采用凹弧凸轮代替切线凸轮；替切线凸轮；凹弧凸轮与切线凸轮供油规律对比凹弧凸轮与切线凸轮供油规律对比53 （2 2）采用双弹簧喷嘴结构）采用双弹簧喷嘴结构54 （3 3）采用预喷射和多段喷射）采用预喷射和多段喷射(高压共轨技术）高压共轨技术）高压共轨燃油喷射系统高压共轨燃油喷射系统551 1）预喷改善冷起动性预喷改善冷起动性2 2）先导喷射降低先导喷射降低NOxNOx和噪音和噪音3 3）主喷确保动力性与经济性主喷确保动力性与经济性4 4）后喷降低后喷降低NOxNOx的排放的排放 3 3、缩短或取消高压油管、缩短或取消高压油管 采用泵喷嘴结构或单体泵，降低高压容积引起的压力波采用泵喷嘴结构或单体泵，降低高压容积引起的压力波动，避免不规则喷射。动，避免不规则喷射。多段喷射示意多段喷射示意预喷预喷先导喷射先导喷射主喷主喷后喷后喷56 1 1、试论述柴油机燃烧过程中，压力升高率对柴油机性、试论述柴油机燃烧过程中，压力升高率对柴油机性能的影响。能的影响。复习思考题：复习思考题：2 2、简述柴油机混合气形成特点和方式。、简述柴油机混合气形成特点和方式。3 3、简述合适的柴油机燃烧放热规律。简述合适的柴油机燃烧放热规律。4 4、简述合适的柴油喷射规律简述合适的柴油喷射规律。5 5、燃油喷射中的不正常喷射主要有哪些？会产生哪些燃油喷射中的不正常喷射主要有哪些？会产生哪些危害？危害？6 6、简述直喷式燃烧室与分隔式燃烧的特点。简述直喷式燃烧室与分隔式燃烧的特点。