柴油机燃烧-燃烧过程课件

第八章机械与车辆工程学院机械与车辆工程学院BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY北京理工大学北京理工大学柴油机燃烧7/25/20241本章内容本章内容（重点章节）（重点章节）n第一节第一节 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程 n第二节第二节 放热规律放热规律n第三节第三节 燃油喷雾燃油喷雾n第四节第四节 柴油机柴油机混合气形成混合气形成n第五节第五节 柴油机燃烧室柴油机燃烧室20:032本本章要求章要求目的与要求：目的与要求：1.要要求求全全面面掌掌握握柴柴油油机机燃燃烧烧过过程程、燃燃烧烧特特点点、放放热热规规律律分分析析、混混合合气气的的形形成成、燃燃烧烧室室特特点点等等有有关问题；关问题；2.掌掌握握供供油油、供供气气（缸缸内内气气流流）、燃燃烧烧室室（相相关关结构）与内燃机工况的匹配关系；结构）与内燃机工况的匹配关系；3.清清楚楚柴柴油油机机、汽汽油油机机燃燃烧烧过过程程及及其其燃燃烧烧特特性性的的差别。差别。4.会针对不同的油品、燃烧组织方式进行分析。会针对不同的油品、燃烧组织方式进行分析。20:033第一节第一节 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程n一一.燃烧过程燃烧过程n二二.燃烧阶段划分燃烧阶段划分n三三.影响着火延迟期的因素影响着火延迟期的因素n目的与要求：目的与要求：n1.对对柴柴油油机机从从燃燃料料起起喷喷到到燃燃烧烧结结束束整整个个燃燃烧烧过过程程有有一一个个很很清清晰晰的的构构图图，对对燃燃烧烧阶阶段段划划分分、各各阶阶段段对性能的影响、影响各阶段的因素有明确的认识对性能的影响、影响各阶段的因素有明确的认识n2.掌握影响着火延迟期的因素掌握影响着火延迟期的因素20:034汽油机燃烧复习汽油机燃烧复习1）混合气准备）混合气准备2）起燃）起燃3）燃烧速度的规律）燃烧速度的规律4）定容燃烧比例）定容燃烧比例5）循环稳定性与单点起燃）循环稳定性与单点起燃6）爆燃与预混合）爆燃与预混合7）预混合）预混合-定容燃烧定容燃烧-经济性经济性?爆燃爆燃-压缩比压缩比8）解决：预混合又不爆燃、其它混合燃烧方式）解决：预混合又不爆燃、其它混合燃烧方式20:035一一 燃烧过程燃烧过程从喷油开始到燃烧结束从喷油开始到燃烧结束（注意与汽油机燃烧的区别）1着火延迟着火延迟活塞活塞接近上止点接近上止点T=450550p=3p=34MPa4MPa喷油器高压高速喷油喷油器高压高速喷油压力压力20150MPa雾状油束结构雾状油束结构油束由百万计的细微油滴组成油束由百万计的细微油滴组成油滴油滴d=5150m雾化、蒸发雾化、蒸发扩散、混合扩散、混合物理准备物理准备先期氧化先期氧化、局部火核局部火核化学准备化学准备20:0362预混合燃烧阶段预混合燃烧阶段预先混合好的可燃混合气（上阶段喷入的一部分）预先混合好的可燃混合气（上阶段喷入的一部分）20%总量总量在空燃比、压力、温度以及流速等条件合适处瞬瞬间间、多多点点迅迅速速燃燃烧烧，压力压力(温度温度)迅速上升迅速上升量量=预混合量预混合量=f(着火延迟期、着火延迟期、)瞬时燃烧速度瞬时燃烧速度(放热率放热率)远高于汽油远高于汽油机机影响影响pzmax、p/高高最高最高燃烧速度燃烧速度本本阶阶段段结结束束处处，燃燃烧烧速速度度突突然然下下降降(上上止止点点后后610A)A)，p p趋趋于于最最大大，但但温温度度依依然然在在迅迅速速上上升升，未达到最高。未达到最高。直直接接影影响响：pzmax、p/、噪声、经济性噪声、经济性20:0373扩散燃烧阶段扩散燃烧阶段燃燃烧烧特特征征：该该段段放放热热量量70%。由由于于温温度度迅迅速速提提高高，燃燃烧烧速速度度加加快快，有有可可能能局局部部燃燃烧烧速速度度会会再再度度回回升升，形形成成第第二二个个峰峰值点。值点。活塞开始快速下移，缸内压力开始下降。活塞开始快速下移，缸内压力开始下降。该该阶阶段段结结束束在在上上止止点点后后2035AATzmax。此此时时总总放放热热量量已已达达80%80%90%。燃燃烧烧速速度度（放放热热率率）取取决决于于燃燃料料蒸蒸发发、混混合合及及扩扩散散找找气气的的速速度（物理过程）度（物理过程）相对相对缓慢的扩散燃烧缓慢的扩散燃烧在着火延迟期在着火延迟期预混合的混合预混合的混合气迅速燃烧结气迅速燃烧结束束10 10 A燃烧速度燃烧速度突然变慢突然变慢喷射喷射雾化雾化蒸发蒸发油找气油找气气找油气找油油气混合油气混合燃燃烧烧20:0384后燃后燃后期不完全氧化燃烧后期不完全氧化燃烧喷喷油油后后期期喷喷入入的的油油。雾雾化化差差；缸缸内内空空气气已已少少、并并在在外外围围；活活塞塞已已经经下下移移，T、P下下降降，也不利于雾化、混合。也不利于雾化、混合。部分燃烧阶段形成的碳烟未能及时氧化部分燃烧阶段形成的碳烟未能及时氧化喷到燃烧室壁面上的油喷到燃烧室壁面上的油部分高温热分解的燃料重新合成放热部分高温热分解的燃料重新合成放热燃烧特点：燃烧特点：燃烧速度很低，影响效率、排温、传热、排放燃烧速度很低，影响效率、排温、传热、排放放热量占总量的放热量占总量的1020%20:039二二燃烧阶段划分燃烧阶段划分1.着着火火延延迟迟期期：影影响响整整个燃烧情况。个燃烧情况。从从效效率率与与经经济济的的角角度度看看，燃燃烧烧起起点点应应在在上上止止点点前前5 10oCA（汽汽油油机机12 15oCA，因因为为初初燃燃慢慢），以以保保证证pzmax在在上止点后上止点后10 oCA柴柴油油机机着着火火延延迟迟期期（4.2 18)*n/1000，一一般般i=812，滞滞后后时时间间i=0.73ms（汽汽油油机机n高高，i=1020oCA）从降低排放的角度燃烧起从降低排放的角度燃烧起点已经在上止点后。点已经在上止点后。CD20:03102速燃期速燃期放放热热量量只只占占不不足足20%；粗粗暴暴性性、经经济济性性。C点点在在上上止止点点后后610A）（从从经经济济性性考考虑虑）（汽汽油油机机：1015A。p/0.40.6MPa/oCA(汽油机汽油机p/80%)CD20:03113缓燃期缓燃期放热量放热量7080%；经济性、经济性、效率效率。Tzmax上止点后上止点后20 35oCA；16002000oC。温度急温度急剧升高，混合燃烧重新加剧，出剧升高，混合燃烧重新加剧，出现第二个峰值。现第二个峰值。汽油机汽油机Tzmax=17002500oC；Pmax上止点后上止点后10 15oCA一般要求：一般要求：缩短缓燃期缩短缓燃期增加增加等容度、减小等容度、减小初始膨胀比（等压加热）初始膨胀比（等压加热）提高提高循环热效率。即循环热效率。即缓燃期不要缓燃缓燃期不要缓燃。加快缓燃期燃烧速度的关键加快缓燃期燃烧速度的关键是加快是加快混合气形成速率混合气形成速率。CD20:03124后燃期后燃期不完全燃烧排放、经济性、热负荷、可靠性。柴柴油油机机燃燃烧烧时时，空空气气是是过过量量的的，只是混合不匀造成局部缺氧。只是混合不匀造成局部缺氧。解决措施：解决措施：（1）加加强强缸缸内内气气体体运运动动，可可以以加加速速后后燃燃期期的的混混合合气气形形成成和和燃燃烧烧速速度度，而而且且会会使使碳碳烟烟及及不不完完全全燃燃烧烧成成分分加加速氧化。速氧化。（2）减少湿壁（减少湿壁（6区）油量区）油量（3）提高雾化质量）提高雾化质量20:0313汽油机燃烧的特点汽油机燃烧的特点(对比对比)（点燃式预混合燃烧）点燃式预混合燃烧）1）燃烧过程分成三段）燃烧过程分成三段l着火阶段、急燃期、后燃期。着火阶段、急燃期、后燃期。2）着火延迟期对燃烧速度（放热规律）影响小）着火延迟期对燃烧速度（放热规律）影响小l汽汽油油机机性性能能主主要要取取决决于于何何时时着着火火而而不不是是何何时时点点火火，容容易易控控制制。对对汽汽油油机机着着火火延延迟迟期期的的要要求求主主要要是是要要稳稳定定并并尽尽可可能能短短，使使汽汽油油机机的的循循环环波动较小。波动较小。3）汽油机）汽油机:主燃烧期主燃烧期只有一段（急燃期），放热量占只有一段（急燃期），放热量占80%l柴油机柴油机:速燃期放热量不足速燃期放热量不足20%,缓燃期缓燃期:7080%20:0314汽油机燃烧的特点汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）（点燃式预混合燃烧）4）预混合燃烧。）预混合燃烧。l燃燃烧烧速速度度不不受受供供油油系系统统的的影影响响，对对燃燃料料供供给给系系的的供供油油质质量量（雾雾化化）要要求求低低，仅仅仅仅对对数数量量的的控控制制精精度度要要求求高高；燃烧速度会受燃烧室形状、缸内流动的影响。燃烧速度会受燃烧室形状、缸内流动的影响。5）单点点燃。）单点点燃。6）对速燃期，初期燃烧速度慢，后期快。）对速燃期，初期燃烧速度慢，后期快。l如如果果不不受受燃燃烧烧室室形形状状、缸缸内内流流动动影影响响，火火焰焰前前锋锋面面面面积相对时间将成积相对时间将成平方规律增长平方规律增长20:0315汽油机燃烧的特点汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）（点燃式预混合燃烧）7）最最高高温温度度点点主要取决于最大（放）热量量的时刻 速燃期结束点速燃期结束点(工质能量的涨消工质能量的涨消)8）最最高高压压力力点点主要取决于最大（放）热率率的时刻 速燃期结束点速燃期结束点9）Tzmax高高。由于是“预混合燃烧”，汽油机的平平均燃烧速度很快均燃烧速度很快。等容度大，最高温度高。10）pzmax低低。汽油机燃烧速度逐渐增加，最最大大燃燃烧烧速度低速度低。20:0316汽油机燃烧的特点汽油机燃烧的特点（点燃式预混合燃烧）（点燃式预混合燃烧）11）量量调调节节。负荷的调节靠量调节，要调节进气量，进气节流损失大。平均过量空气系数随负荷变化不大，排气温度随负荷变化不大排气温度随负荷变化不大。12）机机械械负负荷荷低低，热热负负荷荷也也低低。pzmax、dp/d低，运动件轻。13）汽汽油油机机排排气气温温度度高高。过量空气系数小，混合气浓、压比小、效率低、传热损失小。14）汽汽油油机机燃燃烧烧稳稳定定性性差差。点火瞬间火花塞附近混合气的成分差别、气流的不均匀性对燃烧影响很大。20:0317着火延迟期着火延迟期i着火延迟期着火延迟期i影响：影响：1)易控制；2)影响大。喷油持续期（低速1535oCA；高速2060oCA）柴油机着火延迟期（4.2 18)*n/1000；很大一部分油在着火延迟期已经喷入T、P很高，喷入很快就燃，很高，喷入很快就燃，i影响大？影响大？20:0318三三.影响着火延迟期的因素影响着火延迟期的因素1.着火延迟期着火延迟期-可控、可调整（难！可控、可调整（难！-供油提前角、供油提前角、喷油规律）喷油规律）2.由研究公式：由研究公式：CN为十六烷值为十六烷值20:0319三三.影响着火延迟期的因素影响着火延迟期的因素3.具体因素分析具体因素分析注注意意：i长长与与工工作作粗粗暴暴（预预混混量量多多）关关系系很很大大，但但并并非非必必然的单调关系！然的单调关系！20:0320 1）燃料）燃料1）燃料）燃料（十六烷值高（十六烷值高化学稳定差、热分解严重。物理稳化学稳定差、热分解严重。物理稳定性定性影响蒸发性。粗暴影响蒸发性。粗暴如果喷油提前角不变，燃油蒸发性变好如果喷油提前角不变，燃油蒸发性变好 i，但粗暴但粗暴性？性？a)缸缸内内温温度度早早期期低低、化化学学准准备不够；备不够；b)蒸发吸热蒸发吸热预混合量预混合量abc依依然然希希望望蒸蒸发发性性好好燃燃烧烧、经经济济性性、排排放放，粗粗暴暴减小喷油提前减小喷油提前20:0321 2）转速）转速3）负荷）负荷2）转速）转速ni粗暴度粗暴度；但但i，所以所以n，发动机要发动机要增加喷油提前角。增加喷油提前角。有没有可能有没有可能ni喷油提前角喷油提前角异常异常?冷起动时冷起动时3）负荷高）负荷高壁温高壁温高i粗暴度粗暴度；冷起动时工作粗暴冷起动时工作粗暴20:03224 4）密度）密度 5 5）喷油提前角）喷油提前角4 4）密密度度与与压压比比、增增压压度度；密密度度大大对对雾雾化化有有利利；低低增增压压柴柴油油机机相相对对非非增压工作柔和增压工作柔和(缸缸内内TPTP也高也高)。5 5）喷油提前喷油提前角角20:03236 6）喷油规律）喷油规律6）喷喷油油规规律律(T6-12)：喷喷射射速速率率低低，初初期期可可燃燃混混合合气气少少，粗粗暴暴性性小小；但喷射期长，经济性差；但喷射期长，经济性差；能能否否利利用用初初期期喷喷射射率率低低，粗粗暴暴性性低低这这一一优点？优点？20:0324最佳喷油提前角最佳喷油提前角柴柴油油机机设设计计好好后后，一一个个重重要要任任务务是是根根据据最最常常用用或或要要求求工工况况调调节节喷喷油油提提前前角角到到最最佳佳态态。先先进进的的方方法法是是电电控控自自动动调调节节，但但调调节节规规律律一一般般也要通过试验得到（理论指导、过渡）也要通过试验得到（理论指导、过渡）最最佳佳喷喷油油提提前前角角=f(CN,T0,P0,负负荷荷,冷冷却却强强度度,燃燃烧烧室室形形式式,喷喷油油规规律律,增增压压比比、)20:0325第二节第二节柴油机放热规律柴油机放热规律燃烧如何进行？燃烧如何进行？如何定量反映燃烧过程？如何定量反映燃烧过程？放放热热规规律律dQ/dt；dQ/d；累累计计放放热热量量Q=f()n一一.柴油机放热规律柴油机放热规律n二二.放热规律的计算方法放热规律的计算方法n三三.燃烧计算模型燃烧计算模型20:0326第二节第二节柴油机放热规律柴油机放热规律反映的问题反映的问题燃烧进行状况燃烧进行状况（起点、持续期）（起点、持续期）燃烧快慢变化燃烧快慢变化燃烧机理变化燃烧机理变化（预混（预混+扩散）扩散）燃烧组织情况燃烧组织情况喷喷油油规规律律与与放放热热规律。规律。20:0327一一.柴油机放热规律柴油机放热规律1.放热规律三要素放热规律三要素（1）燃烧放热始点）燃烧放热始点（2）放热持续时期）放热持续时期（3）放热率曲线的形状）放热率曲线的形状20:03281.放热规律三要素放热规律三要素（1）放放热热规规律律始始点点在在持持续续期期和和放放热热率率形形状状不不变变的的前前提提下下，决决定定了了放放热热率率中中心心效效率率、pzmax、p/（2）放放热热持持续续时时期期的的长长短短平平均均燃燃烧烧的的快快慢慢、等等容燃烧比例容燃烧比例效率效率排放排放（3）放放热热规规律律形形状状前前后后放放热热量量的的比比例例噪噪声声（dp/d）、振振动动、排排放放放放热热曲曲线线面面心心的的位位置置效率。效率。20:03292.柴油机放热规律的类型柴油机放热规律的类型（1）不同燃烧室发动机的放热规律不同）不同燃烧室发动机的放热规律不同。直喷式发动机初期放热直喷式发动机初期放热率很高（图中的喷油提前角应减小）率很高（图中的喷油提前角应减小）（2）放热规律对示功图（效率）的影响）放热规律对示功图（效率）的影响（上止点起燃、燃烧持续期上止点起燃、燃烧持续期40oCA）。初期放热率越高，压力升高率、最大爆压、效率均变高初期放热率越高，压力升高率、最大爆压、效率均变高20:0330降低压力升高率、最大爆压，提高效率！降低压力升高率、最大爆压，提高效率！矛盾解决：矛盾解决：两种极限放热规律。两种极限放热规律。1.先快后慢。多数为此，比较易实现（初期喷压高），先快后慢。多数为此，比较易实现（初期喷压高），效率高，但是由于早期放热量大，爆压高效率高，但是由于早期放热量大，爆压高2.先慢后快。压力升高率、最大爆压均较低，但效率先慢后快。压力升高率、最大爆压均较低，但效率也低。也低。效率低的根源：效率低的根源：不完全是因为初期放热率低，而是大不完全是因为初期放热率低，而是大量的热在远离上止点处释放。量的热在远离上止点处释放。解决措施：解决措施：可以通过缩短燃烧持续期（提高喷压，缩可以通过缩短燃烧持续期（提高喷压，缩短供油持续期、加大缸内气流、缩短缓燃期来实现）。短供油持续期、加大缸内气流、缩短缓燃期来实现）。20:0331减缓初期燃烧速度、加快后期燃烧速度减缓初期燃烧速度、加快后期燃烧速度！实现方法：实现方法：1.减缓初期燃烧速度减缓初期燃烧速度1)控制喷油；控制喷油；2)采用预喷技术采用预喷技术（高压共轨供油系统）（高压共轨供油系统）2.加快后期燃烧速度加快后期燃烧速度1)加大缸内气流；加大缸内气流；2)提高喷油速率提高喷油速率20:0332二二.放热规律的计算方法放热规律的计算方法如何得到放热规律（如何得到放热规律（dQ/d）间接测量：缸内压力间接测量：缸内压力P=f(V)；P=f()；P=f()求解求解dQ/d(2)零维假设零维假设(3)微分方程的数值解：（简化差分算法）微分方程的数值解：（简化差分算法）l差分代替微分，在差分时间差分段内用均值代替，由初差分代替微分，在差分时间差分段内用均值代替，由初值逐步推出其它时刻的值。值逐步推出其它时刻的值。(1)能量平衡能量平衡 20:0333二二.放热规律的计算方法放热规律的计算方法推导：推导：la)将将燃燃烧烧过过程程（曲曲轴轴转转角角）用用m个个点点离离散散成成m-1段段，当当燃燃烧烧初初始始点点参参数数已已知知时时，假假设设n-1点点参参数数已已知知，如如能能推推出出n点点的的参参数数，那那么么整整个个过程的参数均能得知。过程的参数均能得知。lb)推导简化推导简化lc）初始参数）初始参数可进行循环计算调整。可进行循环计算调整。20:0334放热规律间接计算放热规律间接计算(1)能量平衡能量平衡(2)气体状态方程气体状态方程 在在p-示功图上，对于微元曲轴转角示功图上，对于微元曲轴转角，又可写出：，又可写出：在在 微元期间微元期间 差分表达式差分表达式气缸容积气缸容积 在在 微元期间作功，利用梯形法微元期间作功，利用梯形法 微元期间散热量微元期间散热量 20:0335三三.燃烧计算模型燃烧计算模型1.设计初期，无样机，无设计初期，无样机，无P=f()，用计算模型用计算模型预测整机性能时需要放热规律预测整机性能时需要放热规律2.最最简单的模型：的模型：“单韦伯模型单韦伯模型”dQB/d=Hu*gf*M*dx/d x已燃燃料的百分比；已燃燃料的百分比；dx/d 放热率放热率20:0336燃烧模型参数讨论燃烧模型参数讨论20:0337本节结束20:0338