發(fā)動機(jī)原理-第五章-柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒概要課件

1、第五章 柴油機(jī)混合氣形成和燃燒基本思路 探討優(yōu)化的途徑 混合氣形成與燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化 燃油噴射過程優(yōu)化 實例：結(jié)合柴油機(jī)的直噴式高壓共軌技術(shù) 燃油的噴射與霧化要素 燃燒各階段對動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及噪聲的影響揭示柴油機(jī)的燃燒與放熱過程 柴油機(jī)正常工作燃燒的必要條件 (油 ) (氣) (室) 的完美優(yōu)化組合 第五章 柴油機(jī)混合氣形成和燃燒基本思路 第一節(jié) 燃油的噴射與霧化 一、噴射系統(tǒng) 1、對噴油系統(tǒng)的要求 a.足夠高的噴油壓力b.實現(xiàn)所要求的噴油規(guī)律，以保證合理的燃燒放熱規(guī)律和良好的綜合性能c.保證各種工況下精確供給燃油量及各缸工作均勻性d.避免異常噴射現(xiàn)象 2、噴油系統(tǒng)工作原理 （略） （泵

2、管嘴）第一節(jié) 燃油的噴射與霧化 二、噴射與霧化 注意：噴射與霧化是柴油機(jī)良好工作的前提 究竟如何評價？通常用噴油特性和噴霧質(zhì)量來評價噴油質(zhì)量。1、噴射過程 噴射過程是指從噴油泵開始供油直至噴油器停止噴油的過程（全負(fù)荷工況下約占曲周轉(zhuǎn)角的15 40）。 噴油特性:是指噴油開始時間、噴油持續(xù)期、噴油速率變化和噴油壓力。噴霧質(zhì)量：是指油束貫穿距離、噴霧錐角和噴霧粒徑。二、噴射與霧化 壓力波：12001300m/s 供油提前角 噴油提前角 是否噴油泵產(chǎn)生壓力噴油器即即開始噴油？開始噴油 壓力波：12001300m/s 供油提前角 單位曲軸轉(zhuǎn)角由噴油泵供入油管的燃油量取決于柱塞直徑和凸輪幾何尺寸單位凸輪

3、軸轉(zhuǎn)角由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量主要取決于噴油器的結(jié)構(gòu)特點 810比較發(fā)現(xiàn)：1、噴油比供油延遲8102、噴油持續(xù)時間比供油時間長3、最大 噴油速率比供油速率低4、形狀畸變5、循環(huán)噴油量低于循環(huán)供油量 原因：1、燃油的可壓縮性2、壓力波傳播滯后3、壓力波動4、高壓容積變化2、供油規(guī)律與噴油規(guī)律 單位曲軸轉(zhuǎn)角由噴油泵供入油管的燃油量單位凸輪軸轉(zhuǎn)角由噴油器 為什么要共軌 ？轎車柴油機(jī)的噴油壓力脈圖請參閱P217 共軌管的容積能減弱高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，但其容積不能太大，以保證油軌有足夠的壓力響應(yīng)速度，足以快速適應(yīng)柴油機(jī)工況的變化要求.要根據(jù)具體的柴油機(jī)精確設(shè)計

4、適合的容積和形狀的高壓共軌管產(chǎn)生高壓（可調(diào)壓） 蓄壓 電控噴油器 實現(xiàn)高度靈活性的燃油噴射 為什么要共軌 ？轎車柴油機(jī)的噴油壓力脈圖請參閱P213、噴霧特性 與霧化質(zhì)量 霧化：燃油噴入燃燒室后被粉碎分散為細(xì)小油滴的過程。20200MPa100400m/s霧化的作用：增加與周圍空氣接觸的蒸發(fā)面積 加速從空氣中吸熱過程和油滴的汽化過程有利于混合氣的形成 射程（貫穿距離） 噴霧錐角 250m油滴越細(xì)小已霧化 最大寬度 3、噴霧特性 與霧化質(zhì)量 霧化質(zhì)量的評價:油束中油滴的細(xì)度和均勻度，常用指標(biāo)有平均粒徑影響油粒直徑的因素：減小噴孔直徑：增大噴油壓力：增大空氣密度：減小燃油粘度、表面張力：噴孔直徑減小

5、趨勢壓力增大的趨勢增壓粘度?。侩娍夭裼蜋C(jī)中有燃油溫度傳感器，就是為了修正油溫變化引起的噴油特性的變化！ 霧化質(zhì)量的評價:油束中油滴的細(xì)度和均勻度，常用指各種異常噴射簡介 多出現(xiàn)在大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速 多出現(xiàn)在怠速工況 在某些工況（特別是低怠速工況）下，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配不當(dāng)時，循環(huán)供油量不斷變動，各循環(huán)噴油規(guī)律也有差異，這種現(xiàn)象稱之為不穩(wěn)定或不規(guī)則噴射。對于不穩(wěn)定噴射，測量針閥升程和噴油規(guī)律即可加以判定，如針閥開啟不足，針閥的跳動無一定的規(guī)律，造成每循環(huán)噴油量的變動，即所謂不齊噴射，更為嚴(yán)重的是有的循環(huán)針閥不能開啟，產(chǎn)生隔次噴射現(xiàn)象。造成這些現(xiàn)象的原因是高速、大負(fù)荷時，為提高噴油速率而采用高噴射壓力。主

6、要原因：壓力波動各種異常噴射簡介 多出現(xiàn)在機(jī)械式柴油噴射系統(tǒng)與電控柴油噴射系統(tǒng)的比較 初步認(rèn)識共軌 機(jī)械式柴油噴射系統(tǒng)與電控柴油噴射系統(tǒng)的比較 初 電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點是:噴油定時與噴油量的控制相互獨立，噴油壓力和噴油持續(xù)期不受發(fā)動機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響；各缸的噴油壓力、噴油量和噴油始點可自由調(diào)整，從而實現(xiàn)對噴油正時、噴油量和噴油速率的最優(yōu)控 制；噴射壓力很高且噴射可靠，能實現(xiàn)多種噴油規(guī)律等。這些特點對實現(xiàn)柴油機(jī)高效、清潔、低噪聲的燃燒過程起到了顯著的作用。 電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點是噴油壓力柔性可調(diào)，在不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下都可確定所需的最佳噴油壓力。同時由于實現(xiàn)了對噴油正時、噴油量和噴油

7、速率的最優(yōu)控制，因而改善了柴油機(jī)的燃燒過程，減少了排氣顆粒和NOX的排放，降低了燃燒噪聲。另外它對燃油經(jīng)濟(jì)性的改善也是十分明顯的。目前電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是更高 的噴射壓力(200 MPa ) 、更小的噴孔直徑（0.110.13 mm）更短的響應(yīng)時間（0.1 ms）。更低的功率消耗(采用壓電晶體噴油器)和功能更完善的軟件。 電子控制高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的不足之處在于系統(tǒng)比較復(fù)雜:為了實現(xiàn)精確的控制，對傳感器的精度要求較高；隨著共軌壓力的不斷提高，對共軌系統(tǒng)各部件的性能要求也越來越苛刻。另外，采用電控共軌燃油噴射系統(tǒng)后，需對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，尤其是對缸蓋的設(shè)計。以上這些決定

8、了電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用成本相對較高。 電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點是:噴油定時與噴油量一、燃燒過程 柴油機(jī)燃燒過程非常復(fù)雜，為了便于分析和揭示燃燒過程的規(guī)律，通常將這一連續(xù)的燃燒過程分為四個階段，即著火延遲期（又稱為滯燃期）、速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃期.第二節(jié) 燃燒與放熱 分析燃燒過程的方法：高速攝影、光譜分析、采樣分析等，但最常用最簡便是用示功圖 為實現(xiàn)對柴油機(jī)燃燒過程的優(yōu)化，我們必須研究柴油機(jī)的燃燒與放熱過程。一、燃燒過程第二節(jié) 燃燒與放熱 （一）著火延遲期（滯燃期） 從柴油開始噴入氣缸起到著火開始為止的這一段時期稱為著火延遲期。在做什么 燃燒室內(nèi)的混合氣進(jìn)行著物理和化學(xué)準(zhǔn)備過程。物理

9、準(zhǔn)備過程：燃油的粉碎分散、蒸發(fā)汽化和混合； 化學(xué)準(zhǔn)備過程：混合氣的先期化學(xué)反應(yīng)直至開始自燃（低溫多階段著火：淡青色、藍(lán)色到橘黃色）。（一）著火延遲期（滯燃期） 燃燒室內(nèi)的混合氣進(jìn)行著物理和物理著火延遲期（滯燃期）對燃燒過程（性能）的影響 在滯燃期內(nèi)噴入燃燒室的燃料就多，在著火前形成可燃混合氣也多，這些預(yù)混合燃料在下一階段（速燃期）中幾乎同時燃燒，使壓力升高率和最高燃燒壓力很高，運動零件受到強(qiáng)烈沖擊負(fù)荷，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)粗暴，影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。 如果滯燃期過長，在滯燃期內(nèi)已噴入全部燃料，則隨后的燃燒就難以控制，柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速時有可能產(chǎn)生這種情況。 為了能控制燃燒過程，降低柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷并使之運轉(zhuǎn)

10、平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)法縮短滯燃期。 但是，若滯燃期過短，又對混合氣形成不利，反過來使柴油機(jī)性能惡化。滯燃期長了會怎樣 ？著火延遲期（滯燃期）對燃燒過程（性能）的影響 在滯燃 研究表明，影響著火延遲期長短的主要因素是： a/噴油時缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短。（符合燃燒學(xué)說） b/柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。（燃料特性） c/燃燒室的形狀和壁溫等：直噴式渦流弱，滯燃期內(nèi)形成的混合氣較多（混合氣形成及著火燃燒條件）。 d/噴油提前角：噴油早，溫度壓力低，滯燃期長；過遲，可能活塞已開始下行，使空氣溫度壓力降低，滯燃期增加。（應(yīng)與工況對應(yīng)的最佳噴油提前角） 研究表明，影響著火延遲期

11、長短的主要因素是： (二）速燃期特點：壓力急劇上升，壓 力達(dá)到最高（有可能達(dá)到13MPa以上）在做什么？ 在靠近活塞上止點時，在滯燃期內(nèi)做好燃前準(zhǔn)備的可燃混合氣多點大面積同時著火燃燒。 速燃期:從開始著火到出現(xiàn)最高壓力. (二）速燃期特點：壓力急劇上升，壓 特點： （1）壓力升高率很高，接近等容燃燒，工作粗暴。 （2）達(dá)到最高壓力（4.514MPa）。 （3）繼續(xù)噴油。 因此， 壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性會較好。 但壓力升高率過大，則柴油機(jī)工作粗暴，燃燒噪音大，且NOX ；同時運動零件承受較大的沖擊負(fù)荷，影響其工作可靠性和使用壽命； 特點：控制壓力升高率的措施： 減小在著火

12、延遲期內(nèi)準(zhǔn)備好的可燃混合氣的量 縮短著火延遲期的時間 減少著火延遲期內(nèi)噴入 減少燃燒初期可能形成可燃混合氣的燃油控制壓力升高率的措施： （三） 緩燃期 緩燃期為圖中的CD段，即從最大壓力點至最高溫度點。 最大壓力點最高溫度點要求：緩燃期不宜過長 ，否則會使放熱過程加長。 所以，應(yīng)該越快越好(主噴射階段時間不能太長，且應(yīng)該斷油迅速），同時需加快混合氣形成速率。在做什么？ 當(dāng)緩燃期開始時，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。2000（三） 緩燃期最大壓力點最高溫度點要求：緩燃期不宜過長 ，否特點：（1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。 （2）壓力開始

13、下降（氣缸容積不斷增大），溫度達(dá)到最高。最高溫度可達(dá)2000K左右，一般在上止點后2035曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。特點：（1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度（四） 補(bǔ)燃期 從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補(bǔ)燃期。補(bǔ)燃期的終點很難準(zhǔn)確地確定，一般當(dāng)放熱量達(dá)到循環(huán)總放熱量的9599時，可認(rèn)為補(bǔ)燃期結(jié)束。最高溫度點燃油基本燒完在做什么？ 由于燃燒時間短促，混合氣又不均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒.（四） 補(bǔ)燃期 從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為 補(bǔ)燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時間短促，混合氣又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負(fù)荷工

14、況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。 在補(bǔ)燃期中，由于活塞下行了相當(dāng)?shù)木嚯x，氣缸內(nèi)容積增大很多，缸內(nèi)壓力和溫度迅速下降，故燃燒速度很慢，所放出的熱量很難有效利用，還使排氣溫度升高，導(dǎo)致散熱損失增大，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負(fù)荷。因此，應(yīng)盡量縮短補(bǔ)燃期，減少補(bǔ)燃期內(nèi)燃燒的燃油量。 措施：加強(qiáng)缸內(nèi)氣體運動，可以加速后燃期的混合氣形成和燃燒速度，而且會使碳煙成分加速氧化。 補(bǔ)燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時間短促，混合第三節(jié) 柴油機(jī)混合氣的形成與燃燒 一、柴油機(jī)混合氣的形成的特點和方式1、混合氣形成特點 柴油機(jī)所用的燃料（柴油

15、）粘度較大，不宜揮發(fā)，必須借助噴油設(shè)備（噴油泵和噴油器等）將柴油在接近壓縮行程終了的時刻，通過高壓以細(xì)小的油滴形式（油滴直徑在之間）噴入氣缸，與高溫高壓的熱空氣混合，經(jīng)過一系列物理化學(xué)準(zhǔn)備，然后著火燃燒。故柴油機(jī)是采用內(nèi)部混合的方式形成可燃混合氣。 柴油機(jī)可燃混合氣的形成時間極為短促，這就給柴油機(jī)中柴油與空氣的良好混合和完全燃燒帶來很大困難。而且噴油與燃燒重疊，出現(xiàn)邊燃燒，邊噴油，邊混合的情況。因此混合氣形成過程很復(fù)雜。 柴油機(jī)由于難以實現(xiàn)噴入氣缸的柴油與空氣的完全均勻混合，因此要求空氣對燃料的比例一般比汽油機(jī)大。過量空氣系數(shù)通常在標(biāo)準(zhǔn)工況下都大于1，一般在1.152.20范圍內(nèi)。 第三節(jié) 柴

16、油機(jī)混合氣的形成與燃燒 2、柴油機(jī)可燃混合氣的形成方式 柴油機(jī)混合氣形成方式從原理上來分，有空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合兩種。 1空間霧化混合 將燃油噴向燃燒室空間，形成霧狀，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發(fā)并擴(kuò)散，與空氣形成混合氣。為了使混合均勻，要求噴出的燃油與燃燒室形狀配合，并利用燃燒室中空氣的運動與其混合。 2、柴油機(jī)可燃混合氣的形成方式1空間霧化混合 2油膜蒸發(fā)混合 將大部分燃油噴到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜受熱汽化蒸發(fā)，在燃燒室中強(qiáng)烈的渦流作用下，燃油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣。這一混合方式中起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對運動速度和油膜厚度。 2油膜蒸發(fā)混合二、缸內(nèi)

17、氣流運動 渦流擠流滾流湍流 缸內(nèi)氣流運動形式有哪些？ 注意：不管是柴油機(jī)還是汽油機(jī)都需要適當(dāng)?shù)臍饬鬟\動！被分別或組合應(yīng)用于不同的燃燒系統(tǒng)二、缸內(nèi)氣流運動 評價渦流強(qiáng)度：渦流比 （1）渦流 指渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之比 =12=24評價渦流強(qiáng)度：（1）渦流 指渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)原理-第五章-柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒概要課件發(fā)動機(jī)原理-第五章-柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒概要課件（2）擠流 在壓縮過程中，活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內(nèi)產(chǎn)生的擠壓渦流。（2）擠流 在壓縮過程中，活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)（三）滾流（三）滾流(4)湍流 在氣缸中形成的無規(guī)則的小尺寸氣流運動稱

18、為湍流，也稱為微渦流。微渦流(4)湍流 在氣缸中形成的無規(guī)則的小尺寸氣流運動微渦流 總結(jié)：氣流運動對加速混合氣形成和燃燒有著重要的意義，但是氣流運動總是會帶來一定的流動損失和泵氣損失等。 所以，對于柴油機(jī)，向直噴式發(fā)展并強(qiáng)調(diào)高壓噴射，減低了對氣流的要求。對于汽油機(jī)，缸內(nèi)的氣流運動是改善燃燒的重要措施，稀薄燃燒技術(shù)的重要手段之一就是組織好缸內(nèi)的氣流。 總結(jié)：氣流運動對加速混合氣形成和燃燒有著重要的意直噴式（統(tǒng)一式燃燒室）非直噴式（分隔式燃燒室）型 球型渦流室燃燒室預(yù)燃式燃燒室統(tǒng)一式燃燒室由凹頂活塞頂部與氣缸蓋底部所包圍的單一內(nèi)腔，幾乎全部容積都在活塞頂面上。四角型柴油機(jī)燃燒室如何分類？ 三、柴油

19、機(jī)燃燒室 淺盆型 型 球型渦流室燃燒室預(yù)燃式燃燒室統(tǒng)一式燃燒室由凹頂活塞頂部發(fā)動機(jī)原理-第五章-柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒概要課件發(fā)動機(jī)原理-第五章-柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒概要課件（一）直噴式(統(tǒng)一式燃燒室)（一）直噴式(統(tǒng)一式燃燒室)型燃燒室：1）主要是依靠多孔噴霧（多為4孔），利用油束和燃燒室的吻合，在空間形成混合氣。(空間霧化混合)2）噴孔直徑?。资剑瑖娍滓锥?。噴油壓力較高，一般在20Mpa左右。3）結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，熱損失小，故熱效率高，經(jīng)濟(jì)性好，容易起動。4）滯燃期形成混合氣較多，工作粗暴，燃燒噪音大。5) 制造困難。 型燃燒室：（二）非直噴式（二）非直噴式1、渦流室式燃燒室

20、1)整個燃燒室也是分為兩部分 球型渦流室在氣缸蓋內(nèi)；活塞上方為主燃燒室。渦流室容積占總?cè)紵胰莘e的5080，用一個和數(shù)個切向大面積通道相通。屬于空間混合方式 。2)在壓縮行程中，氣缸內(nèi)的空氣被活塞推擠，經(jīng)過通道進(jìn)入渦流室，形成強(qiáng)烈地有組織的高速旋轉(zhuǎn)運動（幾百轉(zhuǎn)/分）柴油噴入渦流室中，在空氣渦流的作用下，形成較濃的混合氣。部分混合氣在渦流室中著火燃燒，已然與未然的混合氣高速（經(jīng)通道）噴入主燃燒室，借活塞頂部的雙渦流凹坑，產(chǎn)生第二次渦流。促使進(jìn)一步混合和燃燒。3)順氣流方向噴射，由于渦流運動促進(jìn)了混合氣的形成與燃燒，可采用較大孔徑的噴油器，噴射壓力也較低（1214 MPa） 4)過量空氣系數(shù)可較小（對空氣需求少，即a小）5)渦流轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速近似成正比，對轉(zhuǎn)速變化適應(yīng)性好6）熱損失較大，經(jīng)濟(jì)性較差（氣流通過通道的阻力大，耗