第5章 柴油機混合氣的形成

著火延遲期速燃期緩燃期后燃期第5章柴油機混合氣的形成和燃燒

柴油機燃燒過程、噴油速率和放熱規(guī)律

1.著火延遲期

著火延遲期又稱為滯燃期、著火落后期，從燃油開始噴入燃燒室內(nèi)(A點)至壓力線明顯脫離壓縮線開始急劇上升(B點)

注意：柴油機著火延遲期的長短會明顯影響滯燃期內(nèi)噴油量和預制混合氣量的多少，從而影響柴油機的燃燒特性、動力、經(jīng)濟性、排放特性以及噪聲振動，必須精確控制著火延遲期的影響因素十六烷值溫度壓力燃燒室形式壁溫2.速燃期

壓力升高率從提高動力性和經(jīng)濟性的角度，希望dp／dφ大一些dp／dφ過大會使柴油機工作粗暴，運動零部件受到過大沖擊載荷，過急的壓力升高會導致溫度明顯升高，使氮氧化物生成量明顯增加。為兼顧柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，dp／dφ不宜超過0.4MPa／(°)，而為了抑制氮氧化物的生成，dp／dφ還應更低。3.緩燃期

特點：采取措施使后期噴入的燃油能及時得到足夠的空氣，盡可能地加速混合氣的形成，保證迅速而完全的燃燒，從而提高柴油機的經(jīng)濟性和動力性。柴油機燃燒室內(nèi)的最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后20°～35°曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。

緩燃期不緩4.補燃期

緩燃期D點到燃料基本燃燒完畢。累積放熱率大于95%。后燃遠離上止點，熱量不能有效利用，散熱損失增加，熱負荷增加，排溫升高。補燃期要短5.1.2燃燒放熱規(guī)律

1.燃燒放熱規(guī)律的定義瞬時放熱速率是指單位時間內(nèi)(或l°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi))燃燒的燃油所放出的熱量；累積放熱百分比，是指從燃燒過程開始至某一時刻為止已經(jīng)燃燒的燃油與循環(huán)供油量的比值。瞬時放熱速率和累積放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，稱為燃燒放熱規(guī)律燃燒放熱規(guī)律

2.柴油機合理的燃燒放熱規(guī)律

1)放熱規(guī)律三要素

一般將燃燒放熱始點(相位)、放熱持續(xù)期和放熱率曲線的形狀稱為放熱規(guī)律三要素

2)理想的燃燒放熱規(guī)律合適的燃燒起點，同時燃燒應該是先緩后急，燃燒持續(xù)時間不宜過長（汽、柴）放熱始點的位置要能保證最大燃燒壓力出現(xiàn)在上止點后10°～15°。柴油機通過噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加以調(diào)控燃燒放熱規(guī)律曲線形狀

應先緩后急。在開始放熱階段，不希望燃燒放熱速率上升得過快，以降低壓力升高比，使柴油機的工作粗暴得到控制；然后燃燒應加速進行，使絕大部分燃油在盡可能靠近上止點處完成燃燒，以提高經(jīng)濟性。燃燒持續(xù)時間燃燒持續(xù)時間原則上越短越好。

汽油機和柴油機燃燒過程主要特點對比

DI機燃燒放熱先急后緩，燃燒持續(xù)期較長 5.2柴油機混合氣的形成原理

5.2.1燃油的噴射與霧化

柱塞式噴油泵燃油供給系分配式噴油泵燃油供給系

噴油器不同噴油嘴的流通特性

2.噴射與霧化

1)噴射過程(1)噴射延遲階段(2)主噴射階段(3)噴油結(jié)束階段2)供油規(guī)律與噴油規(guī)律單位凸輪軸轉(zhuǎn)角(或單位時間)由噴油泵供入高壓油路中的燃油量稱供油速率；單位凸輪軸轉(zhuǎn)角(或單位時間)由噴油器噴入燃燒室內(nèi)的燃油量稱為噴油速率

兩者的差別主要原因：(1)燃油的可壓縮性(2)壓力波傳播滯后（相位差）(3)壓力波動（形狀上的差異）(4)高壓容積變化高壓油管的彈性變形及出油閥、針閥兩個彈性系統(tǒng)的影響a)正常噴射b)二次噴射c)斷續(xù)噴射d)隔次噴射穴蝕：高壓容積內(nèi)產(chǎn)生壓力波動時，會出現(xiàn)低于燃油蒸氣壓的壓力，故而形成汽泡，壓力升高，汽泡爆裂產(chǎn)生沖擊波，多次作用于金屬表面引起。3)異常噴射與穴蝕

對噴射系統(tǒng)的要求對噴油規(guī)律的基本要求盡可能減少噴油系統(tǒng)中的燃油壓力波動，以防止不正常噴射現(xiàn)象

不同轉(zhuǎn)速、負荷下，在最佳噴油時刻精確提供所需燃油量?！跋染徍蠹保瑪嘤脱杆佟绷己玫挠褪匦砸詽M足燃燒室的要求提高系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命合理的噴油規(guī)律及其實現(xiàn)合理的噴油規(guī)律

1）改變凸輪型線

2）雙彈簧噴油器

雙彈簧噴油器噴射規(guī)律形狀與單彈簧噴油器進行對比a)單彈簧噴油器(b)雙彈簧噴油器

3）預噴射和多段噴射

預噴射對燃燒特性的影響

多段噴射的示意圖5.2.2燃燒室與混合氣形成1.柴油機的混合氣形成特點和方式

1)空間霧化混合2)油膜蒸發(fā)混合

3)兩種混合方式的對比

空間霧化燃油的噴霧特性對混合起決定性的作用

噴霧細、均勻。較多的油滴受熱蒸發(fā)，著火延遲期內(nèi)形成大量的可燃混合氣，燃燒初期放熱率過大，壓力急劇升高，工作粗暴，NOx排放高。如果減小著火延遲期內(nèi)混合氣生成量，則勢必造成大量燃油在著火后的高溫高壓下蒸發(fā)混合，容易因空氣不足而裂解成炭煙?？臻g霧化混合方式有較高的熱效率，但炭煙、NOx和燃燒噪聲均較高。

油膜蒸發(fā)混合的指導思想是利用燃油蒸發(fā)速率控制混合氣生成速率，燃燒室壁面溫度和空氣旋流起了主要作用。油膜受熱蒸發(fā)所需時間要比細小油滴長得多，加之燃燒室壁溫控制較低，使油膜蒸發(fā)混合方式在期內(nèi)生成的混合氣量遠小于空間霧化方式。隨燃燒進行，在高溫和火焰輻射作用下，油膜蒸發(fā)加速，使混合氣生成速度加快。

大部分燃料是在蒸發(fā)后以氣體狀態(tài)與空氣或高溫燃氣接觸，可以避免空間霧化混合時常有的液態(tài)燃油高溫裂解問題，使炭煙特別是大顆粒炭煙排放降低。2.缸內(nèi)氣流運動1)渦流

進氣渦流：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流(2)壓縮渦流

：在渦流室燃燒室中，氣體在進氣過程中并不產(chǎn)生旋流，而在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流2)擠流3)湍流

4)滾流

進氣道氣門出口速度分布各種渦流比導氣屏設置在進氣門上，可調(diào)節(jié)渦流強度，渦流比0～4切向氣道形狀簡單，渦流比1～2螺旋氣道的形狀最復雜，渦流比2～4，同樣渦流比時的進氣阻力小于切向氣道，適用于對進氣渦流強度要求較高的發(fā)動機渦流比進入凹坑時增大渦流比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化壓縮渦流在渦流室燃燒室中，氣體在進氣過程中并不產(chǎn)生旋流，而在壓縮過程中由主燃燒室經(jīng)連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流擠流擠流也是一種有效的缸內(nèi)氣體運動，在壓縮過程中，當活塞接近上止點時，氣缸內(nèi)的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內(nèi)，由此產(chǎn)生擠壓渦流(擠流)a)無進氣渦流b)進氣渦流強時的擠流

c)逆擠流

或渦流不強時的擠流

湍流在氣缸中形成的無規(guī)則的小尺度氣流運動稱為湍流，也稱微渦流。湍流可以促進燃油和空氣的微混合程度，加速燃燒過程。滾流在進氣過程中形成的繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流稱為滾流(tremble)，也稱為縱渦或橫軸渦流。柴油機燃燒室

各種直噴式燃燒室形式(a)淺盆形(b)ω形(c)擠流口形(d)球形

淺盆形燃燒室的特點ω形燃燒室的特點屬于半開式燃燒室，在活塞頂部設有比較深的凹坑，其中ω形凹坑的中心凸起是為了幫助形成渦流以及排除氣流運動很弱的中心區(qū)域的空氣而設置的。一般dk／D為0.6左右，dk／h＝1.5～3.5。采用4～6孔均布的多孔噴油器中央布置(四氣門時)或偏心布置(二氣門時)，噴霧貫穿率一般為1.05。空氣運動以進氣渦流為主，擠流為輔。進氣渦流比介于最低的淺盤形燃燒室(<1.5)和最高的球形燃燒室(>3)之間，通過減小dk／D，和余隙高度S0，可使擠流強度增加。由于利用燃油噴射和空氣運動兩方面的作用形成混合氣，因而比淺盤形更容易形成均勻的混合氣，空氣利用率提高，可在過量空氣系數(shù)聲1.3～1.5的條件下實現(xiàn)完全燃燒。

擠流口形燃燒室

非回轉(zhuǎn)體燃燒室(a)四角形(b)微渦流MTCC(c)Quardram(d)花瓣形日本小松公司的微渦流燃燒室

MTCC(microturbulencecombustionchamber)

在半開式燃燒室的基礎之上，利用燃燒室形狀的設計來產(chǎn)生微渦流，改善混合氣形成和燃燒。除大尺度的渦流(如進氣渦流和擠壓渦流)以外，小尺度的渦流，又稱為微渦流或湍流，對混合氣形成和燃燒的促進作用已得到公認。微渦流主要是利用大尺度的渦流在燃燒室內(nèi)不同位置造成的速度差以及流經(jīng)一些特殊設計的邊角、凹凸時產(chǎn)生的氣流擾動所形成的

MAN公司的J．S．Meurer博士——

M燃燒過程

M燃燒過程表述噴油射束沿球形燃燒室壁面并順氣流噴射，燃油被噴涂在壁面上形成油膜。為保證形成很薄的厚度均勻的油膜，需要很強的渦流(渦流比>3)。在較低壁溫的控制下(200—350)，燃料在著火前以較低速度蒸發(fā)，在著火落后期內(nèi)生成的混合氣較少，因而初期燃燒放熱率和壓力升高率低。隨燃燒進行，缸內(nèi)溫度和火焰熱輻射強度提高，使得油膜蒸發(fā)加速，燃燒也隨之加速。各種直噴式燃燒室比較示直噴式燃燒室柴油機的性能特點1)燃燒迅速，故經(jīng)濟性好，有效燃油消耗率低。直噴式柴油機比分隔式柴油機有效燃油消耗率約低10％～20％，但其工作較粗暴，壓力升高率大，燃燒噪聲大。2)燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，表面積與容積比小，因此散熱損失小，也沒有主、副室之間的節(jié)流損失，一方面可使冷起動性能較好，另一方面也是經(jīng)濟性好的重要原因。3)對噴射系統(tǒng)的要求較高，4)NO的排放量比分隔式燃燒室柴油機高，開式燃燒室的微粒排放量相對較低。5)對轉(zhuǎn)速的變化較為敏感，較難同時兼顧高速和低速工況的性能，分隔式燃燒室——渦流室渦流室容積約占整個燃燒室壓縮容積的50％～60％。渦流室與主燃燒室之間通道的截面積約為占活塞截面積的1％～3．5％通道方向與活塞頂成一定的傾斜角度在壓縮過程中，空氣從主燃燒室經(jīng)通道流入渦流室，在渦流室內(nèi)形成強烈的有組織的壓縮渦流渦流室形狀分隔式燃燒室——預燃室預燃室布置形式預燃室預燃室容積約占整個燃燒室壓縮容積的35％一45％預燃室與主燃燒室之間通道的截面積約為活塞截面積的0．3——0．6％在壓縮過程中，氣缸內(nèi)部分空氣流入預燃室內(nèi)，由于連接通道截面積很小，且不與預燃室相切，所以在預燃室內(nèi)形成強烈的無組織的紊流分隔式燃燒室柴油機的性能特點空氣利用率較高，最小的過量空氣系數(shù)可達1．2左右高速下有較好的性能。對噴射系統(tǒng)的要求低，可以使用軸針式噴油器，噴射壓力較低。工作平穩(wěn)，燃燒噪聲小。散熱損失和通道節(jié)流作用引起的流動損失。較直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經(jīng)濟性差。低負荷下的碳煙排放量大冷起動性差分隔式燃燒室柴油機的性能特點

(1)采用濃、稀兩段混合燃燒方式，前段過濃(還原)氣氛，抑制了NOx的生成和燃燒溫度，而后段的稀燃(氧化)氣氛和二次渦流又促進了炭煙的快速氧化，因而NOx和微粒排放均低于直噴式燃燒室，但低負荷下的碳煙排放量較大。(2)由于初期放熱率低，因而壓力升高率和最高燃燒壓力均低于直噴式燃燒室，燃燒柔和，振動噪聲小。(3)對于渦流室，壓縮渦流隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而增強，即轉(zhuǎn)速越高，混合氣形成和燃燒速度越高，因此渦流室式燃燒室適合于高速柴油機，其轉(zhuǎn)速可高達5000r／min。(4)缸內(nèi)氣流運動自始至終比較強烈，空氣利用率好，可在過量空氣系數(shù)1.2左右的條件下正常工作。(5)對噴油系統(tǒng)要求不高，不需要進氣渦流，進氣道形狀簡單，因而加工制造成本低，使用故障少。(6)燃燒室結(jié)構(gòu)復雜，表面積與容積之比較大，加上強烈的空氣運動的影響，使散熱損失較大，通道節(jié)流作用引起的流動損失也較大。因此，分隔式燃燒室柴油機較直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經(jīng)濟性差。(7)散熱損失大和噴霧質(zhì)量不高，冷起動性能不如直噴式燃燒室不同柴油機燃燒室的對比及選型1)在燃油經(jīng)濟性方面，直噴式明顯優(yōu)于非直噴式。在能源問題已成為全球性重大問題的今天，直噴式柴油機由過去主要用于中重型卡車變?yōu)楝F(xiàn)在日益向中小型卡車以及轎車領(lǐng)域擴展。目前新研制的缸徑D>100mm的高速柴油機幾乎都采用直噴式燃燒室，而在D<100mm柴油機上采用直噴式的機型也逐漸增多。2)在排放特性上，非直噴式柴油機在原理上是低排放燃燒方式，比直噴式柴油機有優(yōu)勢，但近年來發(fā)展的高壓噴射和電控噴射等技術(shù)，使直噴式柴油機的NO和微粒排放有了顯著的改善，縮小了在排放特性上與非直噴式柴油機的差距。3