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1、汽车发动机原理与汽车理论汽车发动机原理与汽车理论第第6章章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧v6.1 柴油机混合气的形成柴油机混合气的形成v6.1.1 柴油机混合气的形成特点和方式柴油机混合气的形成特点和方式v6.1.2 影响混合气形成的主要因素影响混合气形成的主要因素v6.2 柴油机燃烧过程及影响因素柴油机燃烧过程及影响因素v6.2.1 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程v6.2.2 影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素 6.1 柴油机混合气的形成柴油机混合气的形成背景知识：背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式
2、柴油机。热功循环原理，研制出压燃式柴油机。6.1.1 柴油机混合气的形成特点和方式柴油机混合气的形成特点和方式 1、混合气形成特点：、混合气形成特点：（1）缸缸内内进进行行：在在压压缩缩行行程程接接近近终终了了时时柴柴油油由由喷喷射射系统直接喷入燃烧室内。系统直接喷入燃烧室内。（2）混混合合时时间间短短：难难以以形形成成均均匀匀的的混混合合气气，燃燃烧烧室室内的工质成分随时间和地点而变化。内的工质成分随时间和地点而变化。（3）采采用用较较大大的的过过量量空空气气系系数数：柴柴油油本本身身粘粘度度大大，蒸发性不好。蒸发性不好。（4）混混合合气气在在高高温温、高高压压下下多多点点自自燃燃着着火火燃
3、燃烧烧，且且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。混合过程、着火过程和燃烧过程共存。2、混合气形成过程、混合气形成过程 空间雾化混合空间雾化混合 雾化雾化 蒸发蒸发 扩散混合扩散混合 油膜蒸发混合油膜蒸发混合 蒸发蒸发 扩散混合扩散混合 因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。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：一是燃烧室的结构一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。内适当的空气运动。3、混合气形成的基本方式、混合气形成的基本方式1）空间雾化混合）空间雾化混合 v 将燃油喷向燃烧室空间进行雾
4、化，将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。相对散，在空间形成可燃混合气。相对运动速度越高，混合气越均匀。运动速度越高，混合气越均匀。v 采用多孔喷嘴，采用多孔喷嘴，燃烧完全，经济燃烧完全，经济性好。初期空间分布燃料多，燃烧性好。初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。迅速，工作粗暴。2）油膜蒸发混合油膜蒸发混合 空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有
5、一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速燃烧迅速 （先缓后急）。（先缓后急）。采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急 ,工作柔和，噪工作柔和，噪声小，经济性较好，但冷起动困难。声小，经济性较好，但冷起动困难。，目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。工作柔和工作柔和工作粗暴工作粗暴滞燃期形成的可燃混合气数量滞燃期形成的可燃混合气数量少少滞燃期形成的可燃混合气数量滞燃期形成的可燃混合气数量多多混合
6、气是气相混合气混合气是气相混合气混合气是气液两相混合气混合气是气液两相混合气燃料在壁面上形成油膜燃料在壁面上形成油膜燃料在空气中是细小油滴燃料在空气中是细小油滴大部分燃料涂布到壁面上大部分燃料涂布到壁面上大部分燃料喷射雾化大部分燃料喷射雾化油膜蒸发混合油膜蒸发混合空间雾化混合空间雾化混合4、两种混合方式的对比、两种混合方式的对比6.1.2 影响混合气形成的主要因素影响混合气形成的主要因素 影响混合气形成的主要因素影响混合气形成的主要因素:燃料喷雾、气流运动、燃料喷雾、气流运动、燃烧室结构燃烧室结构1、燃料喷雾、燃料喷雾对混合气形成的影响对混合气形成的影响:燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的
7、过程，称为燃油的喷雾或雾化燃油的喷雾或雾化。将燃油喷射雾化，可以大大增加增加其表面积，加速加速混合气形成。当燃油高速从喷孔喷出当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为喷出速度为l00一一300ms)便形成如园锥形状的喷注，也称油束。便形成如园锥形状的喷注，也称油束。（1）油束的形成）油束的形成油束射程油束射程L(又称贯穿距离又称贯穿距离)：反映油束的穿透能力反映油束的穿透能力。雾化质量：雾化质量：液滴的细度、均匀度液滴的细度、均匀度喷雾锥角喷雾锥角：反映油束的紧密程度。孔式喷嘴的反映油束的紧密程度。孔式喷嘴的 大，大，油油束松散，颗粒细小；束松散，颗粒细小；轴针式喷嘴的轴针式喷嘴的 小，小，油束紧缩，
8、颗粒油束紧缩，颗粒较粗大。较粗大。油束的最大宽度油束的最大宽度B：反映油束的分布特性。反映油束的分布特性。（2）衡量油束）衡量油束雾化质量的三个因素的三个因素（3）影响油束的特性因素）影响油束的特性因素A喷油结构：喷油结构：燃油的雾化质量主要由平均直径决定。平均直燃油的雾化质量主要由平均直径决定。平均直径的影响因素有：径的影响因素有：喷射压力；喷射压力；喷油嘴喷孔直径；喷油嘴喷孔直径；油束流速；空气压力与密度；燃油粘度。油束流速；空气压力与密度；燃油粘度。B喷油压力喷油压力C缸内介质反压力缸内介质反压力（4）喷油泵凸轮形状）喷油泵凸轮形状（5）发动机转速）发动机转速转速升高，散热损失和活塞环的
9、漏气损失减小，转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。可能延长）。（6）燃油粘度）燃油粘度2、空气运动对混合气形成的影响、空气运动对混合气形成的影响内燃机缸内内燃机缸内气体运动方式气体运动方式涡流涡流挤流挤流滚流滚流湍流湍流进气涡流进气涡流压缩涡流压缩涡流进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状
10、的进气道道,使空气进入气缸时使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转形成绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。的有组织的气流运动。v产生进气涡流运动的方法有产生进气涡流运动的方法有:切向进气道、切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统。螺旋进气道、组合进气系统。1）涡流）涡流包括包括进气涡流进气涡流和和压缩涡流压缩涡流（2）压缩涡流：）压缩涡流：在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并不产生涡流，而不产生涡流，而在压缩过程中由主燃烧室经在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。虽然这种产生涡流的方式不会使进气
11、阻力增虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增大和进气充量下降，但大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量损失，使循环热效率降随着不同程度的能量损失，使循环热效率降低。低。2）挤流）挤流v在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。又称挤流。v挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。6.2 柴油机
12、燃烧过程及影响因素柴油机燃烧过程及影响因素 柴油机燃烧过程的特点：柴油机燃烧过程的特点：一、高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。一、高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。二、二、通过压缩使燃料自燃通过压缩使燃料自燃柴油机燃烧方式柴油机燃烧方式-油滴扩散燃烧油滴扩散燃烧 柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时时,借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室燃烧室,以便与空气形成可燃混合气。以便与空气形成可燃混合气。6.2.1 柴油机燃烧过程柴油机燃烧过程 一、燃烧过程一、燃烧过程柴柴油油机机燃燃烧烧过过程程非非常常复复杂杂，为为了了便便
13、于于分分析析和和揭揭示示燃燃烧烧过过程程的的规规律律，通通常常将将这这一一连连续续的燃烧过程分为四个阶段的燃烧过程分为四个阶段.A喷油开始喷油开始B着火开始着火开始着火延燃期着火延燃期C最大压力最大压力速燃期速燃期缓燃期缓燃期D最高温度最高温度E燃料燃烧完毕燃料燃烧完毕补燃期补燃期供油提前角：喷油泵供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲活塞运行至上止点曲轴转过的角度称为供轴转过的角度称为供油提前角。油提前角。喷油提前角：喷油器喷油提前角：喷油器开始喷油到活塞到达开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。转角为喷油提前角。1 1、着
14、火延迟期、着火延迟期（滞燃期）（滞燃期）从从A A点点到到B B点点-自自开开始始喷喷油油到到开开始着火的这一段时期。始着火的这一段时期。在压缩终点在压缩终点,温度达到温度达到450-450-800,800,大于柴油的自燃温度大于柴油的自燃温度（330-350330-350）,但不会立即着火但不会立即着火,进行着火前的准备。进行着火前的准备。着火延迟期着火延迟期一般着火延迟时间一般着火延迟时间i0.0007-0.003s，对应的曲轴转，对应的曲轴转角称为着火延迟角。角称为着火延迟角。滞燃期滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含了物理滞燃期和化学滞燃期。着火前的物理化学过程：着
15、火前的物理化学过程：v 物理过程物理过程从开始喷油到形成可燃混合气为止，涉及了燃料的喷射、雾化、分布于燃烧室中、吸热、汽化、扩散、混合、升温等一系列过程。v化学过程化学过程燃料的重烃成分裂解为轻烃成分、与氧气反应形成中间物；经冷焰、蓝焰和热诱导期而着火过程。两过程相互重叠交叉进行。2 2、速燃期、速燃期速燃期速燃期:B B点到点到C C点。从开始着点。从开始着火到出现最高压力。火到出现最高压力。特点：形成多个火焰中心特点：形成多个火焰中心，持，持续喷油，即续喷油，即随喷随燃随喷随燃。压力急压力急剧上升而达到最高（有可能达剧上升而达到最高（有可能达到到13MPa13MPa以上）。以上）。速燃期速
16、燃期压压力力升升高高率率大大，燃燃烧烧迅迅速速，柴柴油油机机的的经经济济性性和和动动力力性会较好；性会较好；压压力力升升高高率率过过大大，则则柴柴油油机机工工作作粗粗暴暴，燃燃烧烧噪噪音音大大；同同时时运运动动零零件件承承受受较较大大的的冲冲击击负负荷荷，影影响响其其工工作作可可靠性和使用寿命等。靠性和使用寿命等。为此，压力升高率应限制在一定的范围之内：为此，压力升高率应限制在一定的范围之内：柴油机柴油机0.40.5 MPa0.40.5 MPaCACA。汽油机的汽油机的压力升高率为压力升高率为0.1750.25Mpa/CA。控制压力升高率的措施：控制压力升高率的措施：1 1）控制燃烧前期的放热
17、，促进后期放热控制燃烧前期的放热，促进后期放热-减少着火延迟期内喷入的燃油减少着火延迟期内喷入的燃油或或可能形成可可能形成可燃混合气的燃油（涡流室式燃烧室）；燃混合气的燃油（涡流室式燃烧室）；2 2）缩短着火延迟期缩短着火延迟期。3 3、缓燃期缓燃期缓缓燃燃期期为为图图中中的的CDCD段段，即即从从最最大大压压力力点点至至最最高高温度点。温度点。当当缓缓燃燃期期开开始始时时，虽虽然然气气缸缸内内已已形形成成燃燃烧烧产产物物，但但仍仍有有大大量量混混合合气正在燃烧。气正在燃烧。缓燃期缓燃期 4 4、补燃期、补燃期 从从最最高高温温度度点点起起到到燃燃油油基基本本烧烧完完时时为为止止称称为为补补燃
18、燃期期，即图中即图中DEDE段。段。补补燃燃期期的的终终点点很很难难准准确确地地确确定定，一一般般当当放放热热量量达达到到循循环环总总放放热热量量的的95959999时时，可可认认为为补补燃燃期期结结束束。即整个燃烧过程结束。即整个燃烧过程结束。应尽量缩短补燃期，减少应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。补燃期内燃烧的燃油量。补燃期补燃期补燃产生的负面影响补燃产生的负面影响：在补燃补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以补燃补燃期应尽可能地缩短。缩短补燃的措施：缩短补燃的措施
19、：加强燃烧室内的气流运动，加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近完成。上止点附近完成。6.2.2 影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素 柴油机的燃烧过程定义 是指燃料的汽缸中与压缩空气中的氧化而放出热能的过程。1、燃油性质的影响燃油性质的影响1 1）柴油的着火性）柴油的着火性 是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。用十六烷值表示。用十六烷值表示。十六烷值高，着火性好，滞燃期短，十六烷值高
20、，着火性好，滞燃期短，P/P/较较小，工作柔和。起动性也好。小，工作柔和。起动性也好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，会产十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，会产生排气冒烟。生排气冒烟。车用柴油机的十六烷值，一般为车用柴油机的十六烷值，一般为40405050。2 2）柴油的蒸发性）柴油的蒸发性 蒸发性要适中，蒸发性过强，工作粗暴。蒸发性要适中，蒸发性过强，工作粗暴。蒸蒸发性差，启动性不好、燃烧不完全。发性差，启动性不好、燃烧不完全。3）柴油的黏度）柴油的黏度v粘度大粘度大:雾化质量差,冒烟,但润滑性好(柱塞,针阀)。v粘度小粘度小:雾化质量好,不冒烟,但润滑性差(柱塞，针阀易磨损)4）
21、柴油的凝点）柴油的凝点v柴油冷却到失去流动性的温度点柴油冷却到失去流动性的温度点。v注意：选用柴油时，牌号应比当地最低环境温度高出凝点C。例如：的柴油应在C的环境条件下应用。v柴油规格按凝点分为10、0、-10、-20、-35和-50六个牌号，分别表示凝点不高于10、0、-10、-20、-35和-50；牌号越高，凝点越低。2、喷油泵结构参数的影响、喷油泵结构参数的影响1）供、喷油提前角的影响）供、喷油提前角的影响 过大，喷油时缸内压力、温度较低，着火延过大，喷油时缸内压力、温度较低，着火延迟期长，导致工作粗暴，过早燃烧还会增加迟期长，导致工作粗暴，过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和
22、动力性；压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性；过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利。对柴油机的经济性和动力性也不利。2）柱塞直径的影响）柱塞直径的影响 过大，喷油持续时间小。过大，喷油持续时间小。3）喷油泵凸轮轮廓的影响：）喷油泵凸轮轮廓的影响：喷油泵凸轮轮廓柱塞的喷油泵凸轮轮廓柱塞的运动规律运动规律3、喷油器结构参数的影响、喷油器结构参数的影响作用：将喷油泵供给的柴油，以一作用：将喷油泵供给的柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。定的压力，呈雾状喷入燃烧室。喷油器有孔式和轴针式两种。喷油器有孔式和轴针式两种。喷孔、压力室、
23、针阀升程和式喷孔、压力室、针阀升程和式和喷射压力的影响。和喷射压力的影响。4、燃烧室结构及进气系统的影响、燃烧室结构及进气系统的影响燃油喷射、气流运动和燃烧室形状的配合：燃油喷射、气流运动和燃烧室形状的配合：三者的良好配合是满意的混合气形成和燃烧过程的基本三者的良好配合是满意的混合气形成和燃烧过程的基本保证；保证；直接喷射式直接喷射式分隔式分隔式浅盆形浅盆形深坑形深坑形球形油膜球形油膜涡流室涡流室预燃室预燃室燃烧室形状燃烧室形状简单简单一般一般一般一般复杂复杂复杂复杂混合气形成混合气形成空间雾化空间雾化空间雾化空间雾化油膜蒸发油膜蒸发空间雾化空间雾化空间雾化空间雾化空气运动空气运动无涡流无涡流
24、进气涡流强进气涡流强涡流最强涡流最强压缩涡流压缩涡流燃烧涡流燃烧涡流燃料雾化燃料雾化高高较高较高一般一般较低较低低低喷油嘴喷油嘴多孔多孔612多孔多孔46单孔或双孔单孔或双孔轴针式轴针式轴针式轴针式针阀开启压力针阀开启压力2040182518191015813损失损失小小较小较小较小较小大大最大最大起动性起动性易易较易较易难难难难最难最难5、汽缸密封性能的影响、汽缸密封性能的影响6、配气相位的影响、配气相位的影响7、三大精密偶件的影响、三大精密偶件的影响8、冷却效果的影响、冷却效果的影响9、转速与负荷的影响、转速与负荷的影响转速：转速：转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。短、可能延长）。负荷：负荷：负荷增大，循环供油量增大，混合气浓度加大，负荷增大，循环供油量增大，混合气浓度加大，单位容积混合气单位容积混合气 燃烧热增加，缸内温度上升，缩燃烧热增加，缸内温度上升，缩短着火延迟期，降低了工作粗暴。短着火延迟期，降低了工作粗暴。