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1、汽汽 车车 发发 动动 机机 原原 理理Principle of Automobile Engine第五章 柴油机混合气的形成与燃烧汽油机燃烧图片汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine柴油机燃烧视频汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine喷射压力：120MPa引导喷射：25CA BTDC主喷射：5CA BTDC燃烧的基本理论l一切燃烧过程都由着火和燃烧两个阶段组成。l着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火前的物理和化学的准备过程。l燃烧阶段有两种方法：一是强迫着火或点燃。另一种是自燃着火。l发动机内
2、的燃烧过程一般说来要经历三个基本步骤：(1)形成燃油与空气的可燃混合气(2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数处着火 着火过程。(3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine一、着火机理l 按化学动力学的观点，着火机理可分为热自燃和链锁自燃两类。1.热自燃 在着火的准备阶段，混合气进行氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的热量大于所
3、散失的热量，混合气的温度升高，促使混合气的反应速率和放热速率增大。这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火就是热自燃。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine2.链锁反应l所谓链锁反应就是其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。l整个反应过程分为：引导反应(发链反应)反应链(链的继续反应或链的传递)断链 反应(链的中断即活化中心的死亡)。一、着火机理汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Enginep氢燃烧 2H2+O2=2H2Ol 实际反应过程：(1)H22H(2)H+O2 OH+O(3)O+H2
4、OH+H(4)OH+H2 H2O+H(5)H+H+M H2+M (M-惰性气体分子)(6)H+OH+M H2O+M(7)H+O+M OH+M发链反应 链反应断链反应汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine二、发动机混合气的着火内燃机中碳氢化合物的自燃，均属于链热自燃，但由于发火的条件不同，有高温单阶段着火和低温多阶段着火。汽油机柴油机汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine二、发动机混合气的着火1.汽油机高温单阶段着火（1）压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中已经进行了一些化学 反应。（2）火花
5、塞点火,局部温度高达几千度以上,该处燃料分子直接分裂成 大量的自由原子与自由基,迅速反应出现热火焰,瞬间扩大到整个 燃烧室内。（3）汽油机着火过程：压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）热火焰 高温单 阶段着火汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine二、发动机混合气的着火2.柴油机低温多阶段着火（1）t1阶段混合阶段 在压缩过程终了时，燃料喷入气缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段为着火做准备。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engin
6、e二、发动机混合气的着火（2）t2阶段一阶段反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经历一段 时间后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应 生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓，a=0.40.5。（3）t3阶段二阶段反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气稀得 多，a略小于1。（4）t1+t2+t3时间后三阶段反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更 稀，a 1。t1+t2+t3 着火延迟期汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobi
7、le Engine三、发动机的燃烧方式1.同时爆炸燃烧l取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全 均匀一致。为单相系,均匀系。l柴油机:由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。l汽油机:由于火焰有传播速度,传播逐次进行,显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下,可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine三、发动机的燃烧方式2.预混合燃烧汽油机火焰传播两相系：混合气相，燃烧产物相l加热从火花塞开始
8、，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热,使氧化或活性中心增多,发生燃烧。燃烧又加热下一层一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine三、发动机的燃烧方式预混合燃烧特点：l喷入气缸的燃料不是立刻着火，而是经过一段时间的延迟，期间形成一定量的可燃混合气，这部分燃料的燃烧称为预混燃烧。l预混燃烧量对缸内最高燃烧压力、压力升高率和燃烧噪声等有重要的影响。l对柴油机的NOx的生成与排放影响最大 l汽油机
9、属于预混合燃烧l柴油机在着火落后期属于预混合燃烧 汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine三、发动机的燃烧方式3.扩散燃烧l 柴油机的燃烧方式：三相-燃料相、空 气相、燃烧产物相。l 燃烧的快慢主要取决于物理准备过程进 行的快慢。l 油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽,然后才能燃 烧,并非油滴与空气接触就可燃烧。l 为防止燃烧产物将油滴与空气隔开,应组 织空气相对于油滴的气流运动,将燃烧产 物抛在后面。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine三、发动机的燃烧方式扩散燃烧特点：l油束（滴）边蒸发，边扩散，在与周
10、围空气形成可燃混合后燃烧，扩散混合速率控制了燃烧速率。l扩散燃烧过程的长短取决于空气运动的组织和燃料的喷射雾化，对燃油经济性有重要的影响。l扩散燃烧对柴油机碳烟/颗粒生成与排放影响最大。l柴油机燃烧中后期为扩散燃烧。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine三、发动机的燃烧方式（1）柴油本身粘度大，蒸发性不好。（2）缸内进行，即在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃 烧室内，时间短（1535曲轴转角），难以形成均匀的混合 气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化。（3）混合气在高温、高压下多点自燃，且混合、着火和燃烧过程共存。特点：柴油机使用
11、的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不同。燃油的喷射与雾化主要内容第五章 柴油机混合气的形成与燃烧第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化一、喷油系统汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine1.作用：定时定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压燃油。2.要求：(1)产生足够高的喷油压力 (2)实现所要求的喷油规律 (3)对于确定的运转状况，精确控制喷油量 (4)避免出现异常喷射现象第第5 5章章 1.直列泵 Pump-in-Line汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Aut
12、omobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化一、喷油系统回顾：泵-管-嘴系统 P-L-N Injection SystemA型泵第第5 5章章 2.分配泵 Distributor第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化一、喷油系统回顾：泵-管-嘴系统 P-L-N Injection System汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine轴向柱塞分配泵（VE泵）第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化一
13、、喷油系统3.喷油系统工作原理：第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化一、喷油系统3.喷油系统工作原理 l 孔式喷油器 l 用于直喷式燃烧室中 l 喷孔直径较小，与高压泵配合，可形成较细的喷油颗粒。l 易引起积炭堵塞 第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化1.喷射过程：喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷下约占15 40曲轴转角。分为喷
14、射延迟、主喷射和喷射结束三个阶段。第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化出油阀针阀泵端压力嘴端压力针阀升程l主喷射阶段(从喷油始点到嘴端压力急剧下降)l喷射结束阶段(从嘴端压力急剧下降到针阀落座)喷射过程l喷射延迟阶段(从供油始点到喷油始点)供油始点供油提前角 喷油始点喷油提前角 喷油延迟角供油提前角喷油提前角 二、喷射与雾化第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化2.供油规
15、律与喷油规律：l 供油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量。l 喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量。l 供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。l 喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。二、喷射与雾化第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine两者差别的主要原因：l 燃油的可压缩性l 压力波
16、传播滞后l 压力波动l 高压容积变化第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化差别：1)始点差别822曲轴转角；2)喷油持续时间较供油持续时间长；3)最大喷油速率较供油速率低，形状有明显畸变，循环喷油量 也低于循环供油量。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化3.喷雾特性与雾化质量：l燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的雾化。l将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。l可以从几何形状和雾化质量两个方面来描述油束特性。l
17、不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的要求有所不同。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化 油束射程 mm 100 50 0 油束射程 mm 50 0 2 3 3.3 3.5 ms(a)(b)破碎长度汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化油束的几何形状主要包括油束射程(又称贯穿距离)和喷雾锥角或油束的最大宽度。汽 车 发 动 机 原 理 Pri
18、nciple of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化a 油束射程L 并不一定越大越好，要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。L 燃料喷到壁面上多 空间混合气太稀。L 燃料集中 混合气分布不均匀，空气利用率 。b 喷雾锥角 反映油束的紧密程度。孔式喷嘴 油束松散，粒细。轴针式喷嘴 油束紧密，粒粗。汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化二、喷射与雾化c 雾化质量（雾化特性）细微度 油滴平均直径 细：雾化好
19、均匀度 油滴最大直径-油滴平均直径 匀：雾化好粒细均匀度好，粒粗均匀度差。一般情况下：喷雾锥角过大，贯穿距离会减小；喷雾锥角过小，雾化程度会变差。n正常喷射过程n二次喷射：喷油器针阀落座后再次升起喷油 n滴油现象：针阀落座缓慢燃油流出 n断续喷射：供油量小于喷油量填充针阀空间油量 n不规则喷射和隔次喷射：供油量过小，循环喷油量变动甚至不喷油 n为避免出现不正常喷射现象，应尽可能地缩短高压油管长度，减小高压容积，以降低压力波动，减小其影响，并合理选择喷射系统的参数。三、不正常喷射现象第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化第第5 5章章汽 车 发 动 机 原 理 Principle of
20、 Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化三、不正常喷射现象二次喷射 SECONDARY INJECTION 燃油喷射终了后，针阀又不受控制地第二次开启，向气缸内喷油的现象。正常喷射二次喷射汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化三、不正常喷射现象二次喷射的危害 l喷油持续时间延长l燃油雾化质量差，燃烧不完全且后燃严重l燃油消耗率和烟度增加l排温升高零部件过热l产生喷孔积炭堵塞汽 车 发 动 机 原 理 Principle of
21、Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化三、不正常喷射现象二次喷射产生的原因：在柴油机大负荷、高速运转工况下，燃油在高压作用下的可压缩性和压力波在高压油路中的传播与反射。消除二次喷射的措施：减少高压油路的容积 增大喷孔直径 增大出油阀弹簧刚度与开启压力 采用阻尼阀与等压式出油阀汽 车 发 动 机 原 理 Principle of Automobile Engine第第5 5章章第第1 1节节 燃油的喷射与雾化燃油的喷射与雾化四、喷射系统中的穴蚀破坏 CAVITATIONl穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表面上。l产生的机理：在高压容积内产生压力波动时，在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。l穴蚀会严重影响喷射系统的工作可靠性和使用寿命。l消除措施：采用节流式和等压式出油阀感谢观看感谢观看Thank You