柴油机混合气的形成和燃烧

直喷式燃烧室柴油机的性能持点

由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。

燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、 副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。
冷起动性能较好。



对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。
工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。 对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性 能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。
柱塞式喷油泵的工作过程：喷油泵凸 轮→柱塞 ( 上下运动)→进、回油孔→ 出油阀→高压油管→喷油器→针阀→ 喷孔→燃烧室。
柱塞上行
a.从下止点到柱 塞头部封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞头部封 闭径向油孔到柱 塞斜槽露出径 向孔之前。 c.从柱塞斜槽露出 径向油孔到柱塞 上行至上止点。
a
b
c
柱塞下行
9.1.2、 燃烧过程存在的主要问题
1、混合气形成困难及燃烧不完全 因为柴油不容易蒸发，故将燃油喷射成雾状，分散成数百万个 小油滴，这些细小油滴在气缸内迅速蒸发与空气混合，但因为 混合时间极短，缸内情况异常复杂，故使缸内空气和燃油混合 极不均匀，有的地方可能是惰性气体，有的地方是过稀混合气， 有的地方甚至还有燃料液态核心，等等。所以为了保证燃油燃 烧完全。柴油机均在过量空气系数α＞1的条件下工作。 2、燃烧噪音
c.压力波的传递
理想的喷油规律应先缓后急
4．不正常喷射
1、二次喷射 2、断续喷射 3、隔次喷射
4、漏油现象
5．燃油的喷雾Biblioteka 性1)喷雾（雾化）：燃油喷散成细粒的过程。 2)油束的基本参数 包括几何形状和雾化质量两个方面： 几何形状 ⑴油束射程L（贯穿距离）
详见书P227
⑵喷雾锥角β 或油束的最大宽度B
2019/1/24
较理想的柴油机燃烧放热规律
有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后 急。 开始放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压 力升高率。 燃烧应加速进行，绝大部分燃油在尽可能靠近 上止点处完成燃烧。 燃烧持续时间不宜过长。

2.理想燃烧放热规律及其控制
（1）放热始点的位置 要能保证最大燃烧压 力出现在上止点后 12°-15°范围。 可通过喷油提前角的 变化以及着火落后期 长短加以控制。
（2）放热持续时间首先取决则扩散燃烧期越长， 其次，取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。
不同类型柴油机的燃 烧放热规律： 实际发动机的放热率 形状取决于不同的机 型、不同的燃烧室和 混合气形成方式以及 对性能的具体要求。
9.2 柴油机混合气的形成
9.2.1 燃油喷射和雾化
9.2.2 混合气形成及燃烧室
3.球形燃烧室 （1）结构特点 （2）混合气形成特点 ①油膜蒸发形成混合气
②配有螺旋进气道，形成很强的 进气涡流，
③双孔或单孔喷嘴 ④燃烧室壁温度控制在 200℃~300℃
（3）性能特点
①工作柔和，噪音小
②经济性好
③α比较小,α=1.1 ④冷起动困难 ⑤低速性能不好，使用稳定性差 ⑥对气道要求高
ρ、/ρ > 1，做螺旋向外运动，
ρ、/ρ < 1，做螺旋向内运动， ④“二次涡流”
（3）性能特点
优点:①由于强烈的空气涡流运动（压缩涡流与二次涡流）. 混合气形成质量好，能在α较小的情况下完全燃烧。 一般α=1.2~1.3 ②对喷雾质量要求不高，燃油系统故障少.
③高速性好，性能稳定.
④进气道无特殊要求. ⑤运转平稳，排气污染小. 缺点： ①散热损失，流动损失大，经济性差。 ②冷起动性差
2.半开式燃烧 室 （1）结构特点 Vk/Vc（相对容积比）＝0.75－0.85， dk/D ＝0.4－0.6 有组织空气运动的结构（进气涡流为主，挤压涡流为辅）
（2）混合气形成的特点
①利用喷雾与空气流的运动，空间形成混合气为主.
②喷孔较且少，孔径稍大，3－4孔
③α 比较小，α ＝1.3－1.5，空气利用率比较好. 所以：上面所说之②、③点是相对于开式燃烧室而言的.
a.从上止点到柱 塞斜槽封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞斜槽封 闭径向孔到柱 塞头部露出径 向油孔之前。
c.从柱塞头部露 出径向油孔到 运行下止点。
a
b
c
整个喷油过程可分为三个阶段:
第一阶段：喷油延迟阶段。 从喷油泵栓塞将进油孔关闭 时起到喷油器针阀开始喷油止。 第二阶段：主喷油阶段。 从喷油器针阀打开到喷油泵 回油孔开始打开（停止供油） 为止。 第三阶段：喷油滴漏阶段。 从泵的回油孔打开到针阀关 闭为止。
b.挤流（挤压涡流）
二、柴油机燃烧室
燃烧室的分类
柴油机燃烧室
直喷式燃烧室
开式燃烧室 半开式燃烧室 球形油膜燃烧室
分隔式燃烧室
涡流室燃烧室 预燃室燃烧室
（一）直喷式燃烧室
1.开式燃烧室
dk 0.7 D
优缺点：浅盆形燃烧室主要 依靠燃油的喷射，对雾化质 量，也是对喷射系统要求较 高。喷油器喷孔数目多，孔 径小，喷射压力大。
3．喷油规律
供油速率：单位时间或凸轮转角由喷油泵供入高压油路中的燃 油量。 喷油速率：单位时间或凸轮转角由喷油器喷入燃烧室内燃油量
供油/喷油规律：单位时间（转角）供油速率/喷油速率随时间 （转角）而变化的关系； 喷油规律与供油规律的区别：------喷油时刻落后于供油时刻， 喷油持续时间比供油时刻长。 因为a.要克服两个弹簧弹力; b.燃油、高压油管有弹性;
二.分隔式燃烧室
结构特点： 两个燃烧室：主燃烧室和副燃烧室
混合气浓度不同，副燃烧室较浓，主燃烧室较稀
根据混合气在副燃烧室形成不同，分涡流式燃烧 室、预燃式燃烧室
1.涡流式燃烧室
（1）结构特点 ①燃烧室容积比 δ k= Vk/Vc = 0.5， ②燃烧室分成两部分，涡流室下部有“镶块”.
（涡流室）保温，可加工－－减少流动损失.
在速燃期中，急剧升高的压力冲击燃烧宝壁、活塞、曲轴等机 件，从而诱发缸盖、缸套、机体、齿轮宝、油底壳等机件的变形、 振动、并辐射出强烈的噪音，称之为燃烧噪声。 燃烧噪音是柴油机噪音的主要来源。
3、排气污染 ① 排气颗粒 ②排出有害气体
CO、HC、NOX
9.1.3、燃烧放热规律
1. 燃烧放热规律定义
⑴液滴的细度
雾化质量
⑵液滴的均匀度
9.2.2
混合气形成及燃烧室
一、混合气形成特点和方式
1、柴油机混合气形成的特点
A、气缸内形成混合气
（ 不同于汽油机）
B、形成条件差 ①时间短 15°-35°CA (千分之几秒) ②柴油的粘度大，不易蒸发.
2、混合气形成的方式
A、空间雾化混合气
将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的 相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式。
③通道的截面形状有椭圆形，弯月形. 通道位置，角度，截面大小这三要素，可控制涡流强度 ④活塞项上开有导流槽和凹坑 ⑤有起动电预热室
（2）混合气形成特点 ①涡流室内有强烈的有组织的涡流 n↑，涡流强度↑
②燃油顺涡流的方向喷入
以空间形成混合气为主，油膜蒸发形成混合气为 ③热混合作用 A本身密度ρ、，周围的物质密度 ρ ρ、= ρ，做圆周运动，
（3）燃烧室与气流及油束之间的配合 喉口直径dk大，空气涡流少些，油束射程长； 喉口直径dk小，涡流强，油束射程短，则喷到壁面上的燃 油减少，甚至达不到壁面，这时空间分布的燃料增多。 组织了进气涡流和挤压涡流 （4）性能特点 优点: 缺点： ①经济性好 be ↓
②起动性好.
①工作粗暴 ②气道，供油系统要求高 ③排放性差（NOx↑） ④对工况变化敏感
9.2.1
1.供油系统
燃油喷射和雾化
一.供油系统和喷射过程
供油系统的组成包括 喷油 泵、喷油器和高压油管 燃油供给系的功用是按柴油 机各种工况的需要将定量的 燃油，在适当的时期，以合 理的空间形态喷入燃烧室， 即对燃油的数量，喷油的时 间和油束的空间形态三方面 实行有效的控制。 定时、定量、定压
2.喷射过程
第9章 柴油机混合气的形成和燃烧
9.1 柴油机的燃烧过程
9.2
9.3
柴油机混合气的形成
燃烧过程的优化
9.1 柴油机的燃烧过程
9.1.1、燃烧过程
1.着火延迟期（A-B） 2.速燃期（B-C） 3.缓然期（C-D） 4.补燃期（D-E）
A-喷油开始点 B-开始燃烧点 C-压力最高点 D-温度最高点
1.着火延迟期 从喷油始点A点开始到压力脱离压缩线开始急剧上升的B点为止。 在上止点前（ A 点），喷油器向气缸内喷入燃油，但燃油并不 马上着火，而是稍有落后，因为柴油机自燃需要有一定条件。 它首先由液态蒸发成气态，并与空气混合形成可燃混合气，当 适当比例的混合气经过一定化学反应过程，燃油才能自燃着火。 着火延迟期越长，气缸中积累的燃料量就越多，着火后一起 燃烧，使燃烧急剧，发动机工作粗暴。 1） 提高缸内温度 2） 使用十六烷值高的燃料
缩短着火延迟期的措施:
2.速燃期 从气缸压力偏离压缩线开始急剧上升的B点起，到最高压力 点C点为止。
由于在着火延迟期中喷入气缸的燃油已经过不同程度的物 理、化学准备，所以一旦着火，这些燃料也一起燃烧，此时 活塞靠近上止点位置，这个阶段近似混合加热循环中的等容 加热，压力升高特别快;用压力升高率来表示压力升高的急剧 程度 : p p3 p2 3 2
B、油膜蒸发形成混合气（主要用于球形燃烧室）
燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃 烧室壁面上形成一层很薄的油膜。
在高速的柴油机上，实际的混合过程是空间及油膜混 合兼而有之。 油膜蒸发混合方式存在一些难以解决的问题，应用不多。
如何改善混合气形成？？
3、缸内气体流动 依靠：A、喷雾：喷注特性，喷注与燃烧室相配合。 B、组织空气运动－－与燃烧室形状相配合 a.进气涡流 螺旋气道形成 切向气道形成