《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 第三章柴油机混合气形成和燃烧 §3-1柴油机混合气形成 两种基本形式 (一)空间雾化 将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状,再利用空气运动达到充分混合 特点 对燃料喷雾要求高(采用多孔喷嘴)丶燃烧易于完全,经济性好。 2对空气运动要求不髙后期燃料易被早期燃烧产物包围,高温裂解 排气冒烟。 3但初期空间分布燃料多,燃烧迅速→↑,pm个→工作粗暴 △q (二)油膜蒸发(M过程) 空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间,而油膜蒸发 型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上,使之成为薄薄的一层油膜 附着在燃烧室壁面上,只有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,边燃烧。初期蒸发、燃烧慢,后期蒸发、燃烧迅 速(先缓后急) 特点 1对燃料喷雾要求不高(采用单、双孔喷嘴),对空气运动要求高。 2放热先缓后急 △p lg以,pmax→>工作柔和,噪声小,经济性较好。 △ 3但低速性能不好,冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数 之间的配合要求很高,制造工艺要求严格。 二燃料的喷雾 )喷雾的作用 只有当燃料与空气充分接触,形成可燃混合气时,才有可能燃烧。接触面 积越大,可燃混合气越多,燃烧越完善 lml油滴:1个, d=9.7mm,S=245mm 雾化:299×107个,d=40μm,S=15×106mm2 面积增大5090倍,燃烧反应机会大大增加 (二)喷雾的形成 油束 燃油喷射一高压、高速
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 32 ― 第三章 柴油机混合气形成和燃烧 §3-1 柴油机混合气形成 一 两种基本形式 （一） 空间雾化 将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。 特点: 1 对燃料喷雾要求高 （采用多孔喷嘴） → 燃烧易于完全，经济性好。 2 对空气运动要求不高 → 后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解 → 排气冒烟。 3 但初期空间分布燃料多，燃烧迅速 → p ， pmax → 工作粗暴。 （二） 油膜蒸发 （M 过程） 空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发 型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜 附着在燃烧室壁面上，只有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，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅 速 （先缓后急）。 特点: 1 对燃料喷雾要求不高 （采用单、双孔喷嘴） ，对空气运动要求高。 2 放热先缓后急 → p ， pmax → 工作柔和，噪声小，经济性较好。 3 但低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数 之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。 二 燃料的喷雾 （一） 喷雾的作用 只有当燃料与空气充分接触，形成可燃混合气时，才有可能燃烧。接触面 积越大，可燃混合气越多，燃烧越完善。 1 ml 油滴: 1 个， d = 9.7 mm，S = 245 mm 2 雾化: 2 99 107 . 个，d = 40 m，S = 15 106 . mm 2 面积增大 5090 倍，燃烧反应机会大大增加。 （二） 喷雾的形成 1 油束 燃油喷射 － 高压、高速
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 级雾化一汽缸中空气的动力作用将油束撕 裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。 二级雾化一空气动力作用将片、带、泡或大 颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。 油束中央速度高,但浓度也高,油滴集中, 颗粒大。边上油滴松散,颗粒小。但也有说法正 好相反,中央油滴速度高,颗粒小,边上颗粒大。 2着火条件 浓度、温度为着火的必要条件 中间油粒大,浓度偏高。 外侧混合气形成快,物理准备快,但初期温度不 高,化学准备没有跟上。等温度适合于着火了,油粒 又过分发散,也不会着火。要控制好浓度与温度的进 程,使之正好配合,方可着火。 (三)喷雾特性 1油束射程L 并不一定越大越好,这要根据混合气形成的机理与燃烧室形状具体分析。 L↑个→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↓。 2喷雾锥角β 反映油束的紧密程度。 孔式喷嘴一β↑→油束松散,粒细。 轴针式喷嘴一β丶油束紧密,粒粗。 3雾化质量(雾化特性) 细微度一油滴平均直径 细:雾化好 均匀度一油滴最大直径-油滴平均直径匀:雾化好 粒细→均匀度好,粒粗→均匀度差。 (四)喷油规律 单位时间(或曲轴转角)的喷油量随时间(或曲轴转角)的变化规律。 喷油规律影响放热规律,放热规律影响动力性、经济性和排放。 1喷油延迟角 喷油提前角θ一开始喷油→上止点的曲轴转角。 θ°一上止点→丶停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角|θ|+|0’一开始喷油→停止喷油的曲轴转角。 2喷油延迟角对性能的影响 lθ+|θ’↑↑→喷油持续时间长,工作柔和,但油耗增大,排放变差。 0+le|↓→喷油持续时间短,油耗下降,排放好,但工作粗暴。 3喷油延迟角的比较
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 33 ― 一级雾化－汽缸中空气的动力作用将油束撕 裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。 二级雾化－空气动力作用将片、带、泡或大 颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。 油束中央速度高，但浓度也高，油滴集中， 颗粒大。边上油滴松散，颗粒小。但也有说法正 好相反，中央油滴速度高，颗粒小，边上颗粒大。 2 着火条件 浓度、温度为着火的必要条件 中间油粒大, 浓度偏高。 外侧混合气形成快，物理准备快，但初期温度不 高，化学准备没有跟上。等温度适合于着火了，油粒 又过分发散，也不会着火。要控制好浓度与温度的进 程，使之正好配合，方可着火。 （三） 喷雾特性 1 油束射程 L 并不一定越大越好，这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。 2 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。 3 雾化质量（雾化特性） 细微度 — 油滴平均直径 细：雾化好 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。 （四） 喷油规律 单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角）的变化规律。 喷油规律影响放热规律，放热规律影响动力性、经济性和排放。 1 喷油延迟角 喷油提前角 — 开始喷油 → 上止点的曲轴转角。 ’ — 上止点 → 停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角+’ — 开始喷油 → 停止喷油的曲轴转角。 2 喷油延迟角对性能的影响 +’ → 喷油持续时间长, 工作柔和，但油耗增大, 排放变差。 +’ → 喷油持续时间短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。 3 喷油延迟角的比较
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 喷油量mm/ decA a.le|+|e°↓→油耗ψ,排放好,但工作粗暴 b.先急后缓 0→工作粗暴。 0↑→油耗↑,排放差。 先缓后急 0↑→工作柔和。 θ↓→油耗↓,排放好,尽量采用,但很难做到 (五)喷油嘴 1孔式喷嘴 主要用于直喷式燃烧室中。 孔数:1~-5个,￠=0.25~0.8mm。 雾化好,但易阻塞。孔数越少,雾化越好,但也易阻塞 2轴针式喷嘴 主要用于分隔式燃烧室中。 φ=1~3mm,通道间隙δ=0.025~005mm 雾化差,但有自洁作用,不易阻塞。 气流运动对混合气形成的影响 (一)气流运动的作用 无气流运动,油束紧密。 有气流运动,油束松散。 (二)气流运动 组织气流运动,加速混合气形成
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 34 ― a. +’ → 油耗, 排放好，但工作粗暴。 b. 先急后缓 → 工作粗暴。 ’ → 油耗 , 排放差。 c. 先缓后急 → 工作柔和。 ’ → 油耗 , 排放好, 尽量采用，但很难做到。 （五） 喷油嘴 1 孔式喷嘴 主要用于直喷式燃烧室中。 孔数: 1～5 个， = 0.25～0.8 mm。 雾化好，但易阻塞。孔数越少，雾化越好，但也易阻塞。 2 轴针式喷嘴 主要用于分隔式燃烧室中。 = 1～3 mm，通道间隙 = 0.025～0.05 mm。 雾化差，但有自洁作用，不易阻塞。 三 气流运动对混合气形成的影响 （一） 气流运动的作用 （二） 气流运动 组织气流运动，加速混合气形成
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 1进气涡流 使进气气流相对于汽缸中心产生一个力,形成涡流。 (1)切向气道 特点:气道母线与汽缸相切 优点:结构简单,气流阻力小→n 缺点:涡流强度对进气口位置敏感。 F (2)螺旋气道 a 特点:进气道呈螺旋型。 优点:能产生强烈的进气涡流。 缺点:工艺要求高,制造、调试难度较高 2挤气涡流 活塞上行:将活塞顶隙的气体挤岀流向燃烧室中,形成挤气涡流。 活塞下行:燃烧室中的气体流向活塞顶隙处,形成反涡流 D 挤气涡流 反涡流 挤气间隙↓→挤气涡流强度↑ 挤气面积↑→挤气涡流强度个 挤气涡流虽然不如进气涡流强,但它的形成正好处于压缩冲程终了,此时 进气涡流已经衰减得很弱,所以挤气涡流就显得相当重要了。 3燃烧涡流 燃烧在燃烧室中产生压力差,形成燃烧涡流。 尤其是分隔式的涡流室型燃烧室,汽缸盖内的 副燃烧室中的燃料燃烧后,髙压混合气流和火焰高 速喷向活塞顶部的主燃烧室中,由于主燃烧室的导 向作用,形成燃烧涡流,或称二次涡流。 (三)热混合作用 1刚性涡流 涡流中心质点速度为零,越向边缘速度越大 2势涡流 涡流中心质点速度最大,压力最小。越向边缘速度越小,压力越大,壁面 处速度为零。 般认为涡流为势涡流
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 35 ― 1 进气涡流 使进气气流相对于汽缸中心产生一个力，形成涡流。 （1） 切向气道 特点: 气道母线与汽缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小 → v 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 （2） 螺旋气道 特点: 进气道呈螺旋型。 优点: 能产生强烈的进气涡流。 缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高 2 挤气涡流 活塞上行: 将活塞顶隙的气体挤出流向燃烧室中，形成挤气涡流。 活塞下行: 燃烧室中的气体流向活塞顶隙处，形成反涡流。 挤气间隙→ 挤气涡流强度 挤气面积→ 挤气涡流强度 挤气涡流虽然不如进气涡流强，但它的形成正好处于压缩冲程终了，此时 进气涡流已经衰减得很弱，所以挤气涡流就显得相当重要了。 3 燃烧涡流 燃烧在燃烧室中产生压力差，形成燃烧涡流。 尤其是分隔式的涡流室型燃烧室，汽缸盖内的 副燃烧室中的燃料燃烧后，高压混合气流和火焰高 速喷向活塞顶部的主燃烧室中，由于主燃烧室的导 向作用，形成燃烧涡流，或称二次涡流。 （三） 热混合作用 1 刚性涡流 涡流中心质点速度为零，越向边缘速度越大。 2 势涡流 涡流中心质点速度最大，压力最小。越向边缘速度越小，压力越大，壁面 处速度为零。 一般认为涡流为势涡流
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 刚性涡流 势涡流 热混合作用(主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生 涡流中的质点受两个力作用,离心力使质点向外运动,压差力使质点向中 心运动。 若p一质点密度,p一空气密度。 当p=p时,一质点作圆周运动。 当ρ>ρ时,一离心力为主,质点呈螺旋形向外运动。 当p<p时,一压差力为主,质点呈螺旋形向中心运动 液体油、燃油蒸汽:p>400p,向外运动 燃烧产物:p<0.3p,向中心运动 燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合,并使混合气与燃烧产物分开, 火焰呈螺旋形向中心运动,这就是热混合作用 §3-2柴油机的燃烧过程 燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向 )燃烧过程的特点 1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气 2压缩自燃。 (二)柴油机燃烧的主要研究方向 1喷油雾化 2喷油规律 3气流运动 4燃烧室结构 压缩线 配合要好 0 二燃烧过程 C、p-0示功图曲线下的面积表示有用功的大小 )着火延迟期τ;或称滞燃期1-2 (着火延迟角q;) 1一喷油嘴针阀打开向缸高压喷油。 此时,缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度(可达400~800℃) 但
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 36 ― 3 热混合作用 （主要在涡流室型燃烧室的涡流室中产生） 涡流中的质点受两个力作用，离心力使质点向外运动，压差力使质点向中 心运动。 若 ’ — 质点密度， — 空气密度。 当 ’ = 时，— 质点作圆周运动。 当 ’ > 时，— 离心力为主，质点呈螺旋形向外运动。 当 ’ < 时，— 压差力为主，质点呈螺旋形向中心运动。 液体油、燃油蒸汽: ’ > 400 ，向外运动。 燃烧产物: ’ < 0.3 ，向中心运动。 燃烧产物将新鲜空气挤向外围与燃油混合，并使混合气与燃烧产物分开， 火焰呈螺旋形向中心运动，这就是热混合作用。 §3-2 柴油机的燃烧过程 一 燃烧过程的特点和柴油机燃烧的主要研究方向 （一） 燃烧过程的特点 1 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。 2 压缩自燃。 （二） 柴油机燃烧的主要研究方向 1 喷油雾化 2 喷油规律 3 气流运动 4 燃烧室结构 配合要好。 二 燃烧过程 p－ 示功图曲线下的面积表示有用功的大小。 （一） 着火延迟期 i 或称滞燃期 1－2 （着火延迟角 i ） 1 — 喷油嘴针阀打开向缸高压喷油。 此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度 （可达 400～800 ℃） ， 但