柴油机混合气的形成与燃烧.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 柴油机混合气的形成和燃烧,本章要求：,了解：柴油机有害排放物和燃烧噪声生成机理，,柴油机燃烧室的分类、特点。,理解：影响燃烧的因素和改善措施。,掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，,柴油机的喷射与雾化。,柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同：,汽油机 柴油机,混合方式：,着火燃烧：,进气涡流：,缸外混合（少数缸内）缸内混合,（混合时间长）（混合时间短）,点燃、预混合燃烧 压燃、扩散燃烧,（着火时间、地点可控）（着火时刻、地点不可控）,加速火焰传播 促进燃油与空气混合,防止爆燃 加速燃烧,第,1,节 燃油的喷射与雾化,指从喷油泵开始供油到喷油器停止喷油的全过程。,包括：,喷射延迟、主喷和喷油结束,三个阶段。,一、喷射与雾化,1,、喷射过程：,柴油机的燃烧过程,取决于混合气的形成,，而后者又取决于,燃料的喷射与雾化、缸内的气流运动和燃烧室的结构,。,1,）喷油延迟：,从喷油泵柱塞关闭进油孔瞬间到喷油器针阀升起（喷油开始）。,供油提前角,G,喷油提前角,P,喷油延迟角,=,G,-,P,喷油延迟角随发动机转速的提高和高压油管长度增加而增大。,*,思考：供油（或喷油）提前角过大或过小会产生什么问题？,2,）主喷油：,3,）喷油结束：,从喷油器开始喷油到喷油器端压力开始急剧下降。,持续时间取决于喷油泵柱塞的有效行程。,从喷油器端压力开始急剧下降到针阀落座停止喷油。,由于喷油压力低，雾化差，希望断油迅速、彻底，以减少这一阶段的喷油量。,2,、供油规律和喷油规律：,分别指供油速率和喷油速率随凸轮转角或时间的变化规律。,两者的特点：,1,）供油规律决定喷油规律；,2,）喷油持续时间大于供油时间；,3,）喷油时刻落后于供油时刻；,4,）循环喷油量少于循环供油量；,5,）最大喷油速率低于最高供油速率；,6,）喷油规律较供油规律明显畸变。,造成喷油规律与供油规律差异的主要原因：,1,）燃油的可压缩性：,2,）压力波传递的滞后：,产生压力波并使循环供油量大于循环喷油量。,3,）压力波动：,喷油时刻落后于供油时刻（高压油管越长、转速越高，落后角度越大）。,造成喷油规律明显畸变。,4,）高压容积变化（高压油管和两阀）：,主要造成循环供油量大于循环喷油量。,*,思考：喷油规律的影响因素主要有那些？,（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）,3,、喷雾特性与雾化特性：,燃油雾化：,指燃油喷入燃烧室后被破碎成细小液滴的过程,（喷雾越细越好）,。,油束几何形状：,1,）油束射程（贯穿距离）,L,2,）喷雾锥角,或油束最大宽度,B,在喷油压力和喷孔不变的前提下，喷雾锥角,越大，雾化好，但贯穿距离,L,会相应减小。,希望,L,和,都要大,3,）贯穿率：,指油束贯穿距离与喷孔轴线到燃烧室壁面距离的比值，即,L/R,。,当贯穿率,1,时，,会有部分燃油喷射到燃烧室壁面上，,*,思考：从,L,、,及贯穿率来考虑（喷油压力不变），如何才能提高喷雾效果？,故一般直喷式柴油机采用较小的贯穿率。,影响油束几何形状的主要因素：,1,）喷射压力,2,）喷油孔的长,/,径比,3,）介质反力,（取决于空气密度或压力）,喷射压力增大，,L,和,增大，雾化效果越好。,长,/,径比增大，,L,增大而,减小。,压缩终了压力越大，,增大（雾化好）但,L,减小。,油束的雾化质量：,指油束中液滴的细度和均匀度。,1,）平均粒径：,2,）索特粒径：,所有油粒直径的算术平均值。,（无法表示不同油粒的分布情况）,所有油粒总体积与总面积之比。,在循环供油量相同的情况下，,SMD,值越小，雾化效果也就越好。,若,SMD,相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也就基本相同。,3,）粒径分布：,表示油粒大小及其分布。,1-,油粒细而均匀,2-,油粒粗细不均匀,3-,油粒粗但均匀,粒径分布与喷射压力、喷射背压和喷孔直径有关。,4,、不正常喷射：,1,）二次喷射：,喷油器针阀落座后，在压力波动的影响下再次开启的喷油现象，,危害：,首先，喷射压力小，雾化不良，燃烧不完全，碳烟增加且易积碳而堵塞喷孔；,其次，在燃烧后期喷入，后燃严重，经济性下降且加重高温零件的热负荷。,*,思考：可采取那些措施避免二次喷射？,（加大针阀弹簧刚度、增大减压容积和喷孔直径、减小高压油管直径和长度）,二次喷射,易发生在高速、大负荷工况下,。,2,）断续喷射：,喷油泵供油跟不上喷油针阀流通截面上的出油量，而造成的针阀周期性的跳动。,危害：,加重针阀偶件的磨损。,*,思考：可采取那些措施避免断续喷射？,（加大供油速率（提高柱塞平均运动速度和直径，改善油泵凸轮型线）、减少针阀直径和喷孔直径）,断续喷射,易发生在低速、小负荷区。,3,）不规则喷射和隔次喷射：,由于供油量过小，造成每循环供油量不均匀，甚至有些循环不喷油的现象。,危害：,使怠速工况不稳甚至停车（只能采用较高的怠速转速）。,*,思考：可采取那些措施避免不规则喷射？,（加大柱塞直径，减小针阀弹簧刚度,（慎用），,减少高压容积）,易发生在怠速工况下（或者喷油设备偶件过度磨损）。,4,）喷油器滴漏：,喷射终了时，仍有燃油流出的现象；,危害：,由于是流出，雾化极差，易积碳和堵塞喷孔。,*,思考：可采取那些措施避免滴漏？,（增加针阀刚度，减小针阀针阀压力室容积及喷孔面积，增大出油阀减压容积）,产生的原因：,一是系统压力不能迅速下降，导致针阀落座速度慢；,二是针阀下压力室容积过大，燃油受热膨胀后溢出；,三是针阀偶件磨损造成漏油。,5,）穴蚀：,是由于高压油路中油压低于燃油蒸汽压，产生气泡和气泡破裂所至。,严重危害系统的正常工作和使用寿命。,减压阀减压速度过快或喷油孔面积过大。,因而可采取减少减压容积和喷孔面积的方法来消除穴蚀（但要避免出现二次喷射）。,产生的原因：,第,2,节 燃烧与放热,1,、着火落后期（滞燃期，,A-B,）,一、柴油机燃烧过程,2,、速燃期（急燃期，,B-C,）,3,、缓燃期（,C-D,）,4,、补燃期（后燃期，,D-E,）,1,、着火落后期（滞燃期，,A-B,）,从燃油开始喷入到开始着火燃烧,（压力线明显脱离纯压缩线而急剧升高）,原因：,物理准备、化学准备,影响因素：,压缩比,（压缩终了温度与压力）,十六烷值,*,思考：着火落后期长短对发动机性能有何影响？,2,、速燃期（急燃期，,B-C,）,从开始着火燃烧到压力达到最高点,（最高爆发压力，通常喷油在此阶段结束）,。,特点：,着火落后期内形成的可燃混合气在上止点附近多点着火迅速燃烧。,压力升高率的影响因素：,综合来讲，希望 不超过,0.4MPa,。,动力性,运转平稳性,压力升高率对性能的影响：,越大,排放性,越好,越差,越差,着火落后期内形成的可燃混合气数量,*,思考：如何控制压力升高率？,3,、缓燃期（,C-D,）,从压力最高点到温度最高点,。,特点：,1,、,大部分燃油在此期间燃烧,（放热量占,70-80%,），并,出现循环最高温度,T,max,=1600-2000,；,2,、由于活塞于下行，,作功效率差；,3,、燃烧产物多，氧浓度低，,燃烧速度很慢；,4,、高温缺氧燃烧，,是生成碳烟的主要阶段。,如何改进缓燃期燃烧性能：,从其特点来看，第,1,条是必然性的，只能着手于,2,、,3,、,4,条,。,1,、加快混合，缩短缓燃期燃烧时间；,2,、采用大的过量空气系数,（,1.2,以上）；,*,思考：如何加快缓燃期混合速度？,4,、补燃期（后燃期，,D-E,）,从温度最高点直到燃料基本燃烧完。,特点：,1,、远离上止点放热，,排温高、热负荷严重,（高速大负荷尤为严重）；,2,、部分碳烟等不完全燃烧产物在此期间被氧化。,改进：,加速混合、缩短后燃期,二、燃烧过程中存在的问题,混合时间短,+,废气干扰,边喷、边混合、边烧,1,、混合气形成困难，燃烧不完全,改进措施：,加速空气运动,组织进气涡流、压缩涡流等,采用大的过量空气系数（,1.2,）,在进气不变的情况下意味着少喷油，动力性下降，与提高动力性相矛盾。,速燃期压力升高率大，燃烧噪音大，运转稳定性差。,2,、燃烧噪音、运转稳定性,改进措施：,减少着火落后期内形成的可燃混合气数量,缩短着火落后期,高压缩比（提高温度与压力）、高十六烷值,减少着火落后期的喷油量,先缓后急的喷油模式,但是通过降低压力升高率来控制燃烧噪音、改善运转稳定性的同时会降低最高爆发压力，使动力性下降。,三、燃烧放热规律,1,、定义：,燃烧放热快,放热速率,累计放热百分比,燃烧放热规律,意义：,压力和温度升高快,因此，燃烧放热规律直接影响到柴油机的工作性能。,放热规律的测定：,（,1,）放热始点,燃烧放热规律,（在持续期和速率曲线不变的情况下）,放热始点（起点）放热持续期,放热曲线形状,始点提前：,放热规律三要素：,压缩负功增大、热效率降低,始点推迟：,压力升高率和最高爆发压力小，但热效率低且后燃严重。,2,、理想放热规律,1,）喷油提前角,放热始点的控制：,通常是以最大功率和最小油耗为目标。,燃烧放热规律,2,）着火落后期,具体措施：,转速、负荷，相应提前角应加大。,缩短着火落后期，以减少预喷油量。,提高压缩终了的压力与温度,（增压柴油机噪音小的原因）,（,2,）放热持续期与放热曲线形状,最高爆发压力、温度,和压力升高率大,燃烧放热规律,动力性好、效率高,但噪音、运转稳定性和排放性差,（在总放热量不变的情况下）,持续期越短、曲线越陡,放热持续期的控制：,1,）喷油持续时间,2,）燃烧时间,混合快慢,加强汽缸内的空气运动,放热曲线形状的影响：,放热先快后慢,放热规律对示功图的影响,放热先快后慢,效率高、但工作粗暴、,NO,X,排放高,效率低、但工作柔和、排放好,第,3,节 混合气形成与燃烧,1,、缸内形成,2,、时间极短,3,、过量空气系数较大,4,、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合,柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：,喷雾雾化,空气运动 燃烧室结构,加快混合气的形成是保证及时、完全燃烧靠,（汽油机是提高火焰传播速度）,混合气形成特点,:,一、混合气形成特点,二,、混合气形成方式,空间雾化混合 油膜蒸发混合,1,、空间雾化混合：,将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴与空气涡流进行混合。,混合效果主要取决于：,喷雾特性、空气涡流,空间雾化混合,涡流混合的作用：,过弱,混合效果差,过强,使燃烧产物与邻近喷雾重叠,a,、促使油束分散,b,、实现热力混合,空间雾化混合的特点：,优点：,喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、,效率高。,缺点：,初期形成混合气过多，使压力、温度急剧上升，,发动机工作粗暴（噪音大），,NOx,排放高；,若减少初期喷油量，将导致后期高温裂解严重，,碳烟增加。,2,、油膜蒸发混合：,将燃油喷向燃烧室璧面以油膜蒸发油气的形式与空气涡流混合,（一般用于球形燃烧室）,。,混合效果取决于：,燃烧室壁面温度、空气涡流,油膜蒸发混合,混合快慢,取决于喷雾特性和空气涡流,油膜蒸发混合的特点：,优点：,初期形成混合气量少，,发动机工作柔和、,NOx,排放少；,燃烧过程中，燃烧始终是蒸发后与空气混合，避免了高温下油滴的裂解，,碳烟排放低。,低温蒸发速度慢，,冷起动性能差；对工况变化的反映能力差；,另外，对涡流变化敏感，且热效率也不及空间雾化混合方式。,缺点：,混合快慢,取决于燃烧室壁面温度和空气涡流,在车用柴油机中，通常是上述两种方式共存，,但多数以空间雾化混合为主。球形燃烧室以油膜蒸发混合方式为主。,三,、缸内气流运动,1,、涡流：,主要可分为：,涡流、挤流、滚流和湍流。,分,进气涡流,、,压缩涡流,和,燃烧涡流,三种。,（,1,）进气涡流：,在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的气流运动,（通常人为组织）,。,进气涡流,涡流比 ：,涡流转速与发动机转速之比,（用于衡量涡流强度）。,切向气道,螺旋进气道,进气涡流的组织：,a,、切向进气道：,涡流比通常为,1-2,，适用于对涡流强度要求不高的发动机；,但是：,进气涡流会增大进气阻力，降低进气充量。,b,、螺旋进气道：,涡流比为,2-4,，适用于涡流强度要求较高的发动机。,（,2,）压缩涡流：,进气过程中不组织涡流，而是在压缩过程中，在涡流室内产生涡流运动,（会影响压缩功和热效率）。,（,3,）燃烧涡流：,涡流室型燃烧室，燃烧过程中由于压力差产生的涡流,（会影响热效率）。,压缩涡流,燃烧涡流,2,、挤流：,压缩过程中，气缸内空气被挤入活塞顶部燃烧室凹坑而形成的涡流运动。,3,、滚流：,进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线旋转的气流运动,（通常人为组织）。,进气滚流,由于气流会引起能量损失，且高速与低速时差异较大，难于精确控制，故,现代柴油机倾向于高压直喷方向发展。,四,、柴油机燃烧室,1,、直喷式：,开式（浅,型）和半开式（,型、球型）。,（直喷式与分隔式）,（,1,）浅,形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比,0.7,）,浅,形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,空间雾化为主，故采用较多的喷孔数,（,7-12,）,和较高的喷射压力；一般不组织进气涡流，要求贯穿率,1,。,动力性、经济性和起动性好；,通常用于缸径较大、转速较低的发动机。,最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、,NOx,和碳烟排放高,。,缺点：,（,2,）,形燃烧室（凹坑与活塞的直径之比,0.7,）,形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,空间雾化混合为主，采用多孔喷嘴,(4-6),，组织一定进气涡流和挤流，以加速混合气的形成。,动力性、经济性和起动性好，适合于高速柴油机需求；,通常用于缸径为,80-140mm,之间、转速,4500r/min,的发动机。,最高燃烧温度与压力高、工作粗暴、,NOx,和碳烟排放高，且对转速变化敏感。,缺点：,（,3,）非回转体燃烧室,结构特点：,燃烧室中特殊设计了一些边角和凹凸。,优点：,燃烧改善，,HC,和,CO,排放低，对转速变化不敏感。,缺点：,NOx,排放较高，加工复杂，一些突出部位热负荷严重。,（,4,）球形燃烧室,球形燃烧室,混合气形成特点：,优点：,油膜蒸发为主，需要强涡流保证均匀而薄的油膜的形成,（通常采用螺旋进气道加强进气涡流）,。,冷起动性差。,1,、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数；,2,、混合均匀，避免油滴高温裂解，故,碳烟排放低，动力性与经济性较好；,3,、,工作,柔和、,NOx,排放低。,缺点：,1,、燃烧迅速，经济性好；,2,、面容比小，散热损失小，冷起动性能好；,3,、对喷射系统要求较高；,4,、半开式对进气气流有较高要求；,5,、变工况适应性差，对转速敏感,;,6,、,NOx,和碳烟排放高。,直喷式燃烧室特点：,2,、非直喷式（分隔式）：,涡流室燃烧室,预燃室燃烧室,1,、二次涡流或湍流（压缩和燃烧）加速混合，抑制碳烟的生成；,4,、对进气涡流和喷雾要求低；,特点：,2,、浓稀两段混合燃烧，抑制了,NOx,的生成，且燃烧柔和，噪音小；,3,、散热与节流损失大，冷起动性与经济性差；,5,、涡流室适合于高速柴油机；,6,、空气利用率高，可采用较小的过量空气系数。,第,4,节 燃烧过程的优化,柴油机燃烧优化的难点：,一、燃烧过程优化的基本原则,1,、动力性、经济性、运转稳定性（噪音）、排放性的改善往往相互矛盾；,2,、车用柴油机工作范围广泛，对油,-,气,-,燃烧室三者间的配合影响很大。,燃油雾化、空气运动、燃烧室结构,柴油机燃烧优化的一般原则：,1,、控制着火落后期内形成的混合气数量,2,、合理组织燃烧室气流运动,动力性、经济性与燃烧噪音、,NOx,排放的折中,加速混合与燃烧、避免局部过浓,充量降低、损失增大,3,、紧凑的燃烧室结构（,F/V,要小）,减少散热、提高空气利用率,减少余隙容积,4,、运转参数的优化,（,喷油提前角、喷油规律,、压缩比、配气相位、增压比、,EGR,率等）,喷油提前角,过大：,过小：,转速、负荷越大,着火落后期长，工作粗暴、动力性、经济性和排放性（,NOx,）变差；,不能在上止点附近燃烧，动力性与经济性差、同时碳烟排放高。,适当加大提前角,二、燃油喷射过程（喷油规律）的优化,放热规律对发动机性能的影响：,理想的燃烧模式：,初期放热速率要适中，降低燃烧噪音并抑制,NOx,的生成；中、后期燃烧要迅速（尤其要缩短补燃期），确保动力性与经济性，同时降低碳烟生成。,喷油规律应满足：,速率不能太高，以便控制着火落后期内混合气量，降低初期的放热速率；,（降低,NOx,和噪音）,喷油速率要高，以便缩短喷油时间，加快燃烧；,（确保动力性与经济性，并降低碳烟）,1,、喷油初期：,2,、燃烧开始后：,断油要迅速，并防止不规则喷射；,（降低碳烟和油耗）,3,、喷油结束：,总的说来：“先缓后急、断油迅速，防止不规则喷射。”,改善喷油规律（供油规律）的措施：,1,、提高喷射压力,改善雾化、加速混合、缩短着火落后期和燃烧持续时间。,（高达,150-200MPa),2,、先缓后急的喷射,（,1,）采用凹弧凸轮代替切线凸轮；,凹弧凸轮与切线凸轮供油规律对比,（,2,）采用双弹簧喷嘴结构,（,3,）采用预喷射和多段喷射,(,高压共轨技术）,高压共轨燃油喷射系统,1,）预喷改善冷起动性,2,）先导喷射降低,NOx,和噪音,3,）主喷确保动力性与经济性,4,）后喷降低,NOx,的排放,3,、缩短或取消高压油管,采用泵喷嘴结构或单体泵，降低高压容积引起的压力波动，避免不规则喷射。,多段喷射示意,预喷,先导喷射,主喷,后喷,1,、试论述柴油机燃烧过程中，压力升高率对柴油机性能的影响。,复习思考题：,2,、简述柴油机混合气形成特点和方式。,3,、,简述合适的柴油机燃烧放热规律。,4,、,简述合适的柴油喷射规律,。,5,、,燃油喷射中的不正常喷射主要有哪些？会产生哪些危害？,6,、,简述直喷式燃烧室与分隔式燃烧的特点。,