1、 著火延遲期著火延遲期 速燃期速燃期 緩燃期緩燃期 后燃期后燃期第第5章章 柴油機柴油機混合氣的形成和燃燒混合氣的形成和燃燒 柴油機柴油機燃燒過程、噴油速率和放熱規律燃燒過程、噴油速率和放熱規律 1. 1.著火延遲期著火延遲期 著火延遲期又著火延遲期又稱為滯燃期、著火落后期，從稱為滯燃期、著火落后期，從燃油開始噴入燃燒室內燃油開始噴入燃燒室內(A點點)至壓力至壓力線明顯脫線明顯脫離壓縮線開始急劇上升離壓縮線開始急劇上升(B點點) 注意：柴油機注意：柴油機著火著火延遲延遲期的長短期的長短會明顯影響會明顯影響滯燃期內噴滯燃期內噴油量油量和和預制混合氣量預制混合氣量的多少，從而影響柴油機的燃燒特的多

2、少，從而影響柴油機的燃燒特性、性、動力、經濟性動力、經濟性、排放特性排放特性以及噪聲振動，必須精確以及噪聲振動，必須精確控制控制著火延遲期的影響因素著火延遲期的影響因素 十六烷值十六烷值 溫度溫度 壓力壓力 燃燒室形式燃燒室形式 壁溫壁溫2. 2.速燃期速燃期 壓力升高率壓力升高率 從提高動力性和經濟性的角度，希望從提高動力性和經濟性的角度，希望d dp pd d大一些大一些 d dp pd d過大會使柴油機工作粗暴，運動零部件受到過大會使柴油機工作粗暴，運動零部件受到過大沖擊載荷，過大沖擊載荷， 過急的壓力升高會導致溫度明顯升高，使氮氧化物生過急的壓力升高會導致溫度明顯升高，使氮氧化物生成量

3、明顯增加。成量明顯增加。 為兼顧柴油機運轉平穩性，為兼顧柴油機運轉平穩性，d dp pd d不宜不宜超過超過0 0.4.4MPaMPa( () )，而為了抑制氮氧化物的生成，而為了抑制氮氧化物的生成，d dp pd d還應還應更低。更低。BCBCppp3.3.緩燃期緩燃期 特點：采取措施使后期噴入的燃油能及時特點：采取措施使后期噴入的燃油能及時得到足夠的空氣，盡可能地加速混合氣的得到足夠的空氣，盡可能地加速混合氣的形成，保證迅速而完全的燃燒，從而提高形成，保證迅速而完全的燃燒，從而提高柴油機的經濟性和動力性。柴油機燃燒室柴油機的經濟性和動力性。柴油機燃燒室內的最高溫度可達內的最高溫度可達200

4、0K左右，一般在上止左右，一般在上止點后點后2035曲軸轉角處出現。曲軸轉角處出現。 緩燃期不緩緩燃期不緩4. 4. 補燃期補燃期 緩燃期緩燃期D D點到燃料基本燃燒完畢。累點到燃料基本燃燒完畢。累積放熱率大于積放熱率大于95%95%。后燃遠離上止點，。后燃遠離上止點，熱量不能有效利用，散熱損失增加，熱熱量不能有效利用，散熱損失增加，熱負荷增加，排溫升高。負荷增加，排溫升高。 補燃期要短補燃期要短5 5. .1.2 1.2 燃燒燃燒放熱規律放熱規律 1.燃燒放熱規律的定義燃燒放熱規律的定義 瞬時放熱速率瞬時放熱速率是指單位是指單位時間內時間內( (或或l l曲軸轉曲軸轉角內角內) )燃燒的燃油

5、所放出的熱量；燃燒的燃油所放出的熱量； 累積放熱百分比累積放熱百分比，是指從燃燒過程開始至某，是指從燃燒過程開始至某一時刻為止已經燃燒的燃油與循環供油量的一時刻為止已經燃燒的燃油與循環供油量的比值。比值。 瞬時放熱速率和累積放熱百分比隨曲軸轉角瞬時放熱速率和累積放熱百分比隨曲軸轉角的變化關系，稱為的變化關系，稱為燃燒放熱規律燃燒放熱規律 燃燒放熱規律 ddddddddwQWUQB2. 2. 柴油機合理的燃燒放熱規律柴油機合理的燃燒放熱規律 1)1)放熱規律三要素放熱規律三要素 一般將燃燒一般將燃燒放熱始點放熱始點(相位相位)、放熱持續期放熱持續期和和放熱率曲線的形狀放熱率曲線的形狀稱為放熱規律

6、三要素稱為放熱規律三要素 2)理想的燃燒放熱規律理想的燃燒放熱規律 合適的燃燒起點，同時燃燒應該是先緩后合適的燃燒起點，同時燃燒應該是先緩后急，燃燒持續時間不宜過長急，燃燒持續時間不宜過長 （汽、柴）放熱（汽、柴）放熱始點的位置要能保證最大燃燒始點的位置要能保證最大燃燒壓力出現在上止點后壓力出現在上止點后1015。柴油機通過。柴油機通過噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加以噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加以調控調控 燃燒燃燒放熱規律曲線形狀放熱規律曲線形狀 應先緩后急。在開始放熱階段，不希望燃燒放熱速率上升得過快，以降低壓力升高比，使柴油機的工作粗暴得到控制；然后燃燒應加速進行，使絕大

7、部分燃油在盡可能靠近上止點處完成燃燒，以提高經濟性。 燃燒燃燒持續時間持續時間 燃燒持續時間原則上越短越好。汽油機和柴油機燃燒過程主要特點對比汽油機和柴油機燃燒過程主要特點對比DI機燃燒放熱先急后緩，燃燒持續期較長5 5. .2 2柴油機混合氣的形成原理柴油機混合氣的形成原理 5 5. .2.12.1燃油的噴射與霧化燃油的噴射與霧化 柱塞柱塞式噴油泵燃油供給系式噴油泵燃油供給系 分配式噴油泵燃油供給系 噴油器噴油器 不同噴油嘴的流通特性 2.2.噴射與霧化噴射與霧化 1) 1) 噴射過程噴射過程 (1)(1)噴射延遲階段噴射延遲階段(2)(2)主噴射階段主噴射階段 (3)(3)噴油結束階段噴油

8、結束階段 2)2)供油規律與噴油規律供油規律與噴油規律 單位凸輪軸轉角單位凸輪軸轉角( (或單位時間或單位時間) )由噴油泵供由噴油泵供入高壓油路中的燃油量稱入高壓油路中的燃油量稱供油速率供油速率；單位；單位凸輪軸轉角凸輪軸轉角( (或單位時間或單位時間) )由噴油器噴入燃由噴油器噴入燃燒室內的燃油量稱為燒室內的燃油量稱為噴油速率噴油速率 兩者的差別主要原因兩者的差別主要原因 ：(1) (1) 燃油的可壓縮性燃油的可壓縮性 (2) (2) 壓力波傳播滯后壓力波傳播滯后 （相位差相位差）(3) (3) 壓力波動壓力波動 （形狀上的差異形狀上的差異）(4) (4) 高壓容積變化高壓容積變化 高壓油

9、管的彈性變形及出油閥、針閥兩個彈高壓油管的彈性變形及出油閥、針閥兩個彈性系統的影響性系統的影響 a)a)正常噴射正常噴射 b)b)二次噴射二次噴射 c)c)斷續噴射斷續噴射 d)d)隔次隔次噴射噴射穴蝕穴蝕：高壓容積內產生壓力波動時，會出現低于燃高壓容積內產生壓力波動時，會出現低于燃油蒸氣壓的壓力，故而形成汽泡，壓力升高，汽油蒸氣壓的壓力，故而形成汽泡，壓力升高，汽泡爆裂產生沖擊波，多次作用于金屬表面引起。泡爆裂產生沖擊波，多次作用于金屬表面引起。3) 3) 異常噴射與穴蝕異常噴射與穴蝕 對噴射系統的要求對噴射系統的要求 對噴油規律的基本要求對噴油規律的基本要求 1.1. 盡可能減少噴油系統中

10、的燃油壓力波動，以防盡可能減少噴油系統中的燃油壓力波動，以防止不正常噴射現象止不正常噴射現象 2. 不同轉速、負荷下，在最佳噴油時刻精確提供不同轉速、負荷下，在最佳噴油時刻精確提供所需燃油量。所需燃油量。3. “先緩后急，斷油迅速先緩后急，斷油迅速”4. 良好的油束特性以滿足燃燒室的要求良好的油束特性以滿足燃燒室的要求5. 提高系統的工作可靠性和使用壽命提高系統的工作可靠性和使用壽命合理的噴油規律合理的噴油規律及其實現及其實現 合理的噴油規律 1）改變凸輪型線 2）雙彈簧噴油器 雙雙彈簧噴油器噴射規律形狀與單彈簧噴油器噴射規律形狀與單 彈簧噴油器進行對比彈簧噴油器進行對比a) a) 單彈簧噴油

11、器單彈簧噴油器 ( (b) b) 雙彈簧噴油器雙彈簧噴油器 3）預噴射和多段噴射 預預噴射對燃燒特性的影響噴射對燃燒特性的影響 多多段噴射的示意圖段噴射的示意圖 5.2.2燃燒室與混合氣形成燃燒室與混合氣形成 1.柴油機的混合氣形成特點和方式柴油機的混合氣形成特點和方式 1) 1) 空間霧化混合空間霧化混合 2) 2) 油膜蒸發混合油膜蒸發混合 3) 3) 兩種混合方式的對比兩種混合方式的對比 空間霧化空間霧化 燃油燃油的噴霧特性對混合起決定性的作用的噴霧特性對混合起決定性的作用 噴霧細、均勻。較多的油滴受熱蒸發，著火延噴霧細、均勻。較多的油滴受熱蒸發，著火延遲期內形成大量的可燃混合氣，燃燒初

12、期放熱遲期內形成大量的可燃混合氣，燃燒初期放熱率過大，壓力急劇升高，工作粗暴，率過大，壓力急劇升高，工作粗暴，NOx排放排放高。高。 如果減小著火延遲期內混合氣生成量，則勢必如果減小著火延遲期內混合氣生成量，則勢必造成大量燃油在著火后的高溫高壓下蒸發混合，造成大量燃油在著火后的高溫高壓下蒸發混合，容易因空氣不足而裂解成炭煙。容易因空氣不足而裂解成炭煙。 空間霧化混合方式有較高的熱效率，但炭煙、空間霧化混合方式有較高的熱效率，但炭煙、NOx和燃燒噪聲均較高。和燃燒噪聲均較高。 油膜蒸發油膜蒸發 混合混合的指導思想是利用燃油蒸發速率控制混合氣的指導思想是利用燃油蒸發速率控制混合氣生成速率，生成速率

13、，燃燒室壁面溫度和空氣旋流燃燒室壁面溫度和空氣旋流起了主要起了主要作用。作用。 油膜受熱蒸發所需時間要比細小油滴長得多，加油膜受熱蒸發所需時間要比細小油滴長得多，加之燃燒室壁溫控制較低，使油膜蒸發混合方式在之燃燒室壁溫控制較低，使油膜蒸發混合方式在期內生成的混合氣量遠小于空間霧化方式。期內生成的混合氣量遠小于空間霧化方式。 隨燃燒進行，在高溫和火焰輻射作用下，油膜蒸隨燃燒進行，在高溫和火焰輻射作用下，油膜蒸發加速，使混合氣生成速度加快。發加速，使混合氣生成速度加快。 大部分燃料是在蒸發后以氣體狀態與空氣或高溫大部分燃料是在蒸發后以氣體狀態與空氣或高溫燃氣接觸，可以避免空間霧化混合時常有的液態燃

14、氣接觸，可以避免空間霧化混合時常有的液態燃油高溫裂解問題，使炭煙特別是大顆粒炭煙排燃油高溫裂解問題，使炭煙特別是大顆粒炭煙排放降低。放降低。 2.缸內氣流運動缸內氣流運動 1) 渦流渦流 (1)(1)進氣渦流：進氣渦流：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流(2)壓縮渦流壓縮渦流 ：在渦流室燃燒室中，氣體在進氣過程在渦流室燃燒室中，氣體在進氣過程中并不產生旋流，而在壓縮過程中由主燃燒室經中并不產生旋流，而在壓縮過程中由主燃燒室經連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流

15、2)2)擠流擠流 3) 湍流湍流 4) 滾流滾流 進氣道氣門出口速度分布進氣道氣門出口速度分布各種渦流比各種渦流比 導氣屏設置在進氣門上，可調節渦流強度，渦流比0 4 切向氣道形狀簡單，渦流比1 2 螺旋氣道的形狀最復雜，渦流比24，同樣渦流比時的進氣阻力小于切向氣道，適用于對進氣渦流強度要求較高的發動機渦流比進入凹坑時增大渦流比進入凹坑時增大渦流比隨曲軸轉角的變化渦流比隨曲軸轉角的變化壓縮渦流壓縮渦流 在渦流室燃燒室中，氣體在進氣過程中并不產生旋流，而在壓縮過程中由主燃燒室經連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流 擠擠流流 擠流也是一種有效的缸內氣體運動，在壓縮過程中，當活塞接近上止點時，氣

16、缸內的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內，由此產生擠壓渦流(擠流)a)無進氣渦流 b)進氣渦流強時的擠流 c)逆擠流 或渦流不強時的擠流 湍流湍流 在氣缸中形成的無規則的小尺度氣流運動稱為湍流，也稱微渦流。 湍流可以促進燃油和空氣的微混合程度，加速燃燒過程。滾流滾流 在進氣過程中形成的繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流稱為滾流(tremble)，也稱為縱渦或橫軸渦流。柴油機柴油機燃燒室燃燒室 各種直噴式燃燒室形式 (a) 淺盆形 (b) 形 (c)擠流口形 (d)球形 淺盆形燃燒室的特點 形燃燒室的特點 屬于半開式燃燒室，在活塞頂部設有比較深的凹坑，其中屬于半開式燃燒室，在活塞頂部設有比較深的凹

17、坑，其中形凹坑的中心凸起是為了幫助形成渦流以及排除氣流運形凹坑的中心凸起是為了幫助形成渦流以及排除氣流運動很弱的中心區域的空氣而設置的。動很弱的中心區域的空氣而設置的。 一般一般dkD為為0.6左右，左右，dkh1.53.5。采用采用46孔均布孔均布的多孔噴油器中央布置的多孔噴油器中央布置(四氣門時四氣門時)或偏心布置或偏心布置(二氣門時二氣門時)，噴霧貫穿率一般為噴霧貫穿率一般為1.05。 空氣運動以進氣渦流為主，擠流為輔。空氣運動以進氣渦流為主，擠流為輔。 進氣渦流比介于最低的淺盤形燃燒室進氣渦流比介于最低的淺盤形燃燒室(3)之間，之間， 通過減小通過減小dkD，和余隙高度和余隙高度S0，

18、可使擠流強度增加。可使擠流強度增加。 由于利用燃油噴射和空氣運動兩方面的作用形成混合氣，由于利用燃油噴射和空氣運動兩方面的作用形成混合氣，因而比淺盤形更容易形成均勻的混合氣，空氣利用率提高，因而比淺盤形更容易形成均勻的混合氣，空氣利用率提高，可在過量空氣系數聲可在過量空氣系數聲1.31.5的條件下實現完全燃燒。的條件下實現完全燃燒。 擠流口形燃燒室擠流口形燃燒室 非非回轉體燃燒室回轉體燃燒室( (a) a) 四角形四角形 ( (b) b) 微渦流微渦流MTCC ( c) MTCC ( c) QuardramQuardram (d) (d) 花瓣形花瓣形 日本小松公司的微渦流燃燒室日本小松公司的

19、微渦流燃燒室MTCC(micro turbulence combustion chamber)MTCC(micro turbulence combustion chamber) 在半開式燃燒室的基礎之上，利用燃燒室在半開式燃燒室的基礎之上，利用燃燒室形狀的設計來產生微渦流，改善混合氣形形狀的設計來產生微渦流，改善混合氣形成和燃燒。成和燃燒。 除大尺度的渦流除大尺度的渦流(如進氣渦流和擠壓渦流如進氣渦流和擠壓渦流)以以外，小尺度的渦流，又稱為微渦流或湍流，外，小尺度的渦流，又稱為微渦流或湍流，對混合氣形成和燃燒的促進作用已得到公對混合氣形成和燃燒的促進作用已得到公認。認。 微渦流主要是利用大尺度

20、的渦流在燃燒室微渦流主要是利用大尺度的渦流在燃燒室內不同位置造成的速度差以及流經一些特內不同位置造成的速度差以及流經一些特殊設計的邊角、凹凸時產生的氣流擾動所殊設計的邊角、凹凸時產生的氣流擾動所形成的形成的 MANMAN公司的公司的J JS SMeurerMeurer博士博士 M M燃燒過程燃燒過程 M燃燒過程表述燃燒過程表述 噴油射束沿球形燃燒室壁面并順氣流噴射，燃噴油射束沿球形燃燒室壁面并順氣流噴射，燃油被噴涂在壁面上形成油膜。油被噴涂在壁面上形成油膜。 為保證形成很薄的厚度均勻的油膜，需要很強為保證形成很薄的厚度均勻的油膜，需要很強的渦流的渦流(渦流比渦流比3)。 在較低壁溫的控制下在較

21、低壁溫的控制下(200350)，燃料在著火燃料在著火前以較低速度蒸發，在著火落后期內生成的混前以較低速度蒸發，在著火落后期內生成的混合氣較少，因而初期燃燒放熱率和壓力升高率合氣較少，因而初期燃燒放熱率和壓力升高率低。低。 隨燃燒進行，缸內溫度和火焰熱輻射強度提隨燃燒進行，缸內溫度和火焰熱輻射強度提 高，使得油膜蒸發加速，燃燒也隨之加速高，使得油膜蒸發加速，燃燒也隨之加速。各種直噴式燃燒室比較各種直噴式燃燒室比較示示直噴式燃燒室柴油機的性能特點直噴式燃燒室柴油機的性能特點 1) 燃燒迅速，故經濟性好，有效燃油消耗率低。直燃燒迅速，故經濟性好，有效燃油消耗率低。直噴式柴油機比分隔式柴油機有效燃油消

22、耗率約低噴式柴油機比分隔式柴油機有效燃油消耗率約低1020，但其工作較粗暴，壓力升高率大，但其工作較粗暴，壓力升高率大，燃燒噪聲大。燃燒噪聲大。 2)燃燒室結構簡單，表面積與容積比小，因此散熱燃燒室結構簡單，表面積與容積比小，因此散熱損失小，也沒有主、副室之間的節流損失，一方損失小，也沒有主、副室之間的節流損失，一方面可使冷起動性能較好，另一方面也是經濟性好面可使冷起動性能較好，另一方面也是經濟性好的重要原因。的重要原因。3)對噴射系統的要求較高，對噴射系統的要求較高，4)NO的排放量比分隔式燃燒室柴油機高，開式燃燒的排放量比分隔式燃燒室柴油機高，開式燃燒室的微粒排放量相對較低。室的微粒排放量

23、相對較低。5)對轉速的變化較為敏感，較難同時兼顧高速和低速對轉速的變化較為敏感，較難同時兼顧高速和低速工況的性能，工況的性能，分隔式燃燒室分隔式燃燒室渦流室渦流室 渦流室容積約占整個燃燒渦流室容積約占整個燃燒室壓縮容積的室壓縮容積的50 60。 渦流室與主燃燒室之間通渦流室與主燃燒室之間通道的截面積約為占活塞截道的截面積約為占活塞截面積的面積的135 通道方向與活塞頂通道方向與活塞頂 成一成一定的傾斜角度定的傾斜角度 在壓縮過程中，空氣從主在壓縮過程中，空氣從主燃燒室經通道流燃燒室經通道流 入渦流入渦流室，在渦流室內形成強烈室，在渦流室內形成強烈的有組織的壓的有組織的壓 縮渦流縮渦流渦流室形狀

24、渦流室形狀分隔式燃燒室分隔式燃燒室預燃室預燃室預燃室布置形式預燃室布置形式預燃室預燃室 預燃室容積約占整個燃燒室壓縮容積的預燃室容積約占整個燃燒室壓縮容積的35一一45 預燃室與主燃燒室之間通道的截面積約為預燃室與主燃燒室之間通道的截面積約為活塞截面積的活塞截面積的03 06 在壓縮過程中，氣缸內部分空氣流入預燃在壓縮過程中，氣缸內部分空氣流入預燃室內，由于連接通道截面積很小，且不與室內，由于連接通道截面積很小，且不與預燃室相切，所以在預燃室內形成強烈的預燃室相切，所以在預燃室內形成強烈的無組織的紊流無組織的紊流分隔式燃燒室柴油機的性能特點分隔式燃燒室柴油機的性能特點 空氣利用率較高，最小的過

25、量空氣系數可達空氣利用率較高，最小的過量空氣系數可達12左右左右 高速下有較好的性能。高速下有較好的性能。 對噴射系統的要求低，可以使用軸針式噴油器，對噴射系統的要求低，可以使用軸針式噴油器，噴射壓力較低。噴射壓力較低。 工作平穩，燃燒噪聲小。工作平穩，燃燒噪聲小。 散熱損失和通道節流作用引起的流動損失。較散熱損失和通道節流作用引起的流動損失。較直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經濟性差。直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經濟性差。 低負荷下的碳煙排放量大低負荷下的碳煙排放量大 冷起動性差冷起動性差分隔式燃燒室柴油機的性能特點分隔式燃燒室柴油機的性能特點 (1)(1)采用濃、稀兩段混合燃燒方式，前段過濃采

26、用濃、稀兩段混合燃燒方式，前段過濃( (還原還原) )氣氛，抑制了氣氛，抑制了NONOx x的生成和燃的生成和燃燒溫度，而后段的稀燃燒溫度，而后段的稀燃( (氧化氧化) )氣氛和二次渦流又促進了炭煙的快速氧化，因氣氛和二次渦流又促進了炭煙的快速氧化，因而而NONOx x和微粒排放均低于直噴式燃燒室，但低負荷下的碳煙排放量較大。和微粒排放均低于直噴式燃燒室，但低負荷下的碳煙排放量較大。(2)(2)由于初期放熱率低，因而壓力升高率和最高燃燒壓力均低于直噴式燃燒室，由于初期放熱率低，因而壓力升高率和最高燃燒壓力均低于直噴式燃燒室，燃燒柔和，振動噪聲小。燃燒柔和，振動噪聲小。(3)(3)對于渦流室，壓

27、縮渦流隨發動機轉速升高而增強，即轉速越高，混合氣形成對于渦流室，壓縮渦流隨發動機轉速升高而增強，即轉速越高，混合氣形成和燃燒速度越高，因此渦流室式燃燒室適合于高速柴油機，其轉速可高達和燃燒速度越高，因此渦流室式燃燒室適合于高速柴油機，其轉速可高達50005000r rminmin。(4)(4)缸內氣流運動自始至終比較強烈，空氣利用率好，可在過量空氣系數缸內氣流運動自始至終比較強烈，空氣利用率好，可在過量空氣系數1.21.2左右左右的條件下正常工作。的條件下正常工作。(5)(5)對噴油系統要求不高，不需要進氣渦流，進氣道形狀簡單，因而加工制造成對噴油系統要求不高，不需要進氣渦流，進氣道形狀簡單，

28、因而加工制造成本低，使用故障少。本低，使用故障少。( (6 6) ) 燃燒室結構復雜，表面積與容積之比較大，加上強烈的空氣運動的影響，使燃燒室結構復雜，表面積與容積之比較大，加上強烈的空氣運動的影響，使散熱損失較大，通道節流作用引起的流動損失也較大。因此，分隔式燃燒室散熱損失較大，通道節流作用引起的流動損失也較大。因此，分隔式燃燒室柴油機較直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經濟性差。柴油機較直噴式燃燒室柴油機熱效率低，經濟性差。( (7 7) ) 散熱損失大和噴霧質量不高，冷起動性能不如直噴式燃燒室散熱損失大和噴霧質量不高，冷起動性能不如直噴式燃燒室 不同柴油機燃燒室的對比及選型不同柴油機燃燒室的對比及選型1)在燃油經濟性方面，直噴式明顯優于