1、发动机原理发动机原理柴油机的混合气形成及燃烧高速高速（混合着火燃烧210ms）高温高温（2000 左右）高压高压（柴油机高达100bar 以上）复杂过程复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学发动机（内燃机）燃烧所追求的目标：发动机（内燃机）燃烧所追求的目标：高高e e(i i)、高高P Pmeme（P Pmimi）、）、低污染、低噪声振动低污染、低噪声振动内燃机燃烧的特点：内燃机燃烧的特点：第5章 柴油机的混合气形成及燃烧燃烧过程的高速摄影实例：燃烧过程的高速摄影实例：48121620242832400(TDC)火焰特点：火焰特点：多点大面积着火多点大
2、面积着火粗暴粗暴“有焰有焰”燃烧燃烧产生碳烟产生碳烟柴油机燃烧过程及其特性分析柴油机燃烧过程 分为四期：分为四期：着火落后期着火落后期（AB）速燃期速燃期（BC）缓燃期缓燃期（CD）后燃期后燃期（DE）p 现象现象:喷雾及混合喷雾及混合+低温多阶段着火，是复杂的物理低温多阶段着火，是复杂的物理化学过程化学过程；1 1、着火落后期（着火落后期（A AB B ）p 着火点的判断方式：着火点的判断方式：示功图示功图脱离压缩线的时点脱离压缩线的时点高速摄影高速摄影出现火焰出现火焰ROHR ROHR 放热率由负变正的拐点放热率由负变正的拐点 p 柴油机的着火落后期对后续燃烧过程有重要柴油机的着火落后期对
3、后续燃烧过程有重要影响。影响。p 影响着火落后期的主要因素：影响着火落后期的主要因素：温度、压力、喷油量、雾化特性温度、压力、喷油量、雾化特性 着火落后期着火落后期与与滞燃期滞燃期有何不同？有何不同？2 2、速燃期（、速燃期（BC ）p 现象现象大面积多点着火，燃烧极快，压力大面积多点着火，燃烧极快，压力陡升陡升；放热速率取决于滞燃期内形成的预放热速率取决于滞燃期内形成的预混合气多少，因此速燃期也称为混合气多少，因此速燃期也称为预混预混合燃烧期合燃烧期注意与汽油机的注意与汽油机的“预混合燃烧预混合燃烧”有有区别区别2 2、速燃期（、速燃期（BC ）p 影响影响 dp/ddp/d的主要因素：的主
4、要因素：滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、混合速率、滞燃期长短有关混合速率、滞燃期长短有关p燃烧特性参数：燃烧特性参数：dp/d对动力性、对动力性、i i 、m m、NOxNOx、振动噪声有、振动噪声有显著影响，显著影响，一般柴油机：一般柴油机：dp/d 0.20.6(MPa/CA)柴油柴油汽油汽油3 3、缓燃期（、缓燃期（CD ）p 现象现象剩余燃料边蒸发混合剩余燃料边蒸发混合,边燃烧，边燃烧，燃烧速率受控于燃料扩散混合速率，也称为燃烧速率受控于燃料扩散混合速率，也称为扩散燃烧期扩散燃烧期出现柴油机燃烧特有的出现柴油机燃烧特有的“双峰双峰”p p pma
5、xmax的大小及位置：的大小及位置：上止点后上止点后1015CA，取决于喷油时间、着火，取决于喷油时间、着火落后期、预混燃烧落后期、预混燃烧p 缓燃期燃烧缓燃期燃烧“过缓过缓”会造成会造成:等容度等容度，散热，散热，i i；碳烟和微粒排放；碳烟和微粒排放4 4、后燃期（、后燃期（DE ）p 现象现象 剩余剩余101020%20%的燃料继续燃烧，远离的燃料继续燃烧，远离TDCTDC，气流扰动变弱，燃烧速度下降。气流扰动变弱，燃烧速度下降。p 后燃期过长，会造成：后燃期过长，会造成：等容度等容度，散热，散热，碳烟和微粒排放碳烟和微粒排放，排温排温 、t t ；p 减少后燃的基本思路减少后燃的基本思
6、路 加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。p 放热规律三要素放热规律三要素：放热始点放热始点存在最佳值，一般使存在最佳值，一般使Pmax出现在出现在1015CA ATDC 持续期持续期尽可能缩短，一般柴油机尽可能缩短，一般柴油机4060CA 形状形状因性能要求而异因性能要求而异合理的燃烧放热规律p放热率形状：放热率形状：（相同放热始点、持续期时）（相同放热始点、持续期时）a：热效率最好（见：热效率最好（见185页），等容度最页），等容度最高高 d：热效率最低，但排放低：热效率最低，但排放低 bc：介于上述两者之间，有多种优化结：介于上述两者之间，有多种优化结果
7、，取决于实际需要果，取决于实际需要 发动机性能发动机性能 受控于受控于燃烧特性燃烧特性 受控于受控于混合气形成混合气形成本节从本节从油油、气气两个方面介绍柴油机混合两个方面介绍柴油机混合气形成过程气形成过程扩散燃烧速度着火落后期dp/d混合气形成速度气流运动气流运动燃烧室形状燃烧室形状喷油规律喷油规律燃油喷射及混合气形成燃油喷射及混合气形成过程极短过程极短(0.5ms)喷油系统与喷油特性1、对燃料喷射过程的要求、对燃料喷射过程的要求合理的喷油特性（喷油规律）合理的喷油特性（喷油规律）良好的雾化特性良好的雾化特性定时定时定量定量不出现异常不出现异常p 喷油特性主要指供油规律与喷油规律p 喷油特性
8、和喷雾特性是喷油系统最主要的两类指标 （1）喷射延迟阶段）喷射延迟阶段l 供油提前角供油提前角fs供油始点至供油始点至TDC的角度的角度（油泵出油）l 喷油提前角喷油提前角fj喷油始点至喷油始点至TDC的角度的角度（针阀始动）l 喷油延迟角喷油延迟角fsfj，转速越高、油管越长，延迟，转速越高、油管越长，延迟角越大角越大（2）主喷射阶段）主喷射阶段l 喷油始点喷油器端压力开始下降点喷油始点喷油器端压力开始下降点l 喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化l qn f(p,针阀升程，喷油持续期针阀升程，喷油持续期)（3）喷油结束阶段）喷油结束阶段l 喷油器端压力急剧下降点
9、针阀落座喷油器端压力急剧下降点针阀落座l 燃油雾化质量差，尽可能减少喷油量燃油雾化质量差，尽可能减少喷油量2、燃油喷射过程（机械式）3、供油规律与喷油规律p供油规律单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油泵供入高压油路中的燃油量称为入高压油路中的燃油量称为供油速率供油速率。供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油供油规律规律p喷油规律：喷油速率喷油速率和喷油规律喷油规律定义与上类似喷油泵喷油泵 喷油器喷油器p 供油速率计算供油速率计算PAppPApddhdddq24对于确定的喷油泵，柱塞直径对于确定的喷油泵，柱塞直径dp和柱塞运动
10、规律和柱塞运动规律（由凸轮型线决定）等几何参数是一定的，由于（由凸轮型线决定）等几何参数是一定的，由于可以比较准确地计算出可以比较准确地计算出 （72）因此也称因此也称 为为几何供油规律几何供油规律注意：看懂图注意：看懂图6-14；理解；理解“凸轮工作段凸轮工作段”的概念；在右图的概念；在右图上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有什么关系。什么关系。p 喷油规律的计算喷油规律的计算设燃油不可压缩，并作定常流动。设燃油不可压缩，并作定常流动。则由伯努利（则由伯努利（Bernoulli）方程可以推导出：方程可以推导出：31026fPAP
11、AnpnAddq其中：其中：A喷油器有效流通面积，是针阀升程的函数喷油器有效流通面积，是针阀升程的函数nPA喷油泵转速喷油泵转速 p喷孔前油压（嘴端压力）与气缸内压力之差喷孔前油压（嘴端压力）与气缸内压力之差f燃油密度燃油密度 nPA对于确定工况是常数；对于确定工况是常数；f可作常数处理；若测得可作常数处理；若测得A与针阀升程的函数关系，则可根据图与针阀升程的函数关系，则可根据图613所示的喷油器压力所示的喷油器压力pn和针阀升程和针阀升程hn，算出喷油规律。这种方法称为算出喷油规律。这种方法称为压力升程法压力升程法。另外还有另外还有波许长管法波许长管法、蜂巢法蜂巢法。？为什么会出现两者的差异
12、？为什么会出现两者的差异燃油的可压缩性燃油的可压缩性压力波传播滞后相位变化压力波传播滞后相位变化压力波反射叠加形状变化压力波反射叠加形状变化高压油管弹性变形高压油管弹性变形p 实际发动机中的供油规律与喷油规律对比实际发动机中的供油规律与喷油规律对比最终影响发动机性能的是喷油最终影响发动机性能的是喷油规律规律缸内气流运动p分类：分类：涡流、滚流、挤流涡流、滚流、挤流控制油气宏观混合控制油气宏观混合 湍流湍流促进油气微观混合促进油气微观混合1、涡流涡流（Swirl）绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用 （1）涡流种类：涡流种类：进气涡流进气涡
13、流、压缩涡流压缩涡流 （2）评价指标：）评价指标：涡流比涡流比涡流转速涡流转速/发动机转速发动机转速（3 3）进气涡流产生方式：）进气涡流产生方式：导气屏导气屏：结构简单，强度可调，：结构简单，强度可调，=0=04 4，但阻力大，一般用于试验发动机；但阻力大，一般用于试验发动机；切向气道切向气道：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但=1=12 2；螺旋气道螺旋气道：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力 小，小，=2=24 4；组合气道组合气道：例如：例如“1 1切切1
14、 1螺螺”，随工况不同可关闭其中一个气道。，随工况不同可关闭其中一个气道。一对矛盾：一对矛盾：，c根据动量守恒的关系，有：根据动量守恒的关系，有：c、:压缩终了时和进气终了时的涡流比压缩终了时和进气终了时的涡流比D 、dk:气缸直径、燃烧室凹坑入口直径气缸直径、燃烧室凹坑入口直径（4）进气涡流在缸内的发展）进气涡流在缸内的发展22kcdD涡流在缸内发展的两个实例涡流在缸内发展的两个实例 压缩上止点时均达峰值压缩上止点时均达峰值 缩口使缩口使c明显提高，并保持到上止点后（明显提高，并保持到上止点后（与理想与理想ROHRROHR有何关系有何关系）对柴油机燃烧真正有意义的是对柴油机燃烧真正有意义的是
15、c，而不是而不是（5）压缩涡流）压缩涡流 主要指涡流室燃烧室中，气体在压缩过程主要指涡流室燃烧室中，气体在压缩过程中由主燃室进入涡流室时产生的涡流（中由主燃室进入涡流室时产生的涡流（一次一次涡流涡流），以及相反运动时的涡流（），以及相反运动时的涡流（二次涡流二次涡流）。）。不会引起不会引起c，但增加流动损失和散热，但增加流动损失和散热损失损失2、挤流、挤流压缩时空气被挤入燃烧室凹坑内形成压缩时空气被挤入燃烧室凹坑内形成挤流挤流膨胀时燃烧气体冲出凹坑形成膨胀时燃烧气体冲出凹坑形成逆挤流逆挤流挤流强度挤流强度 dk/D、S0特点：不影响特点：不影响c和和，但强度较弱，作用小于涡流但强度较弱，作用小
16、于涡流，起辅助作用，起辅助作用思考：汽油机中的挤流运动思考：汽油机中的挤流运动3 3、湍流（紊流）、湍流（紊流）n形成方式：形成方式：活塞运动自然形成的湍流，较弱且不可控；活塞运动自然形成的湍流，较弱且不可控；预燃室中的空气运动（如图，压缩和膨胀均有）；预燃室中的空气运动（如图，压缩和膨胀均有）；非回转体燃烧室（参见讲义图非回转体燃烧室（参见讲义图9-109-10）；）；燃烧冲击形成湍流（预燃室的主燃室）燃烧冲击形成湍流（预燃室的主燃室）4 4 滚流滚流 绕垂直于气缸轴线的有规则的气流运动（绕垂直于气缸轴线的有规则的气流运动（与涡流相反），也称纵向涡流与涡流相反），也称纵向涡流 近年来开发的混
17、合气形成方式近年来开发的混合气形成方式 主要用于缸内直喷式汽油机主要用于缸内直喷式汽油机用滚流形成大范围的油气混合用滚流形成大范围的油气混合滚流被滚流被压扁、破碎压扁、破碎形成高度湍流强化微混合。形成高度湍流强化微混合。滚流滚流n柴油机燃烧过程分段及特点柴油机燃烧过程分段及特点n喷油特性喷油特性 n缸内气流运动方式缸内气流运动方式发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成扩散燃烧速度着火落后期dp/d混合气形成速度气流运动燃烧室形状喷油规律柴油机的燃烧室及其特性柴油机燃烧室分类：n直喷式（DI,Direct Injection）燃油直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧n非直喷式 （IDI,Indi
18、rect Injection）燃油不直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧直喷式（直喷式（DIDI）燃烧室）燃烧室浅盘型深坑型球型 特点：燃烧室凹坑开口大、深度浅 （dk/D0.720.88;dk/h=57）多孔油嘴（612孔）、高压喷射无涡流或弱进气涡流 性能：滞燃期内形成较多混合气，dp/d高，NOx、噪声高；空气利用率差，a 1.6；dp/d高，流动及散热损失小，be低，易起动。应用范围：适用于缸径大（120mm）转速低（2000r/min）的柴油机。近年，随高压喷射采用，向小缸径拓展。“油找气”方式1、浅盘型燃烧室 特点：dk/D0.6;dk/h=1.53.5;较强涡流=1.53；有中心凸起，
19、引导涡流，消除流动弱区；喷孔少（46），喷压较高；形状：形、挤流口形、四角形。性能：空气利用率较高，最小a 1.3；随n提高而涡流强度提高，适于高速；dp/d较浅盆形低，燃烧较柔和。应用范围：小缸径（120mm）高转速柴油机（中、轻、轿车）油气相互运动2、深坑形燃烧室S0影响 顶隙S0减小，可使：空气集中在燃烧室凹坑内，利用率高；燃油不要分散在S0内，此处混合不好；S0内的燃烧受壁面淬冷，燃烧慢，不完全。因此，所有柴油机燃烧室都应尽量减小S0燃室设计参数对性能的影响 通过改变dk/D、dk/h、Vk/Vc、S0、e1、e2、燃室形状、喷雾贯穿距离、涡流比等，可改变燃烧特性2、深坑形燃烧室2、深
20、坑形燃烧室形状影响：实际中在A形与B形中间，可有多种方案，A燃烧室，有缩口形状，烟度及be明显改善；随喷油推迟，A燃烧室的烟度及be优势更加明显气流运动，结合讲义图716分析原因2、深坑形燃烧室大众捷达柴油机船用柴油机活塞形状影响（续）：作为极端例子：泼金斯的挤流口式燃烧室，初期放热速率明显低于一般直喷式燃烧室。2、深坑形燃烧室p 四角形燃烧室（非回转体燃烧室）大尺度涡流局部微涡流和湍流；解决低速涡流太弱而高速过强的问题局部微涡流，可加速混合燃烧，PM低；问题：难以加工，工艺性差；缩口部热负荷过高易开裂。2、深坑形燃烧室 特点：球形燃烧室，高涡流比（3）单孔（或1主1副）喷油嘴，沿壁面顺气流喷
21、油，形成油膜，蒸发混合速度受控于壁温和涡流强度 性能：dp/d低，放热率呈前低后高，NOx低、轻声低烟、空气利用率高，a 1但难以兼顾所用工况，工艺要求高，冷起动困难。应用：6070年代曾有不少应用，目前已绝迹；其理论意义重大，相对空间雾化的传统理论是一个创新3、球形燃烧室（M燃烧过程）油膜蒸发混合n 对比ROHR（M比）预混燃烧峰值下降 扩散燃烧峰值上升 燃烧持续期基本相同（燃烧不拖后）n 对比示功图（M比）dp/d下降（NOx和燃烧噪声低）球形燃烧室与燃烧室的燃烧特性对比球形燃烧室是由MAN公司的Meurer先生（1956年）发明的，也称M燃烧过程。非直喷式燃烧室非直喷式燃烧室n 主要特征
22、：两个燃烧室（空间）两个燃烧阶段 不利用进气涡流IDI预燃室（Pre-combustion Chamber）涡流室（Swirl Chamber）也称为：分隔式燃烧室主副燃烧室n 烧室设计：主副室之间有一个或数个孔道相连，压缩气流在预燃室中形成湍流，单孔轴针式喷油器（参见图611）与预燃室轴线重合，低压喷射，容积比Vk/Vc=3545%；连通道截面比Fk/F=0.3%0.6%1、预燃室式燃烧室n 工作过程：（参见右图）压缩过程中，在预燃室内形成湍流，湍流强度高于主室；第一次燃烧在预燃室内的浓混合气气氛中进行，燃烧不完全，dp/d小；第二次混合气及燃烧在主燃烧室内稀混合气气氛中进行：浓稀两阶段燃烧
23、低dp/d 低NOx（右下图）n 特点：dp/d小，NOx低，空气利用率高，最小a 1.3制造工艺成本低，适用高速柴油机。n 适用：轿车，轻型车，大功率柴油机1、预燃室式燃烧室2 2、涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室n特点：主副室之间有1个连通道，与副室切向连接，形成压缩涡流，Vk/Vc=5070%，Fk/F=1%3.5%，有多种形状（如下图）原理相同n性能：对比预燃室式，更适合小型柴油机，转速高，油耗低（对照表7-2）区别：预燃室式 涡流室式-湍流-涡流小结：柴油机混合气形成方式分类：空间雾化混合、壁面油膜蒸发混合1、空间雾化混合 p静止或弱旋流场多孔高压喷油：“油找气”，如开式燃烧室 p强旋流
24、场 35孔高压喷射：油气相互运动，如燃烧室 p热混合作用：在涡流作用下，密度较大的燃油颗粒及空气向外运动，密度较小的废气向内运动，有利于油气混合。p热锁现象：当涡流过弱时，离心力过小，燃油颗粒无法被抛向周围，而被“锁定”在中心区域，被废气包围。p过涡流（Over Swirl）：当涡流过强时，上游油束的已燃气体会混入下游油束的未燃混合气区域，妨碍混合及燃烧。p强旋（湍）流场低压单孔喷嘴：涡流室和预燃室柴油机，两次混合，对喷油和进气涡流要求低；但燃烧慢，热效率低。1、空间雾化混合 p静止或弱旋流场多孔高压喷油：“油找气”，如开式燃烧室 p强旋流场 35孔高压喷射：油气相互运动，如燃烧室 p 小插曲
25、德国人的骄傲：Otto EngineDiesel EngineWankel EngineM-Engine全部由德国人发明 柴油机混合气形成方式壁面蒸发控制强旋流场：喷射形成壁面油膜，控制初期蒸发速率；随燃烧温度提高，燃油蒸发混合速率加快，形成“前缓后急”的燃烧方式 2、油膜蒸发混合 滞燃期空间雾化混合空间雾化混合油膜蒸发混合油膜蒸发混合1.绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中，散布于空气中中，散布于空气中2.燃料在空气中呈细小油滴状燃料在空气中呈细小油滴状3.细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气（
26、液相混合）（液相混合）4.大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成可大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成可燃混合气数量多，多点大面积着火燃混合气数量多，多点大面积着火5.初期燃烧的放热率很高，以后逐渐变缓初期燃烧的放热率很高，以后逐渐变缓1.利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上室壁面上2.燃料在壁面上形成油膜燃料在壁面上形成油膜3.油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均匀的混合气（气相混合）匀的混合气（气相混合）4.散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混合气，着火面积较小少量可燃混合气，着火面积较小5.受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热率呈前低后受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热率呈前低后高的规律高的规律
