4柴油机混合气的形成与燃烧

第四章 柴油机混合气的形成与燃烧本章要求 了解：柴油机燃烧室的分类，特点和对燃烧的影响。 理解：影响燃烧的因素、改进措施。 掌握：柴油机混合气的形成，柴油机燃烧过程，柴 油的喷射与雾化。

柴油机的燃烧过程与汽油机的有所不同1、混合气形成的方法 汽油机：缸外(化油器及进气管中),较均匀一致。 柴油机：缸内形成混合气,燃烧时混合气不均匀。 2、着火和燃烧的方式 汽油机：点燃式，着火后靠火焰传播燃烧，着火时机、 地点均能控制。 柴油机：压燃式,油滴扩散燃烧,着火时机、地点不能控 制。 3、保证及时、完全燃烧的方法 汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。

第一节 燃油的喷射与雾化一、燃烧方式--油滴扩散燃烧

柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时 , 借助喷油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室 , 以便与空气形成可燃混合气。油滴的着火要满足两个条件

(1)混合气的温度要高于着火临界温度。(2)混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在 着火界限之内。

直径：5~150um

(中间较大)Tc-热空气温度；

Tw-油滴周围混 合气温度；Cu-油滴周围混 合气浓度； W-化学反应速度。

单个油滴的着火区域着火时机、地点不固定，着火点位于喷注外围与核心之间。

二、喷油系统1、对喷油系统的要求： 定时、定量并按一定规律向柴油机各缸供给高压 燃油。具体要求： 能产生足够高的喷油压力； 实现所要求的喷油规律； 精确控制每循环的喷油量； 避免出现异常喷射现象。 2、喷油系统构成 喷油泵 提供足够高的喷油压力。柱塞泵或分配 泵 调速器 稳定柴油机运行工况 喷油提前角调节器 调节喷油时刻 喷油器 将高压燃油喷入燃烧室并按要求进行分 布

三、喷射与雾化

(一)、喷射过程1.燃油的喷射燃油在喷油泵泵室中，受到柱塞压缩，压 力升高，经喷油器喷出的过程。 2.分三个阶段 喷射延迟阶段，主喷射阶段，喷射结束阶 段。

燃油的喷射过程

(二)喷雾特性与雾化质量1.燃油的雾化 燃油经喷孔喷 出时，在气缸 中被破碎成微 L:射程 粒的过程。 :锥角

喷油横截 面上燃油 分布 喷油横截面 上油粒速度 喷注的形状

2.喷注的特征①喷注射程L:表示喷注贯穿深度； ②喷注锥角β:表示喷注紧密程度； ③细度和均匀度：表示雾化程度。 细度-油注中的平均直径 均匀度-油注中最大直径与最小直径之差

3.影响喷注质量的主要因素喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油的粘度等。

四、不正常喷射①二次喷射针阀落座后，过大的 反射波(高压油

管内) 使针阀再次升起而喷 油的现象。

危害：

⑴喷油时间↑,喷油 量↑,后燃加重 发 动机过热，排气温度 ↑,燃油消耗率↑

⑵ 喷射压力低，雾化不良，燃烧过程中喷入气缸，排气冒黑烟，积碳。 (高速、高负荷时较严重)

②断续喷射、隔次喷射隔次喷射发生在怠 速运行时，造成柴油机 怠速运转不稳。 断续喷射常发生在低 速小负荷工况。

避免不正常喷射 的措施减少高压容积， 缩短高压油管长度， 合理选择喷射系统参 数。

第二节 燃烧与放热一、燃烧过程1)喷油始点 2)缸内压力线偏离纯 压缩线始点 3)最高压力点 4)最高温度点 Ⅰ-滞燃期 Ⅱ-速燃期 Ⅲ-缓燃期 Ⅳ-补燃期 h-针阀升程 Q-循环放热量 dQ/dφ -放热速率 dq/dφ -喷油速率

Ⅰ、滞燃期(1-2)在压缩终点,Tc=450-800℃,大于柴油的自燃温 度(330-350℃),但不会立即着火,进行着火前 的准备。 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。 化学准备：裂化，着火前的氧化反应。 一般着火延迟时间τ i≈0.0007-0.003s 从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始 点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。(图)喷油时缸内温度压力及燃料性质是影响τ i的主要因素。

Ⅱ、速燃期(2-3) (图)着火后，在滞燃期内形成的混合气此时同时

燃烧，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧，平均压力升高率ΔP/ΔΦ=(P3-P2)/(Φ 3-Φ 2) 升高

很快，放热率dQ/dφ 大。柴油机Δ P/Δ Φ 一般0.4 ~ 0.6MPa/℃A

同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期结束。

Ⅲ、缓燃期(3-4)

(图)

速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占 总放热量的 70 ~ 80% 。一般在上止点后 20 ~ 35°CA ,出现 循环最高温度，达1600~2000℃。大部分燃油在此阶段燃 烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于等压 燃烧。 由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟，要求φ a >1。

Ⅳ、补燃期(4--)从温度最高到燃料燃烧结束。远离上止点放热，大量的热传给冷却系，使排气温度升 高，零件热负荷增加，导致柴油机动力性、经济性下降， 故应尽量减少补燃。

二、燃烧过程中存在的问题1.混合气形成困难，燃烧不完全混合极不均匀—混合气形成时间短，边喷油、边混合、边燃烧。

改进措施 ①促进混合气的形成 结构上，促进缸内的涡流运动。 ②供给较多的空气

φ a大于1,一般取1.3。但是至少30%的空气未被利用， 使气缸工作容积的利用程度降低，使升功率、平均有效 压力降低，这与提高其动力性相矛盾。

2.工作粗暴，燃烧噪音较大速燃期内

, 急剧升高的压力直接使燃烧室壁面 及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动 , 并通过气 缸壁传到外部,形成燃烧噪音。 燃烧噪音与速燃期内的 Δ P/Δ Φ 有很大关系。 为使工作柔和，要求Δ P/Δ Φ ≤400kpa/°CA。 Δ P/Δ Φ 的大小主要与滞燃期中形成的可燃混 合气的数量有关，缩短着火延迟时间 τ i ,减少 滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成 , 可减小燃烧噪音,但与提高动力性相矛盾。

3.排气冒黑烟主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。 减少黑烟的主要措施 (1) 增加过量空气系数 φ a 。但与提高柴油机的动 力性相矛盾。 (2)改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔 和性相矛盾。

4.排气冒蓝烟、白烟在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度

低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出， 受光线的反射呈现不同的颜色，白烟是由0.6~1

微米的颗粒构成，而蓝烟是由 0.6 微米以下的颗粒构成。

暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。

三、 影响燃烧过程的因素(一)燃油的影响1.燃油的着火性是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。 用十六烷值表示。 十六烷值高，着火性好，滞燃期短，ΔP/ΔΦ较小，工作柔 和。十六烷值高，起动性好。 十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，冒烟。

车用柴油机的十六烷值，一般为45~50。 2.十六烷值对燃烧过程的影响 图 3. 蒸发性蒸发性过好，工作粗暴。 蒸发性差，燃烧不完全。 蒸发性适中

(二)压缩比ε 的影响ε ↑ Tc↑、Pc↑ 滞燃期缩短，工作柔和，改善柴油机冷起动性。 但ε 过大 Pz↑,机械磨损↑,使用寿命↓。 当ε >21时，η it的提高不明显。 柴油机合适的压缩比主要是根据冷起动的需要 来确定。

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