1、汽車發動機原理與汽車理論汽車發動機原理與汽車理論第第6章章 柴油機混合氣的形成和燃燒柴油機混合氣的形成和燃燒v6.1 柴油機混合氣的形成柴油機混合氣的形成v6.1.1 柴油機混合氣的形成特點和方式柴油機混合氣的形成特點和方式v6.1.2 影響混合氣形成的主要因素影響混合氣形成的主要因素v6.2 柴油機燃燒過程及影響因素柴油機燃燒過程及影響因素v6.2.1 柴油機燃燒過程柴油機燃燒過程v6.2.2 影響燃燒過程的主要因素影響燃燒過程的主要因素 6.1 柴油機混合氣的形成柴油機混合氣的形成背景知識：背景知識： 1892年，德國工程師狄塞爾根據定壓年，德國工程師狄塞爾根據定壓熱功循環原理，研制出壓燃

2、式柴油機。熱功循環原理，研制出壓燃式柴油機。6.1.1 柴油機混合氣的形成特點和方式柴油機混合氣的形成特點和方式 1 、混合氣形成特點：、混合氣形成特點：（1）缸內進行缸內進行：在壓縮行程接近終了時柴油由噴射在壓縮行程接近終了時柴油由噴射系統直接噴入燃燒室內。系統直接噴入燃燒室內。（2）混合時間短混合時間短：難以形成均勻的混合氣，燃燒室：難以形成均勻的混合氣，燃燒室內的工質成分隨時間和地點而變化。內的工質成分隨時間和地點而變化。（3）采用較大的過量空氣系數采用較大的過量空氣系數：柴油本身粘度大，：柴油本身粘度大，蒸發性不好。蒸發性不好。（4）混合氣在高溫、高壓下）混合氣在高溫、高壓下多點自燃著

3、火燃燒多點自燃著火燃燒，且，且混合過程、著火過程和燃燒過程共存。混合過程、著火過程和燃燒過程共存。2、混合氣形成過程、混合氣形成過程 空間霧化混合空間霧化混合 霧化霧化 蒸發蒸發 擴散混合擴散混合 油膜蒸發混合油膜蒸發混合 蒸發蒸發 擴散混合擴散混合 因此，油膜蒸發混合必須組織空氣運動。因此，油膜蒸發混合必須組織空氣運動。 柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用：柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用： 一是燃燒室的結構一是燃燒室的結構,二是燃料的噴霧，三是缸二是燃料的噴霧，三是缸內適當的空氣運動。內適當的空氣運動。3、混合氣形成的基本方式、混合氣形成的基本方式1）空間霧化混合）空間霧化混合 v 將燃

4、油噴向燃燒室空間進行霧化，將燃油噴向燃燒室空間進行霧化，通過燃油與空氣間的相互運動和擴通過燃油與空氣間的相互運動和擴散，在空間形成可燃混合氣。相對散，在空間形成可燃混合氣。相對運動速度越高，混合氣越均勻。運動速度越高，混合氣越均勻。v 采用多孔噴嘴，采用多孔噴嘴， 燃燒完全，經濟燃燒完全，經濟性好。初期空間分布燃料多，燃燒性好。初期空間分布燃料多，燃燒迅速，工作粗暴。迅速，工作粗暴。2） 油膜蒸發混合油膜蒸發混合 空間霧化混合是將燃料噴在燃燒室空間。空間霧化混合是將燃料噴在燃燒室空間。油膜蒸發型混合：將燃料噴在燃燒室壁油膜蒸發型混合：將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜，只有面上，使

5、之成為薄薄的一層油膜，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經燃一小部分燃料分布在燃燒室空間。經燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發，邊混合，燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發，邊混合，邊燃燒。初期蒸發、燃燒慢，后期蒸發、邊燃燒。初期蒸發、燃燒慢，后期蒸發、燃燒迅速燃燒迅速 （先緩后急）。（先緩后急）。采用單、雙孔噴嘴，放熱先緩后急采用單、雙孔噴嘴，放熱先緩后急 , ,工作柔和，噪工作柔和，噪聲小，經濟性較好，但冷起動困難。聲小，經濟性較好，但冷起動困難。， 目前多數車用柴油機仍以空間霧化混合為主。工作柔和工作柔和工作粗暴工作粗暴滯燃期形成的可燃混合氣數滯燃期形成的可燃混合氣數量少量少滯燃期形成的可燃混合氣數量滯

6、燃期形成的可燃混合氣數量多多混合氣是氣相混合氣混合氣是氣相混合氣混合氣是氣液兩相混合氣混合氣是氣液兩相混合氣燃料在壁面上形成油膜燃料在壁面上形成油膜燃料在空氣中是細小油滴燃料在空氣中是細小油滴大部分燃料涂布到壁面上大部分燃料涂布到壁面上大部分燃料噴射霧化大部分燃料噴射霧化油膜蒸發混合油膜蒸發混合空間霧化混合空間霧化混合4 、兩種混合方式的對比、兩種混合方式的對比6.1.2 影響混合氣形成的主要因素影響混合氣形成的主要因素 影響混合氣形成的主要因素影響混合氣形成的主要因素: 燃料噴霧、燃料噴霧、氣流運動、氣流運動、燃燒室結構燃燒室結構1、燃料噴霧、燃料噴霧對混合氣形成的影響對混合氣形成的影響:

7、燃油噴入燃燒室后被粉碎分散為細小微粒的過程，稱為燃油的噴霧或霧化燃油的噴霧或霧化。 將燃油噴射霧化，可以大大增加增加其表面積，加速加速混合氣形成。當燃油高速從噴孔噴出當燃油高速從噴孔噴出(噴出速度為噴出速度為l00一一300ms) 便形成如園錐形狀的噴注，也稱油束。便形成如園錐形狀的噴注，也稱油束。（1）油束的形成）油束的形成油束射程油束射程L(又稱貫穿距離又稱貫穿距離)：反映油束的穿透能力反映油束的穿透能力。霧化質量：霧化質量：液滴的細度、均勻度液滴的細度、均勻度噴霧錐角噴霧錐角：反映油束的緊密程度。孔式噴嘴的反映油束的緊密程度。孔式噴嘴的 大，大，油油束松散，顆粒細小；束松散，顆粒細小；

8、軸針式噴嘴的軸針式噴嘴的 小，小，油束緊縮，顆粒油束緊縮，顆粒較粗大。較粗大。油束的最大寬度油束的最大寬度B：反映油束的分布特性。反映油束的分布特性。（2）衡量油束）衡量油束霧化質量的三個因素的三個因素（3）影響油束的特性因素）影響油束的特性因素A噴油結構：噴油結構： 燃油的霧化質量主要由平均直徑決定。平均直燃油的霧化質量主要由平均直徑決定。平均直徑的影響因素有：徑的影響因素有： 噴射壓力；噴射壓力； 噴油嘴噴孔直徑；噴油嘴噴孔直徑； 油束流速；空氣壓力與密度；燃油粘度。油束流速；空氣壓力與密度；燃油粘度。B噴油壓力噴油壓力C缸內介質反壓力缸內介質反壓力（4）噴油泵凸輪形狀）噴油泵凸輪形狀（5

9、）發動機轉速）發動機轉速轉速升高，散熱損失和活塞環的漏氣損失減小，轉速升高，散熱損失和活塞環的漏氣損失減小，壓縮終點的溫度、壓力升高；轉速升高也會使噴油壓力升高，改善燃油的壓縮終點的溫度、壓力升高；轉速升高也會使噴油壓力升高，改善燃油的霧化。因而以秒記的著火延遲期會縮短（以曲軸轉角記的延遲期可能縮短、霧化。因而以秒記的著火延遲期會縮短（以曲軸轉角記的延遲期可能縮短、可能延長）。可能延長）。（6）燃油粘度）燃油粘度2、空氣運動對混合氣形成的影響、空氣運動對混合氣形成的影響內燃機缸內內燃機缸內氣體運動方式氣體運動方式進氣渦流進氣渦流壓縮渦流壓縮渦流進氣渦流：在氣缸蓋上采用特殊形狀的進氣進氣渦流：在

10、氣缸蓋上采用特殊形狀的進氣道道,使空氣進入氣缸時使空氣進入氣缸時,形成繞氣缸軸線旋轉形成繞氣缸軸線旋轉的有組織的氣流運動。的有組織的氣流運動。v產生進氣渦流運動的方法有產生進氣渦流運動的方法有:切向進氣道、切向進氣道、螺旋進氣道、組合進氣系統。螺旋進氣道、組合進氣系統。1）渦流）渦流包括包括進氣渦流進氣渦流和和壓縮渦流壓縮渦流（2）壓縮渦流：）壓縮渦流： 在渦流室式燃燒室中，氣體在進氣過程中并在渦流室式燃燒室中，氣體在進氣過程中并不產生渦流，而不產生渦流，而在壓縮過程中由主燃燒室經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。雖然這種產

11、生渦流的方式不會使進氣阻力增雖然這種產生渦流的方式不會使進氣阻力增大和進氣充量下降，但大和進氣充量下降，但形成壓縮渦流時會伴形成壓縮渦流時會伴隨著不同程度的能量損失，使循環熱效率降隨著不同程度的能量損失，使循環熱效率降低。低。2）擠流）擠流v在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時所產生的徑向或橫向氣流運動稱為擠壓流此靠近時所產生的徑向或橫向氣流運動稱為擠壓流動，又稱擠流。動，又稱擠流。v擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流強度主要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。 渦流強度較進氣渦流小，只起輔助作用。渦流強度較進氣渦流小，只起

12、輔助作用。6.2 柴油機燃燒過程及影響因素柴油機燃燒過程及影響因素 柴油機燃燒過程的特點：柴油機燃燒過程的特點： 一、高壓噴油在汽缸內部形成可燃混合一、高壓噴油在汽缸內部形成可燃混合氣。氣。 二、二、 通過壓縮使燃料自燃通過壓縮使燃料自燃柴油機燃燒方式柴油機燃燒方式-油滴擴散燃燒油滴擴散燃燒 柴油機是在壓縮過程中活塞接近上止點柴油機是在壓縮過程中活塞接近上止點時時, ,借助噴油設備將燃油在高壓下成霧狀噴入借助噴油設備將燃油在高壓下成霧狀噴入燃燒室燃燒室, ,以便與空氣形成可燃混合氣。以便與空氣形成可燃混合氣。6.2.1 柴油機燃燒過程柴油機燃燒過程 一、燃燒過程一、燃燒過程柴油機燃燒過程非常復

13、雜，柴油機燃燒過程非常復雜，為了便于分析和揭示燃燒過為了便于分析和揭示燃燒過程的規律，通常將這一連續程的規律，通常將這一連續的燃燒過程分為四個階段的燃燒過程分為四個階段. .A噴油開始噴油開始B著火開始著火開始著火延燃期著火延燃期C最大壓力最大壓力速燃期速燃期緩燃期緩燃期D最高溫度最高溫度E燃料燃燒完畢燃料燃燒完畢補燃期補燃期供油提前角：噴油泵供油提前角：噴油泵的出油閥開始升起到的出油閥開始升起到活塞運行至上止點曲活塞運行至上止點曲軸轉過的角度稱為供軸轉過的角度稱為供油提前角。油提前角。噴油提前角：噴油器噴油提前角：噴油器開始噴油到活塞到達開始噴油到活塞到達上止點所對應的曲軸上止點所對應的曲軸

14、轉角為噴油提前角。轉角為噴油提前角。1 1、著火延遲期、著火延遲期（滯燃期）（滯燃期） 從從A A點到點到B B點點-自開始噴油到開自開始噴油到開始著火的這一段時期。始著火的這一段時期。在壓縮終點在壓縮終點, ,溫度達到溫度達到450-800,450-800,大于柴油的自燃溫度（大于柴油的自燃溫度（330-330-350350）, ,但不會立即著火但不會立即著火, ,進行進行著火前的準備。著火前的準備。著火延遲期著火延遲期一般著火延遲時間一般著火延遲時間i0.0007-0.003s，對應的曲軸轉，對應的曲軸轉角稱為著火延遲角。角稱為著火延遲角。滯燃期滯燃期：是控制燃燒過程的關鍵參數，影響發動機

15、的性能。包含了物理滯燃期和化學滯燃期。 著火前的物理化學過程：著火前的物理化學過程： v 物理過程物理過程從開始噴油到形成可燃混合氣為止，涉及了燃料的噴射、霧化、分布于燃燒室中、吸熱、汽化、擴散、混合、升溫等一系列過程。 v化學過程化學過程燃料的重烴成分裂解為輕烴成分、與氧氣反應形成中間物；經冷焰、藍焰和熱誘導期而著火過程。兩過程相互重疊交叉進行。2 2、速燃期、速燃期速燃期速燃期: : B B點到點到C C點。從開始點。從開始著火到出現最高壓力。著火到出現最高壓力。特點：形成多個火焰中心特點：形成多個火焰中心，持續噴油，即持續噴油，即隨噴隨燃隨噴隨燃。壓壓力急劇上升而達到最高（有力急劇上升而

16、達到最高（有可能達到可能達到13MPa13MPa以上）。以上）。速燃期速燃期壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經濟性和動力壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經濟性和動力性會較好；性會較好；壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。靠性和使用壽命等。為此，壓力升高率應限制在一定的范圍之內：為此，壓力升高率應限制在一定的范圍之內：柴油機柴油機0.40.5 0.40.5 MPaMPaCACA。 汽油機的汽油機的壓力升高率為壓力升高率為0.1750.2

17、5Mpa/CA。控制壓力升高率的措施：控制壓力升高率的措施：1 1） 控制燃燒前期的放熱，促進后期放熱控制燃燒前期的放熱，促進后期放熱- -減少著火延遲期內噴入的燃油減少著火延遲期內噴入的燃油或或可能形成可能形成可燃混合氣的燃油（渦流室式燃燒室）；可燃混合氣的燃油（渦流室式燃燒室）；2 2） 縮短著火延遲期縮短著火延遲期。 。3 3、 緩燃期緩燃期緩燃期緩燃期為圖中的為圖中的CDCD段，段，即從最大壓力點至最高即從最大壓力點至最高溫度點。溫度點。 當緩燃期開始時，當緩燃期開始時，雖然氣缸內已形成燃燒雖然氣缸內已形成燃燒產物，但仍有大量混合產物，但仍有大量混合氣正在燃燒。氣正在燃燒。 緩燃期緩燃

18、期 4 4、補燃期、補燃期 從最高溫度點起到燃油基從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補燃期，本燒完時為止稱為補燃期，即圖中即圖中DEDE段。段。補燃期的終點很難準確地補燃期的終點很難準確地確定，一般當放熱量達到確定，一般當放熱量達到循環總放熱量的循環總放熱量的95959999時，可認為補燃期結束時，可認為補燃期結束。即整個燃燒過程結束。即整個燃燒過程結束。應盡量縮短補燃期，減少應盡量縮短補燃期，減少補燃期內燃燒的燃油量。補燃期內燃燒的燃油量。 補燃期補燃期補燃產生的負面影響補燃產生的負面影響：在補燃補燃期內，燃料在較低的膨脹比下放熱，所放出的熱量難于有效地利用，使柴油機零件的熱負荷增加，排

19、氣溫度升高，傳給冷卻水的熱損失也增加，柴油機的經濟性下降。所以補燃補燃期應盡可能地縮短。 縮短補燃的措施：縮短補燃的措施：加強燃燒室內的氣流運動，加強燃燒室內的氣流運動，改善混合氣的形成，減少緩燃期內的噴油量，改善混合氣的形成，減少緩燃期內的噴油量，并提高緩燃階段的燃燒速度，使燃燒盡可能在并提高緩燃階段的燃燒速度，使燃燒盡可能在上止點附近完成。上止點附近完成。 6.2.2 影響燃燒過程的主要因素影響燃燒過程的主要因素 柴油機的燃燒過程定義 是指燃料的汽缸中與壓縮空氣中的氧化而放出熱能的過程。1、 燃油性質的影響燃油性質的影響1 1）柴油的著火性）柴油的著火性 是指柴油噴入汽缸后能否迅速著火燃燒

20、的能力。是指柴油噴入汽缸后能否迅速著火燃燒的能力。 用十六烷值表示。用十六烷值表示。十六烷值高，著火性好，滯燃期短，十六烷值高，著火性好，滯燃期短，P/P/較較小，工作柔和。起動性也好。小，工作柔和。起動性也好。十六烷值過高，使燃油來不及混合就燃燒，會產十六烷值過高，使燃油來不及混合就燃燒，會產生排氣冒煙。生排氣冒煙。 車用柴油機的十六烷值，一般為車用柴油機的十六烷值，一般為40405050。2 2）柴油的蒸發性）柴油的蒸發性 蒸發性要適中，蒸發性過強，工作粗暴。蒸發性要適中，蒸發性過強，工作粗暴。 蒸蒸發性差，啟動性不好、燃燒不完全。發性差，啟動性不好、燃燒不完全。3）柴油的黏度）柴油的黏度

21、v粘度大粘度大:霧化質量差,冒煙,但潤滑性好(柱塞,針閥)。v粘度小粘度小:霧化質量好,不冒煙,但潤滑性差(柱塞，針閥易磨損)4）柴油的凝點）柴油的凝點v柴油冷卻到失去流動性的溫度點柴油冷卻到失去流動性的溫度點。v注意：選用柴油時，牌號應比當地最低環境溫度高出凝點C。例如：的柴油應在C的環境條件下應用。v柴油規格按凝點分為10、0、-10、-20、-35和-50六個牌號，分別表示凝點不高于10、0、-10、-20、-35和-50；牌號越高，凝點越低。2、噴油泵結構參數的影響、噴油泵結構參數的影響1）供、噴油提前角的影響）供、噴油提前角的影響 過大，噴油時缸內壓力、溫度較低，著火延過大，噴油時缸

22、內壓力、溫度較低，著火延遲期長，導致工作粗暴，過早燃燒還會增加遲期長，導致工作粗暴，過早燃燒還會增加壓縮負功，降低柴油機的經濟性和動力性；壓縮負功，降低柴油機的經濟性和動力性；過小，則燃油不能在上止點附近及時燃燒，過小，則燃油不能在上止點附近及時燃燒，對柴油機的經濟性和動力性也不利。對柴油機的經濟性和動力性也不利。2）柱塞直徑的影響）柱塞直徑的影響 過大，噴油持續時間小。過大，噴油持續時間小。3）噴油泵凸輪輪廓的影響：）噴油泵凸輪輪廓的影響：噴油泵凸輪輪廓柱塞的噴油泵凸輪輪廓柱塞的運動規律運動規律3、噴油器結構參數的影響、噴油器結構參數的影響作用：將噴油泵供給的柴油，以一作用：將噴油泵供給的柴油，以一定的壓力，呈霧狀噴入燃燒室。定的壓力，呈霧狀噴入燃燒室。噴油器有孔式和軸針式兩種。噴油器有孔式和軸針式兩種。噴孔、壓力室、針閥升程和式噴孔、壓力室、針閥升程和式和噴射壓力的影響。和噴射壓力的影響。燃 燒 室 的 分 類開 式 燃 燒 室半 開 式 燃 燒 室 球 形 油 膜 燃 燒 室直 噴 式 燃 燒 室渦 流 室 燃 燒 室 預 燃 室 燃 燒 室分 隔 式 燃 燒 室柴 油 機 燃 燒 室4、燃燒室結構及進氣系統的影響、燃燒室結構及進氣系統的影響燃油噴射、氣流運動和燃燒室形狀的配合：燃油噴射、氣流運動和燃燒室形狀的配合：三者的良好配合是滿