柴油機混合氣形成.doc

任務(wù)一 柴油機混合氣形成與汽油機工作原理相比，只有一個行程即作功行程中，柴油機由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸發(fā)，且自然溫度又較汽油低，所以采用的是壓縮自燃式點火。 任務(wù)二 柴油機的燃燒過程 柴油機燃燒過程非常復雜，為了便于分析和揭示燃燒過程的規(guī)律，通常將這一連續(xù)的燃燒過程分為四個階段，即著火延遲期（又稱為滯燃期）、速燃期、緩燃期和補燃期，如圖所示。 （一）著火延遲期 從柴油開始噴入氣缸起到著火開始為止的這一段時期稱為著火延遲期。 著火延遲期內(nèi)，燃燒室內(nèi)的混合氣進行著物理和化學準備過程。 物理準備過程：燃油的粉碎分散、蒸發(fā)汽化和混合。 化學準備過程：混合氣的先期化學反應(yīng)直至開始自燃。 特點：壓力沒有偏離壓縮線。影響著火延遲期長短的主要因素是： 噴油時缸內(nèi)的溫度和壓力越高，則著火延遲期越短。 柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲期較短。 燃燒室的形狀和壁溫等。 噴油提前角：開始噴油到活塞到達上止點所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為噴油提前角。 （二）速燃期 速燃期:從開始著火（即壓力偏離壓縮線）到出現(xiàn)最高壓力. 特點：壓力急劇上升，壓力達到最高（有可能達到13MPa以上） 一般用壓力升高率pkPa()曲軸表示壓力急劇上升的程度。 式中：p速燃期始點和終點的氣體壓力差（kPa）; 速燃期始點和終點相對于上止點的曲軸轉(zhuǎn)角差（CA）。 特點： （1）壓力升高率很高，接近等容燃燒，工作粗暴。 （2）達到最高壓力（69MPa）。 （3）繼續(xù)噴油。 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，影響其工作可靠性和使用壽命； 壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經(jīng)濟性和動力性會較好。 壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)，柴油機的壓力升高率一般應(yīng)不大于0.40.5 MPa()曲軸。與汽油機相比，柴油機的壓力升高率較大。 控制壓力升高率的措施： 減小在著火延遲期內(nèi)準備好的可燃混合氣的量 縮短著火延遲期的時間 減少著火延遲期內(nèi)噴入 減少可能形成可燃混合氣的燃油 （三）緩燃期 緩燃期為圖中的CD段，即從最大壓力點至最高溫度點。 當緩燃期開始時，雖然氣缸內(nèi)已形成燃燒產(chǎn)物，但仍有大量混合氣正在燃燒。 特點： （1）噴油過程基本結(jié)束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。 （2）壓力開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達到最高。最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后2035曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。 （四） 補燃期 從最高溫度點起到燃油基本燒完時為止稱為補燃期。補燃期的終點很難準確地確定，一般當放熱量達到循環(huán)總放熱量的9599時，可認為補燃期結(jié)束。 補燃期內(nèi)燃油的燃燒可稱為后燃，由于燃燒時間短促，混合氣又不太均勻，總有少量燃油拖延到膨脹過程中繼續(xù)燃燒。特別在高速、高負荷工況下，因過量空氣系數(shù)小，混合氣形成和燃燒的時間更短，這種后燃現(xiàn)象就更為嚴重。 在補燃期中，由于活塞下行了相當?shù)木嚯x，氣缸內(nèi)容積增大很多，缸內(nèi)壓力和溫度迅速下降，故燃燒速度很慢，所放出的熱量很難有效利用，還使排氣溫度升高，導致散熱損失增大，對柴油機的經(jīng)濟性不利。此外，后燃還增加了有關(guān)零件的熱負荷。因此，應(yīng)盡量縮短補燃期，減少補燃期內(nèi)燃燒的燃油量。 任務(wù)三 柴油機混合氣的形成 一、柴油機混合氣的形成的特點 柴油機所用的燃料（柴油）粘度較大，不宜揮發(fā)，必須借助噴油設(shè)備（噴油泵和噴油器等）將柴油在接近壓縮行程終了的時刻，通過高壓以細小的油滴形式（油滴直徑在之間）噴入氣缸，與高溫高壓的熱空氣混合，經(jīng)過一系列物理化學準備，然后著火燃燒。故柴油機是采用內(nèi)部混合的方式形成可燃混合氣。 柴油機可燃混合氣的形成時間極為短促，這就給柴油機中柴油與空氣的良好混合和完全燃燒帶來很大困難。而且噴油與燃燒重疊，出現(xiàn)邊燃燒，邊噴油，邊混合的情況。因此混合氣形成過程很復雜。 柴油機由于難以實現(xiàn)噴入氣缸的柴油與空氣的完全均勻混合，因此要求空氣對燃料的比例一般比汽油機大。過量空氣系數(shù)通常在標準工況下都大于1，一般在1.152.20范圍內(nèi)。 二、柴油機可燃混合氣的形成方式 柴油機混合氣形成方式從原理上來分，有空間霧化混合和油膜蒸發(fā)混合兩種。 1空間霧化混合 將燃油噴向燃燒室空間，形成霧狀，霧狀油滴從高溫空氣中吸熱蒸發(fā)并擴散，與空氣形成混合氣。為了使混合均勻，要求噴出的燃油與燃燒室形狀配合，并利用燃燒室中空氣的運動與其混合，如圖（a）所示。 2油膜蒸發(fā)混合 將大部分燃油噴到燃燒室壁面上，形成一層油膜，油膜受熱汽化蒸發(fā)，在燃燒室中強烈的渦流作用下，燃油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣，如圖所示。這一混合方式中起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對運動速度和油膜厚度。 任務(wù)四 影響燃燒過程的因素一、柴油的性質(zhì) （一）柴油的自燃性 十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標，對燃燒過程也有一定影響。十六烷值越高，著火性越好。著火性好的柴油，使著火延遲期縮短，柴油機工作柔和。但是十六烷值過高，燃料分子量加大，使燃油蒸發(fā)性變差、粘度增加，導致燃燒不完全，排氣冒黑煙，燃油經(jīng)濟性下降。因此，國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為4050之間，不必要過分增大。 （二）柴油的蒸發(fā)性 柴油的蒸發(fā)性用餾程表示。餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分數(shù)所處的溫度，通常以餾出50的溫度來評定。餾程低，說明這種燃輕餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過程。但是，餾程過低，燃料蒸發(fā)過快，則在著火延遲期內(nèi)形成的混合氣量過多，柴油機工作粗暴。車用柴油機的柴油餾程為 200 300 。 二、影響燃燒過程的運轉(zhuǎn)因素 1負荷 柴油機的負荷調(diào)節(jié)方法是“質(zhì)調(diào)節(jié)”，即空氣量基本上不隨負荷變化，而只調(diào)節(jié)循環(huán)供油量。負荷增大，循環(huán)供油量也增大，過量空氣系數(shù)減小，單位容積內(nèi)混合氣燃燒放出的熱量增加，使缸內(nèi)溫度上升，縮短著火延遲期，從而降低了柴油機的工作粗暴。如圖為負荷對著火延遲期的影響。 在中、小負荷工況下，燃燒熱效率的變化一般不大，但隨負荷增大，循環(huán)供油量加大，過量空氣系數(shù)減小，燃燒過程延長，都可能使燃燒效率下降。 2轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速升高時，由于散熱損失和活塞環(huán)的漏氣損失減小，使壓縮終點的溫度和壓力增高；轉(zhuǎn)速升高也會使噴油壓力提高，改善燃油的霧化，這些都使得以秒為單位的著火落后期縮短，而以曲軸轉(zhuǎn)角為單位的著火延遲期則有可能縮短，也可能延長，如圖給出了轉(zhuǎn)速對著火延遲期影響的實例。 一般來說，轉(zhuǎn)速過高或過低時，都會使燃燒熱效率降低。轉(zhuǎn)速過高時，燃燒所占的曲軸轉(zhuǎn)角加大，充氣效率下降，熱效率下降；轉(zhuǎn)速過低時，空氣渦流減弱，噴油壓力下降，使混合氣質(zhì)量變差，熱效率也會下降。 3供油提前角（或噴油提前角） 供油提前角過大，噴油時氣缸內(nèi)溫度、壓力較低，著火落后期較長，壓力升高率和最大爆發(fā)壓力增大，導致柴油機工作粗暴，NOx的排放量增加。過早燃燒還會增加壓縮負功，降低柴油機的經(jīng)濟性和動力性。 供油提前角過小，則燃油不能在上止點附近及時燃燒，對柴油機的經(jīng)濟性和動力性也不利，微粒的排放也會增加。過遲燃燒還會使燃燒溫度升高，散熱損失增加。 對于每一種工況，均有一個最佳的供油提前角，此時在負荷及轉(zhuǎn)速不變的前提下，功率最高,有效燃油消耗率最低。但為了兼顧降低NOx的排放量和燃燒噪聲的需要，一般調(diào)節(jié)供油提前角略小于最佳的供油提前角。 由圖可見，NOx的排放量和燃燒噪音隨供油提前角變小而下降，故實際中常將推遲噴油作為減小NOx的排放量和燃燒噪音的有效措施加以采用，但這往往也是以有效燃油消耗率和微粒的排放量上升為代價的。 在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，最佳的供油提前角也不同。當轉(zhuǎn)速增加時，由于噴油延遲角增大以及燃燒過程所占的曲軸轉(zhuǎn)角可能增大，為保證燃油在上止點附近及時燃燒，需要適當加大供油提前角。一般直噴式燃燒室最佳供油提前角隨轉(zhuǎn)速的變化比分隔式燃燒室的大。汽車柴油機中的供油提前角調(diào)節(jié)裝置，就是用于實現(xiàn)最佳供油提前角隨轉(zhuǎn)速的變化調(diào)節(jié)的。當負荷增加時，由于循環(huán)供油量增大以及燃燒過程變長，也需要適當加大供油提前角。對于最佳供油提前角隨負荷的變化調(diào)節(jié)，則較難實現(xiàn)。只有在柴油機電控噴射系統(tǒng)中，才能真正實現(xiàn)最佳供油提前角隨各種工況變化的準確調(diào)節(jié)。 三、結(jié)構(gòu)方面的因素 1.壓縮比 壓縮比較大時，壓縮終點的溫度和壓力都比較高，使著火延遲期縮短，發(fā)動機工作比較柔和。不同壓縮比對著火延遲期的影響如圖所示。同時，壓縮比的增大，還能提高發(fā)動機工作的經(jīng)濟性和改善起動性能。 如果壓縮比過高，燃燒最高壓力會過分增大，曲柄連桿機構(gòu)會承受過高的負荷，影響發(fā)動機的使用壽命。 2.活塞材料的影響 鑄鐵活塞與鋁合金活塞相比其溫度較高，可以縮短著火延遲期，因此在其他條件相同時，采用鑄鐵活塞的柴油機工作比較柔和。 3.噴油規(guī)律的影響 噴油規(guī)律是指單位時間（或轉(zhuǎn)角）的噴油量即噴油速度隨時間（或轉(zhuǎn)角）而變化的關(guān)系。從減輕燃燒粗暴性考慮，比較理想的噴油規(guī)律是“先緩后急”即在著火延遲期內(nèi)噴入氣缸的油量不宜過多，以控制速燃期的最高燃燒壓力和平均最大壓力升高率，而著火燃燒后，應(yīng)以較高的噴油速率將燃油噴入氣缸，停油應(yīng)干脆迅速，噴油延續(xù)角不宜過大，目的是使燃燒過程盡量在上止點附近進行，以獲得良好的性能。 如圖表明了噴油規(guī)律對燃燒過程的影響。圖中g(shù)f為每循環(huán)噴油量，兩種噴油規(guī)律的噴油提前角fj及著火延遲期i均相同。曲線1所示的噴油規(guī)律是開始噴油很急，在著火延遲期中噴入氣缸的燃油較多，因此平均壓力升高率和最高燃燒壓力都較大，工作較粗暴；而曲線2所示的噴油規(guī)律基本滿足“先緩后急”的要求，當噴射持續(xù)角保持不變時，燃燒比較柔和 4.4柴油機的燃燒室 柴油機燃燒室可分為兩大類，即統(tǒng)一式燃燒室和分隔式燃燒室。 統(tǒng)一式燃燒室可根據(jù)活塞頂部凹坑的深淺分為半開式燃燒室和開式燃燒室兩類。如圖為有代表性的幾種統(tǒng)一式燃燒室的形式。開式燃燒室有淺盆形，半開式燃燒室有形、擠流縮口形、各種非回轉(zhuǎn)體形、球形等。 分類： 1、淺盆形燃燒室：開式燃燒室，凹坑較淺，dk/D0.7。 混合氣的形成：屬于較均勻的“油找氣”空間混合方式。主要靠燃油的噴射，希望油束與燃燒室形狀的配合使燃油盡可能均勻分布在整個燃燒室的空間，對燃油噴射系統(tǒng)有很高的要求，采用多噴孔的孔式噴油器和較高的噴油壓力（100MPa以上），一般不組織或只有很弱的渦流。 缺點：在著火落后期內(nèi)形成較多的可燃混合氣，因而最高燃燒壓力和壓力升高率高，工作粗暴，燃燒溫度高，NOx和排氣溫度高，噪聲、振動及機械負荷較大?？諝饫寐实?，一般采用增壓來保證較大的過量空氣系數(shù)（1.52.2)以實現(xiàn)完善燃燒。 優(yōu)點：由于不組織空氣運動，散熱損失和流動損失均小，霧化質(zhì)量好，燃燒迅速，因而最大優(yōu)點是經(jīng)濟性好，易起動。 應(yīng)用：適用于缸徑較大（大于等于 140mm ），轉(zhuǎn)速較低（小于等于2000r/min）的柴油機。 2、形燃燒室：半開式燃燒室，凹坑較深， dk/D約0.6左右，dk/h1.53.5混合氣的形成：屬于較均勻的“油氣相互運動”空間混合方式。利用燃油噴射和空氣運動（以進氣渦流為主，擠流為輔）兩方面的作用形成混合氣。 優(yōu)點：利用油氣相互運動，更容易形成均勻混合氣，空氣利用率高，可在較小過量空氣系數(shù)下（1.31.5)實現(xiàn)完全燃燒，可滿足車用高速柴油機混合氣形成和燃燒速度更高的要求，燃油消耗率較低、起動性好。 缺點：空氣運動強度對轉(zhuǎn)速變化敏感，渦流強度過高或過低會造成油束貫穿過度或不足，影響混合氣形成和燃燒。 應(yīng)用：適用于缸徑80 140mm，轉(zhuǎn)度低于4500r/min的柴油機中。 3、球形燃燒室：半開式燃燒室。混合氣形成：以油膜蒸發(fā)混合方式為主。油束沿球形燃燒室