第八章柴油機(jī)燃燒(及汽油機(jī)對(duì)比)

第八章柴油機(jī)燃燒與汽油機(jī)燃燒對(duì)比2/3/20231本章內(nèi)容（重點(diǎn)章節(jié)）第一節(jié)柴油機(jī)燃燒過(guò)程

第二節(jié)放熱規(guī)律第三節(jié)燃油噴霧第四節(jié)柴油機(jī)混合氣形成第五節(jié)柴油機(jī)燃燒室2/3/20232本章要求目的與要求：

要求全面掌握柴油機(jī)燃燒過(guò)程、燃燒特點(diǎn)、放熱規(guī)律分析、混合氣的形成、燃燒室特點(diǎn)等有關(guān)問(wèn)題；掌握供油、供氣（缸內(nèi)氣流）、燃燒室（相關(guān)結(jié)構(gòu)）與內(nèi)燃機(jī)工況的匹配關(guān)系；清楚柴油機(jī)、汽油機(jī)燃燒過(guò)程及其燃燒特性的差別。會(huì)針對(duì)不同的油品、燃燒組織方式進(jìn)行分析。2/3/20233第一節(jié)柴油機(jī)燃燒過(guò)程一.

燃燒過(guò)程二.

燃燒階段劃分三.

影響著火延遲期的因素目的與要求：1.對(duì)柴油機(jī)從燃料起噴到燃燒結(jié)束整個(gè)燃燒過(guò)程有一個(gè)很清晰的構(gòu)圖，對(duì)燃燒階段劃分、各階段對(duì)性能的影響、影響各階段的因素有明確的認(rèn)識(shí)2.掌握影響著火延遲期的因素2/3/20234汽油機(jī)燃燒復(fù)習(xí)1）混合氣準(zhǔn)備2）起燃3）燃燒速度的規(guī)律4）定容燃燒比例5）循環(huán)穩(wěn)定性與單點(diǎn)起燃6）爆燃與預(yù)混合7）預(yù)混合--定容燃燒--經(jīng)濟(jì)性?爆燃--壓縮比8）解決：預(yù)混合又不爆燃其它燃燒組織方式？2/3/20235一

燃燒過(guò)程從噴油開(kāi)始到燃燒結(jié)束（注意與汽油機(jī)燃燒的區(qū)別）1著火延遲活塞接近上止點(diǎn)T=450~550℃p=3~4MPa噴油器高壓高速噴油壓力20~150MPa霧狀油束結(jié)構(gòu)油束由百萬(wàn)計(jì)的細(xì)微油滴組成油滴d=5~150μm霧化、蒸發(fā)擴(kuò)散、混合物理準(zhǔn)備先期氧化、局部火核化學(xué)準(zhǔn)備2/3/202362預(yù)混合燃燒階段預(yù)先混合好的可燃混合氣（上階段噴入的一部分）<20%總量在空燃比、壓力、溫度以及流速等條件合適處瞬間、多點(diǎn)迅速燃燒，壓力(溫度)迅速上升量=預(yù)混合量=f(著火延遲期、……)瞬時(shí)燃燒速度(放熱率)遠(yuǎn)高于汽油機(jī)影響pzmax、Δp/Δφ高最高燃燒速度本階段結(jié)束處，燃燒速度突然下降(上止點(diǎn)后6~10℃A)，p趨于最大，但溫度依然在迅速上升，未達(dá)到最高。直接影響：pzmax、Δp/Δφ、噪聲、經(jīng)濟(jì)性2/3/202373擴(kuò)散燃燒階段燃燒特征：該段放熱量～70%。由于溫度迅速提高，燃燒速度加快，有可能局部燃燒速度會(huì)再度回升，形成第二個(gè)峰值點(diǎn)?；钊_(kāi)始快速下移，缸內(nèi)壓力開(kāi)始下降。該階段結(jié)束在上止點(diǎn)后20~35℃A~Tzmax。此時(shí)總放熱量已達(dá)80%～90%。燃燒速度（放熱率）取決于燃料蒸發(fā)、混合及擴(kuò)散找氣的速度（物理過(guò)程）相對(duì)緩慢的擴(kuò)散燃燒在著火延遲期預(yù)混合的混合氣迅速燃燒結(jié)束～10℃A燃燒速度突然變慢噴射霧化蒸發(fā)油找氣氣找油油氣混合燃燒2/3/202384后燃后期不完全氧化燃燒噴油后期噴入的油。霧化差；缸內(nèi)空氣已少、并在外圍；活塞已經(jīng)下移，T、P下降，也不利于霧化、混合。部分燃燒階段形成的碳煙未能及時(shí)氧化噴到燃燒室壁面上的油部分高溫?zé)岱纸獾娜剂现匦潞铣煞艧崛紵攸c(diǎn)：燃燒速度很低，影響效率、排溫、傳熱、排放放熱量占總量的10～20%2/3/20239二燃燒階段劃分1.著火延遲期：影響整個(gè)燃燒情況。

從效率與經(jīng)濟(jì)的角度看，燃燒起點(diǎn)應(yīng)在上止點(diǎn)前5～10oCA（汽油機(jī)12

～15oCA，因?yàn)槌跞悸员ＷCpzmax在上止點(diǎn)后～10

oCA

柴油機(jī)著火延遲期（4.2～18)*n/1000，一般θi=8°~12°，滯后時(shí)間τi=0.7~3ms（汽油機(jī)n高，θi=10～20oCA）

從降低排放的角度燃燒起點(diǎn)已經(jīng)在上止點(diǎn)后。CD2/3/2023102速燃期放熱量只占不足20%；粗暴性、經(jīng)濟(jì)性。C點(diǎn)在上止點(diǎn)后6~10℃A）（從經(jīng)濟(jì)性考慮）（汽油機(jī)：10~15℃A。Δp/Δφ<0.4～0.6MPa/oCA(汽油機(jī)Δp/Δφ<0.175～0.25MPa/oCA；放熱量>80%)CD2/3/2023113緩燃期放熱量70～80%；經(jīng)濟(jì)性、效率。Tzmax上止點(diǎn)后20～35oCA；1600～2000oC。溫度急劇升高，混合燃燒重新加劇，出現(xiàn)第二個(gè)峰值。汽油機(jī)Tzmax=1700～2500oC；Pmax上止點(diǎn)后10

～15oCA一般要求：縮短緩燃期增加等容度、減小初始膨脹比（等壓加熱）提高循環(huán)熱效率。即緩燃期不要緩燃。加快緩燃期燃燒速度的關(guān)鍵是加快混合氣形成速率。CD2/3/2023124后燃期不完全燃燒排放、經(jīng)濟(jì)性、熱負(fù)荷、可靠性。柴油機(jī)燃燒時(shí)，空氣是過(guò)量的，只是混合不勻造成局部缺氧。解決措施：（1）加強(qiáng)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，可以加速后燃期的混合氣形成和燃燒速度，而且會(huì)使碳煙及不完全燃燒成分加速氧化。（2）減少濕壁（6區(qū)）油量（3）提高霧化質(zhì)量2/3/202313汽油機(jī)燃燒的特點(diǎn)(對(duì)比)

（點(diǎn)燃式預(yù)混合燃燒）1）燃燒過(guò)程分成三段著火階段、急燃期、后燃期。2）著火延遲期對(duì)燃燒速度（放熱規(guī)律）影響小汽油機(jī)性能主要取決于何時(shí)著火而不是何時(shí)點(diǎn)火，容易控制。對(duì)汽油機(jī)著火延遲期的要求主要是要穩(wěn)定并盡可能短，使汽油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)較小。3）汽油機(jī):主燃燒期只有一段（急燃期），放熱量占~80%柴油機(jī):速燃期放熱量不足20%,緩燃期:~70~80%2/3/202314汽油機(jī)燃燒的特點(diǎn)

（點(diǎn)燃式預(yù)混合燃燒）4）預(yù)混合燃燒。燃燒速度不受供油系統(tǒng)的影響，對(duì)燃料供給系的供油質(zhì)量（霧化）要求低，僅僅對(duì)數(shù)量的控制精度要求高；燃燒速度會(huì)受燃燒室形狀、缸內(nèi)流動(dòng)的影響。5）單點(diǎn)點(diǎn)燃。6）對(duì)速燃期，初期燃燒速度慢，后期快。如果不受燃燒室形狀、缸內(nèi)流動(dòng)影響，火焰前鋒面面積相對(duì)時(shí)間將成~平方規(guī)律增長(zhǎng)2/3/202315汽油機(jī)燃燒的特點(diǎn)

（點(diǎn)燃式預(yù)混合燃燒）7）最高溫度點(diǎn)主要取決于最大（放）熱量的時(shí)刻

速燃期結(jié)束點(diǎn)(工質(zhì)能量的漲消)8）最高壓力點(diǎn)主要取決于最大（放）熱率的時(shí)刻

速燃期結(jié)束點(diǎn)9）Tzmax高。由于是“預(yù)混合燃燒”，汽油機(jī)的平均燃燒速度很快。等容度大，最高溫度高。10）pzmax低。汽油機(jī)燃燒速度逐漸增加，最大燃燒速度低。2/3/202316汽油機(jī)燃燒的特點(diǎn)

（點(diǎn)燃式預(yù)混合燃燒）11）量調(diào)節(jié)。負(fù)荷的調(diào)節(jié)靠量調(diào)節(jié)，要調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，進(jìn)氣節(jié)流損失大。平均過(guò)量空氣系數(shù)隨負(fù)荷變化不大，排氣溫度隨負(fù)荷變化不大。12）機(jī)械負(fù)荷低，熱負(fù)荷也低。pzmax、dp/d低，運(yùn)動(dòng)件輕。13）汽油機(jī)排氣溫度高。過(guò)量空氣系數(shù)小，混合氣濃、壓比小、效率低、傳熱損失小。14）汽油機(jī)燃燒穩(wěn)定性差。點(diǎn)火瞬間火花塞附近混合氣的成分差別、氣流的不均勻性對(duì)燃燒影響很大。2/3/202317著火延遲期τi著火延遲期τi影響：1)易控制；2)影響大。噴油持續(xù)期（低速15～35oCA；高速20～60oCA）柴油機(jī)著火延遲期（4.2～18)*n/1000；很大一部分油在著火延遲期已經(jīng)噴入T、P很高，噴入很快就燃，τi影響大？2/3/202318三.影響著火延遲期的因素1.著火延遲期-----可控、可調(diào)整（難！----供油提前角、噴油規(guī)律）2.由研究公式：CN為十六烷值2/3/202319三.影響著火延遲期的因素

3.具體因素分析注意：τi長(zhǎng)與工作粗暴（預(yù)混量多）關(guān)系很大，但并非必然的單調(diào)關(guān)系！2/3/202320

1）燃料1）燃料（十六烷值高化學(xué)穩(wěn)定差、熱分解嚴(yán)重。物理穩(wěn)定性影響蒸發(fā)性。粗暴★如果噴油提前角不變，燃油蒸發(fā)性變好

τi，但粗暴性？a)缸內(nèi)溫度早期低、化學(xué)準(zhǔn)備不夠；

b)蒸發(fā)吸熱預(yù)混合量abc依然希望蒸發(fā)性好燃燒、經(jīng)濟(jì)性、排放，粗暴減小噴油提前2/3/202321

2）轉(zhuǎn)速3）負(fù)荷2）轉(zhuǎn)速n↑

τi↓

粗暴度↓；但

φi↑，所以n↑，發(fā)動(dòng)機(jī)要增加噴油提前角。有沒(méi)有可能

n↑

φi↑

>

噴油提前角異常?冷起動(dòng)時(shí)3）負(fù)荷高壁溫高

τi↓粗暴度↓；冷起動(dòng)時(shí)工作粗暴2/3/202322

4）密度5）噴油提前角4）密度與壓比、增壓度；密度大對(duì)霧化有利；低增壓柴油機(jī)相對(duì)非增壓工作柔和(缸內(nèi)TP也高)。5）噴油提前角2/3/202323

6）噴油規(guī)律6）噴油規(guī)律(T6-12)：噴射速率低，初期可燃混合氣少，粗暴性?。坏珖娚淦陂L(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性差；★能否利用初期噴射率低，粗暴性低這一優(yōu)點(diǎn)？2/3/202324最佳噴油提前角柴油機(jī)設(shè)計(jì)好后，一個(gè)重要任務(wù)是根據(jù)最常用或要求工況調(diào)節(jié)噴油提前角到最佳態(tài)。先進(jìn)的方法是電控自動(dòng)調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)規(guī)律一般也要通過(guò)試驗(yàn)得到（理論指導(dǎo)、過(guò)渡）最佳噴油提前角=f(CN,T0,P0,ε,ρ,負(fù)荷,冷卻強(qiáng)度,燃燒室形式,噴油規(guī)律,增壓比、…)2/3/202325第二節(jié)柴油機(jī)放熱規(guī)律燃燒如何進(jìn)行？如何定量反映燃燒過(guò)程？放熱規(guī)律dQ/dt；dQ/dφ；累計(jì)放熱量Q=f(φ)

一.

柴油機(jī)放熱規(guī)律二.放熱規(guī)律的計(jì)算方法三.

燃燒計(jì)算模型2/3/202326第二節(jié)柴油機(jī)放熱規(guī)律反映的問(wèn)題燃燒進(jìn)行狀況（起點(diǎn)、持續(xù)期）燃燒快慢變化燃燒機(jī)理變化（預(yù)混+擴(kuò)散）燃燒組織情況噴油規(guī)律與放熱規(guī)律。2/3/202327一.柴油機(jī)放熱規(guī)律1.放熱規(guī)律三要素（1）燃燒放熱始點(diǎn)（2）放熱持續(xù)時(shí)期（3）放熱率曲線的形狀CD2/3/2023281.放熱規(guī)律三要素（1）放熱規(guī)律始點(diǎn)——在持續(xù)期和放熱率形狀不變的前提下，決定了放熱率中心效率、pzmax、Δp/Δφ（2）放熱持續(xù)時(shí)期的長(zhǎng)短——平均燃燒的快慢、等容燃燒比例效率排放

（3）放熱規(guī)律形狀——前后放熱量的比例噪聲（dp/d）、振動(dòng)、排放放熱曲線面心的位置效率。2/3/2023292.

柴油機(jī)放熱規(guī)律的類型（1）不同燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱規(guī)律不同。直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)初期放熱率很高（圖中的噴油提前角應(yīng)減?。?/p>

（2）放熱規(guī)律對(duì)示功圖（效率）的影響（上止點(diǎn)起燃、燃燒持續(xù)期40oCA）。初期放熱率越高，壓力升高率、最大爆壓、效率均變高2/3/202330★降低壓力升高率、最大爆壓與提高效率的矛盾！矛盾解決：兩種極限放熱規(guī)律。1.先快后慢。多數(shù)為此，比較易實(shí)現(xiàn)（初期噴壓高），效率高，但是由于早期放熱量大，爆壓高2.先慢后快。壓力升高率、最大爆壓均較低，但效率也低。效率低的根源：不完全是因?yàn)槌跗诜艧崧实?，而是大量的熱在遠(yuǎn)離上止點(diǎn)處釋放。解決措施：可以通過(guò)縮短燃燒持續(xù)期（提高噴壓，縮短供油持續(xù)期、加大缸內(nèi)氣流、縮短緩燃期來(lái)實(shí)現(xiàn)）。2/3/202331★減緩初期燃燒速度、加快后期燃燒速度！實(shí)現(xiàn)方法：1.減緩初期燃燒速度

1)控制噴油； 2)采用預(yù)噴技術(shù)（高壓共軌供油系統(tǒng)）……2.加快后期燃燒速度

1)加大缸內(nèi)氣流； 2)提高噴油速率……2/3/202332二.放熱規(guī)律的計(jì)算方法如何得到放熱規(guī)律（dQ/dφ）間接測(cè)量：缸內(nèi)壓力P=f(V)；P=f(φ)；P=f(φ)

求解dQ/dφ

(2)零維假設(shè)(3)微分方程的數(shù)值解：（簡(jiǎn)化差分算法）差分代替微分，在差分時(shí)間差分段內(nèi)用均值代替，由初值逐步推出其它時(shí)刻的值。(1)能量平衡2/3/202333二.放熱規(guī)律的計(jì)算方法推導(dǎo)：a)將燃燒過(guò)程（曲軸轉(zhuǎn)角）用m個(gè)點(diǎn)離散成m-1段，當(dāng)燃燒初始點(diǎn)參數(shù)已知時(shí)，假設(shè)n-1點(diǎn)參數(shù)已知，如能推出n點(diǎn)的參數(shù)，那么整個(gè)過(guò)程的參數(shù)均能得知。b)推導(dǎo)簡(jiǎn)化c）初始參數(shù)——可進(jìn)行循環(huán)計(jì)算調(diào)整。2/3/202334放熱規(guī)律間接計(jì)算(1)能量平衡(2)