第三章柴油機混合氣形成和燃燒

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：panzhihao 類別：汽車構造維修時間：2007-09-05

第三章柴油機混合氣形成和燃燒

§3-1 柴油機混合氣形成

一兩種基本形式

（一）空間霧化

將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運動達到充分混合。

特點:

1 對燃料噴霧要求高（采用多孔噴嘴） ® 燃燒易于完全，經濟性好。

2 對空氣運動要求不高 ® 后期燃料易被早期燃燒產物包圍，高溫裂解

® 排氣冒煙。

3 但初期空間分布燃料多，燃燒迅速 ® ， ® 工作粗暴。

（二）油膜蒸發（M過程）

空間霧化型混合氣蒸發方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發型混合氣蒸發方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有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，邊燃燒。初期蒸發、燃燒慢，后期蒸發、燃燒迅速（先緩后急）。

特點:

1 對燃料噴霧要求不高（采用單、雙孔噴嘴），對空氣運動要求高。

2 放熱先緩后急 ® ¯， ¯ ® 工作柔和，噪聲小，經濟性較好。

3 但低速性能不好，冷起動困難。對進氣道、燃料供給系統和燃燒室結構參數

之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴格。

二燃料的噴霧

（一）噴霧的作用

只有當燃料與空氣充分接觸，形成可燃混合氣時，才有可能燃燒。接觸面積越大，可燃混合氣越多，燃燒越完善。

1 ml 油滴: 1 個， d = 9.7 mm，S = 245 mm

霧化: 個，d = 40 mm，S = mm

面積增大 5090 倍，燃燒反應機會大大增加。

（二）噴霧的形成

1 油束

燃油噴射－高壓、高速。

一級霧化－汽缸中空氣的動力作用將油束撕

裂成片、帶、泡或大顆粒的油滴。

二級霧化－空氣動力作用將片、帶、泡或大

顆粒的油滴再粉碎成細小的油滴。

油束中央速度高，但濃度也高，油滴集中，

顆粒大。邊上油滴松散，顆粒小。但也有說法正

好相反，中央油滴速度高，顆粒小，邊上顆粒大。

2 著火條件

濃度、溫度為著火的必要條件

中間油粒大, 濃度偏高。

　　外側混合氣形成快，物理準備快，但初期溫度不

高，化學準備沒有跟上。等溫度適合于著火了，油粒

又過分發散，也不會著火。要控制好濃度與溫度的進

程，使之正好配合，方可著火。

（三）噴霧特性

1 油束射程L

　　并不一定越大越好，這要根據混合氣形成的機理與燃燒室形狀具體分析。

　　L ® 燃料噴到壁面上多 ® 空間混合氣太稀。

　　L ¯¯ ® 燃料集中 ® 混合氣分布不均勻，空氣利用¯。

2 噴霧錐角b

　　反映油束的緊密程度。

　　孔式噴嘴 — b ® 油束松散，粒細。

　　軸針式噴嘴 — b¯ ® 油束緊密，粒粗。

3 霧化質量（霧化特性）

　　細微度 — 油滴平均直徑　　　　　　細：霧化好

　　均勻度 — 油滴最大直徑 - 油滴平均直徑　勻：霧化好

　　粒細®均勻度好，粒粗®均勻度差。

（四）噴油規律

　　單位時間（或曲軸轉角）的噴油量隨時間（或曲軸轉角）的變化規律。

　　噴油規律影響放熱規律，放熱規律影響動力性、經濟性和排放。

1 噴油延遲角

　　噴油提前角q — 開始噴油 ® 上止點的曲軸轉角。

　　q’ — 上止點 ® 停止噴油的曲軸轉角。

噴油延遲角½q½+½q’½ — 開始噴油 ® 停止噴油的曲軸轉角。

2 噴油延遲角對性能的影響

½q½+½q’½ ® 噴油持續時間長, 工作柔和，但油耗增大, 排放變差。

½q½+½q’½¯¯ ® 噴油持續時間短, 油耗下降, 排放好，但工作粗暴。

3 噴油延遲角的比較

a. ½q½+½q’½¯¯ ® 油耗¯, 排放好，但工作粗暴。

b. 先急后緩

q¯ ® 工作粗暴。

q’ ® 油耗 , 排放差。

c. 先緩后急

q ® 工作柔和。

q’¯ ® 油耗¯ , 排放好, 盡量采用，但很難做到。

（五）噴油嘴

1 孔式噴嘴

主要用于直噴式燃燒室中。

孔數: 1～5個，f = 0.25～0.8 mm。

霧化好，但易阻塞。孔數越少，霧化越好，但也易阻塞。

2 軸針式噴嘴

主要用于分隔式燃燒室中。

f = 1～3 mm，通道間隙 d = 0.025～0.05 mm。

霧化差，但有自潔作用，不易阻塞。

三氣流運動對混合氣形成的影響

（一）氣流運動的作用

（二）氣流運動

組織氣流運動，加速混合氣形成。

1 進氣渦流

使進氣氣流相對于汽缸中心產生一個力，形成渦流。

（1）切向氣道

特點: 氣道母線與汽缸相切。

優點: 結構簡單，氣流阻力小 ®

缺點: 渦流強度對進氣口位置敏感。

（2）螺旋氣道

特點: 進氣道呈螺旋型。

優點: 能產生強烈的進氣渦流。

缺點: 工藝要求高，制造、調試難度較高

2 擠氣渦流

活塞上行: 將活塞頂隙的氣體擠出流向燃燒室中，形成擠氣渦流。

活塞下行: 燃燒室中的氣體流向活塞頂隙處，形成反渦流。

擠氣間隙¯ ® 擠氣渦流強度

擠氣面積 ® 擠氣渦流強度

擠氣渦流雖然不如進氣渦流強，但它的形成正好處于壓縮沖程終了，此時進氣渦流已經衰減得很弱，所以擠氣渦流就顯得相當重要了。

3 燃燒渦流

燃燒在燃燒室中產生壓力差，形成燃燒渦流。

尤其是分隔式的渦流室型燃燒室，汽缸蓋內的

副燃燒室中的燃料燃燒后，高壓混合氣流和火焰高

速噴向活塞頂部的主燃燒室中，由于主燃燒室的導

向作用，形成燃燒渦流，或稱二次渦流。

（三）熱混合作用

1 剛性渦流

渦流中心質點速度為零，越向邊緣速度越大。

2 勢渦流

渦流中心質點速度最大，壓力最小。越向邊緣速度越小，壓力越大，壁面處速度為零。

一般認為渦流為勢渦流。

3 熱混合作用（主要在渦流室型燃燒室的渦流室中產生）

渦流中的質點受兩個力作用，離心力使質點向外運動，壓差力使質點向中心運動。

若 r’ — 質點密度，r — 空氣密度。

當 r’ = r 時，— 質點作圓周運動。

當 r’ > r 時，— 離心力為主，質點呈螺旋形向外運動。

當 r’ < r 時，— 壓差力為主，質點呈螺旋形向中心運動。

液體油、燃油蒸汽: r’ > 400 r，向外運動。

燃燒產物: r’ < 0.3 r，向中心運動。

燃燒產物將新鮮空氣擠向外圍與燃油混合，并使混合氣與燃燒產物分開，火焰呈螺旋形向中心運動，這就是熱混合作用。

§3-2 柴油機的燃燒過程

一燃燒過程的特點和柴油機燃燒的主要研究方向

（一）燃燒過程的特點

1 高壓噴油在汽缸內部形成可燃混合氣。

2 壓縮自燃。

（二）柴油機燃燒的主要研究方向

1 噴油霧化

2 噴油規律

3 氣流運動

4 燃燒室結構

配合要好。

二燃燒過程

p－j 示功圖曲線下的面積表示有用功的大小。

（一）著火延遲期或稱滯燃期 1－2

（著火延遲角）

1 — 噴油嘴針閥打開向缸高壓噴油。

此時，缸內溫度雖已遠遠超過柴油的自燃溫度（可達 400～800 ℃），但

并不馬上著火。

燃燒需要:

物理準備 — 霧化、吸熱、蒸發、擴散、混合

化學準備 — 分解、氧化（焰前反應）

2 — 缸內壓力脫離壓縮線開始急驟增高。

一般: = 0.0007～0.003 [s]；對應的曲軸轉角稱為著火延遲角。

盡管著火延遲期很短，但卻對燃燒過程、尤其是柴油機的燃燒過程影響很大，因此十分重要。

（二）速燃期 2－3

2 點開始著火，壓力急驟增高，接近等容燃燒。持續噴油，即隨噴隨燃。

3 — 最高壓力點。。

為表示2－3階段壓力升高的急驟程度，引入概念

壓力升高率: [ kpa/degCA ]

， ® 沖擊載荷，工作粗暴，柴油機壽命¯

¯¯， ¯¯ ® 做功不利，柴油機性能¯

（三）緩燃期 3－4

4 — 最高溫度點。 1700～2000 ℃。放熱量達70～80%。

噴油在這一階段停止。

V，p¯，接近等壓燃燒。廢氣量，氧氣、燃油量¯ ® 燃燒¯。

（四）補燃期 4－5

5 — 放熱量達95～97%。

補燃期在膨脹過程中。

補燃期 ® ¯，，動力性¯，冷卻水溫度，排氣溫度，排放差。

所以，應盡量減少補燃。柴油機由于隨噴隨燃，混合時間短，補燃要比汽油機嚴重。

三影響著火延遲期的因素

（一）壓縮溫度和壓力 — 直接影響因素

， ® ¯

½ln ½ ® ¯

（二）壓縮比e

e ® ， ® ¯

（三）噴油提前角q — 影響最大的因素

q¯¯ ® 雖然噴油時的壓力較高，但著火時刻推遲，使燃燒¯

® ¯， ¯ ®

q ® ¯， ¯ ®

所以，有一個使為最小的q。

高速時: 10～15 [ degCA ]

低速時: 5～10 [ degCA ]

一般: q = 5～10 [ degCA ]

（四）轉速n

n Þ 漏氣、散熱損失 ® ，；

噴油壓力 ® 霧化；氣流運動 ® 蒸發

Þ 混合氣形成好轉 ® ¯。

但n Þ 著火延遲角

（五）十六烷值

十六烷值 Þ 柴油的自然性 ®

缸內p，T大時，影響不大；

缸內p，T小時 ® ¯。

（六）增壓

增壓 ® ， ® ¯

四著火延遲期對柴油機性能的影響

® 期間噴入缸內的燃料量 ® 著火前可燃混合氣量

® ，。

® ， ® 沖擊載荷，工作粗暴，柴油機壽命¯。

¯¯ ® 混合氣形成欠佳 ® 柴油機性能¯

五放熱規律

燃燒放熱率隨曲軸轉角 j 變化的關系。

由噴油規律和實測示功圖，經計算機計算而得。

（一）放熱規律

I 階段 — 在速燃期內，約占3 degCA。。

II 階段 — 放熱量約80%，約占40 degCA。 ¯。

III 階段 — 在膨脹過程內，放熱量約20%。

（二）燃燒過程三要素

1 放熱開始時刻

2 放熱規律

3 放熱持續時間

（三）希望 — 先緩后急

工作柔和，經濟性、動力性好，排放少，補燃少。上止點

§3-3 柴油機供油系統的工作特性及其對燃燒過程的影響

一燃油噴射

（一）供油系統的組成

油箱 ® 輸油泵 ® 濾油器 ® 低壓油管 ®

噴油泵 ® 高壓油管 ® 噴油器（噴油嘴）

（二）噴油過程

普遍采用柱塞式噴油泵。

柱塞上行，使噴油泵內壓力升高，當壓力升高

到一定值時，克服噴油泵上方出油閥彈簧預緊力和

高壓油管內的殘余油壓，頂開出油閥，通過高壓油

管向噴油器供油。

上行2點過了4點之后，打開回油口，使泵內

油壓下降。當泵內油壓小于出油閥彈簧預緊力和高

壓油管內的殘余油壓力時，出油閥落座，噴油停止。

下行2點過了4點之后，回油停止，重新進油。

（三）噴油延遲時間

從噴油泵內燃油頂開出油閥進入高壓油管至油壓壓開噴油嘴針閥的時間。

原因 — 高壓油管中燃油壓縮 + 節流作用

（四）幾何供油規律

從幾何關系求出的油泵凸輪每轉一度（或每秒）噴油泵供入高壓油管的燃油量 [ ml/degPA或ml/s ]隨曲軸轉角 j （或時間 t ）的變化關系。

[ ml/s ]

[ ml/degPA ]

其中 — 柱塞面積 [ mm ]；

— 柱塞速度 [ ml/degPA ]。

幾何供油規律與噴油規律不同。

二噴油泵速度特性及其校正

（一）節流作用

1 理論上（不存在節流）

上行—當3點與5點重合時，才開始供油。

當2點與4點重合時，既開始回油，停止供油。

2 實際上（存在節流）

上行—當3點不到5點時，由于通道小，節流，已經開始供油。

關閉進油口時 — 供油提前。

當2點過了4點以后，通道小，節流，才開始回油，停止供油。

開啟回油口時 — 供油持續。

所以，實際供油比理論供油時間長，供油量大。

（二）噴油泵速度特性

每循環供油量隨轉速n的變化關系。

n ® 節流作用 ® 循環供油時間

® 循環供油量 Dg

（三）車用的適應性

車用 — 希望n ® Dg¯ ® Me¯

（例如: 低速大負荷工況）

噴油泵速度特性 — n ® Dg ® Me

因此，噴油泵速度特性不適合于車用，必須進行校正。

（四）校正

1 出油閥校正

可變減壓容積和可變減壓作用。

n ® 節流作用 ® Dg¯ ® Me¯

可使循環供油量曲線變得較平坦，但若要適合于車用，還需進行調速器

校正。

2 調速器校正

n ® Dg¯¯ ® Me¯¯

在第六章發動機特性中介紹。

三不正常噴射現象

（一）二次噴射

高壓油管內壓力波引起。

噴射時間 ® 霧化不良，燃燒不完全，補燃嚴重，排污，炭煙，零件過熱。

（二）斷續噴射

進入噴油嘴燃油量不穩定，壓力波動引起。

噴油時間正常，但針閥運動次數，噴油嘴易磨損。

（三）隔次噴射

低速、尤其是怠速時，油壓不足，壓不開針閥。下一循環時油壓聚足，壓開針閥噴射。

怠速運轉不穩定。

§3-4 柴油機的燃燒室

一燃燒室的分類

（一）直噴式

1 開式 — 中、大型，中、低速船舶、發電用柴油機

不組織進氣渦流，空間霧化型混合氣蒸發方式。

2 半開式 — 中、小型，中、高速車用柴油機

（1） w 型

（2）球型

（3）復合式（ U型）

（二）分隔式

1 渦流室型 — 小型高速車用柴油機

2 預燃室型 — 小、中、大型，中、高速車用柴油機

二直噴半開式燃燒室

（一） w 型

1 應用: 黃河JN151，6135Q柴油機；日野ED100，6128柴油機等。

2 混合氣形成方式: 空間霧化。

3 主要結構參數

（1） 0.4～0.6

其中 — 燃燒室喉口直徑；D — 汽缸直徑。

，油束射程¯¯ ® 燃油噴在燃燒室局部空間，空氣利用率¯。

¯¯，油束射程，氣流運動¯ ® 燃油噴在燃燒室壁面上，霧化差。

（2） 0.75～0.85

其中 — 燃燒室容積； — 活塞位于上止點時的壓縮容積。

® 空氣利用率，散熱面積¯ ® 燃燒好。

所以，希望盡可能大。

4 主要特點

（1）長型多孔（3～5 個）噴嘴，孔徑 d = 0.25～0.4 [ mm ]。

針閥開啟壓力 19.6 [ Mpa ]，噴霧夾角 140～160°。

（2） ® 工作粗暴。

（3） a > 1.3，a 大 ® 空氣利用率¯

® 空氣停留時間 ®

（4）結構簡單，散熱面積¯，冷起動性好，經濟性好。

（二） w的改進型

1 四角型

日本五十鈴公司研制。

主要特點:

（1）四孔噴油嘴，燃油在四角之前噴射。

（2）油束沿氣流方向下游燃料分布多，

上游燃料分布少，使整個燃燒室內

霧化均勻。

2 擠流口型

英國潑金斯公司研制。

主要特點:

擠氣面積 ® 擠流強度® a¯

（三）球型

1 應用: 黃河JN150，6120Q-1型柴油機等。

2 混合氣形成方式: 油膜蒸發（ M過程）

3 主要結構參數

，對球型燃燒室的影響可參閱 w 型燃燒室。

4 主要特點

（1）螺旋進氣道，進氣渦流強。

（2）采用單孔噴嘴 F = 0.5～0.7 mm，或雙孔噴嘴 F = 0.3～0.4 mm。

噴嘴與汽缸蓋平面成70°夾角，沿順氣流方向噴射。

（3）由于油膜的隔熱作用，缸壁溫度合適，200～350℃。

（4） a值較小，a = 1.1 左右，空氣利用率。

（5） ¯， ¯，工作柔和、平穩，噪聲小。經濟性、動力性較好。

（6）冷起動性和低速性差，排污嚴重。

（7）限制缸徑 D不可太大，一般在140 mm之內。

D ® Dg ® 油膜厚度 ® 蒸發不完全，燃燒惡化。

（四）復合式（ U型）

天津大學史紹熙研制。

1 應用: 新105系列，延安6130柴油機等。

2 混合氣形成方式: 空間霧化 + 油膜蒸發

3 主要結構參數: 參閱 w 型燃燒室。

4 主要特點

（1）噴油基本垂直于氣流方向（順7° ） ® 霧化好。

（2）采用螺旋進氣道，軸針式噴油嘴。

（3）低速時，氣流弱 — 空間分布燃料多 ® 改善了冷起動性和低速性。

高速時，氣流強 — 壁面分布燃料多 ® ¯， ¯，工作柔和、平穩，

噪聲小。

氣流運動起重要作用。

（4）高速性能較差，對增壓適應性差。

（5）喉口熱負荷高。對進氣道、擠氣間隙敏感。

三分隔式燃燒室

主要用于高速柴油機。

結構特點:

整個燃燒室分隔成兩個空間，

主燃燒室設于活塞頂部，副燃燒室

位于汽缸蓋內，中間用通道連接。

（一）渦流室型

1 應用: BJ130，495Q型柴油機等。

2 混合氣形成方式: 熱混合

3 主要結構參數

50～80 %

1～3.5 %

通道與渦流室相切，產生壓縮渦流。噴油器安裝在渦流室中，順氣流方向噴射。

4 工作原理

壓縮過程 — 活塞壓迫空氣經過通道流入渦流室，在渦流室中形成強烈的、有

組織的壓縮渦流，渦流流速隨轉速的提高而增高。

燃燒過程 — 渦流室中噴油后，由于離心力作用，燃油被帶到燃燒室外圍，部

分燃油附著在壁面上，在通道口附近首先著火。在強烈的渦流作

用下，燃燒產物（密度小于空氣）被卷向渦流室中央，將新

鮮空氣擠向渦流室外圍，形成良好的熱混合。渦流室中混合氣著

火后，渦流室中的壓力、溫度迅速升高，燃油、空氣、混合氣和

火焰一起經過通道高速噴向主燃燒室，壁面附近的濃混合氣首先

從渦流室中噴出。

在活塞頂部開有淺的導流槽，形成強烈的燃燒渦流，即二次渦

流，加速混合氣的形成與燃燒。

5 主要特點

（1）采用軸針式噴嘴 F = 1 mm，針閥開啟壓力 9.8～12 [ Mpa ]。

（2）渦流強 ® 空氣利用率 ® a¯ （ a = 1.1～1.3 ）。

（3） n ® 渦流強度 ® 高速性

（4）壓縮渦流、燃燒渦流使后期放熱大 ® 工作柔和、平穩，噪聲小。

（5）相對散熱面積，節流損失 ® 經濟性¯，冷起動性¯。

（二）預燃室型

1 應用: 195-2型柴油機等。

2 主要結構參數

20～40 %

0.25～0.7 %

通道個數多，截面積小，產生壓縮紊流。噴油器安裝在預流室中，燃油逆進入預流室的氣流方向噴射。

3 工作原理

壓縮過程 — 活塞壓迫空氣經過通道流入預燃室，在預燃室中形成強烈的壓縮

紊流，轉速越高，紊流越強。

燃燒過程 — 壓縮紊流將一部分小顆粒的燃油吹向預燃室上部，并在那里首先

著火。混合氣著火后，預燃室中的壓力、溫度迅速升高。下部已

預熱的燃油、空氣、混合氣和火焰一起經過通道高速噴向主燃燒

室。

在主燃燒室中形成強烈的燃燒紊流，加速燃油的霧化和混合氣的

形成與燃燒。

低速時經通道進入預燃室的氣流不足以將燃油吹起，一部分燃油

穿透氣流噴向主燃燒室，使主燃燒室中初期燃燒的油量增多，壓

力升高率增大，工作粗暴，噪聲增大。

4 主要特點

（1）采用軸針式噴嘴，針閥開啟壓力 7.8～12.8 [ Mpa ]。

（2）紊流強 ® 混合氣形成改善 ® a¯¯。

（3）節流作用大 ® 高速時，工作更加柔和、平穩，噪聲更小。

（4）低速性時易工作粗暴，噪聲大。

（5）相對散熱面積，節流損失 ® 經濟性¯¯。

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