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互聯(lián)網(wǎng) panzhihao 汽車構(gòu)造維修 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(jīng)濟性好。
2 對空氣運動要求不高 ® 后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)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(fā) (M過程)
空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間,而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)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(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱,邊蒸發(fā),邊混合,邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢,后期蒸發(fā)、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(jīng)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(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)
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(cè)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(fā)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(jù)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(zhì)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(guī)律
噴油規(guī)律影響放熱規(guī)律,放熱規(guī)律影響動力性、經(jīng)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(zhuǎn)角。
q’ — 上止點 ® 停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。
噴油延遲角½q½+½q’½ — 開始噴油 ® 停止噴油的曲軸轉(zhuǎn)角。
2 噴油延遲角對性能的影響
½q½+½q’½ ® 噴油持續(xù)時間長, 工作柔和,但油耗增大, 排放變差。
½q½+½q’½¯¯ ® 噴油持續(xù)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(shù): 1~5個,f = 0.25~0.8 mm。
霧化好,但易阻塞?讛(shù)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(chǎn)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(yōu)點: 結(jié)構(gòu)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(yōu)點: 能產(chǎn)生強烈的進氣渦流。
缺點: 工藝要求高,制造、調(diào)試難度較高
2 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(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(zhì)點速度為零,越向邊緣速度越大。
2 勢渦流
渦流中心質(zhì)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(chǎn)生)
渦流中的質(zhì)點受兩個力作用,離心力使質(zhì)點向外運動,壓差力使質(zhì)點向中心運動。
若 r’ — 質(zhì)點密度,r — 空氣密度。
當 r’ = r 時,— 質(zhì)點作圓周運動。
當 r’ > r 時,— 離心力為主,質(zhì)點呈螺旋形向外運動。
當 r’ < r 時,— 壓差力為主,質(zhì)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(chǎn)物: r’ < 0.3 r,向中心運動。
燃燒產(chǎn)物將新鮮空氣擠向外圍與燃油混合,并使混合氣與燃燒產(chǎn)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(nèi)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(guī)律
3 氣流運動
4 燃燒室結(jié)構(gòu)
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(nèi)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(fā)、擴散、混合
化學準備 — 分解、氧化 (焰前反應)
2 — 缸內(nèi)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(zhuǎn)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(xù)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。
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(zhuǎn)速n
n Þ 漏氣、散熱損失 ® , ;
噴油壓力 ® 霧化;氣流運動 ® 蒸發(fā)
Þ 混合氣形成好轉(zhuǎn) ® ¯。
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(nèi)p,T大時,影響不大;
缸內(nèi)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(nèi)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(guī)律
燃燒放熱率 隨曲軸轉(zhuǎn)角 j 變化的關(guān)系。
由噴油規(guī)律和實測示功圖,經(jīng)計算機計算而得。
(一) 放熱規(guī)律
I 階段 — 在速燃期內(nèi),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(nèi),放熱量約20%。
(二) 燃燒過程三要素
1 放熱開始時刻
2 放熱規(guī)律
3 放熱持續(xù)時間
(三) 希望 — 先緩后急
工作柔和,經(jīng)濟性、動力性好,排放少,補燃少。 上止點
§3-3 柴油機供油系統(tǒng)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(tǒng)的組成
(二) 噴油過程
普遍采用柱塞式噴油泵。
柱塞上行,使噴油泵內(nèi)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(nèi)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(nèi)
油壓下降。當泵內(nèi)油壓小于出油閥彈簧預緊力和高
壓油管內(nèi)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(nèi)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(jié)流作用
(四) 幾何供油規(guī)律
從幾何關(guān)系求出的油泵凸輪每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角 j (或時間 t ) 的變化關(guān)系。
[ ml/s ]
[ ml/degPA ]
其中 — 柱塞面積 [ mm ];
— 柱塞速度 [ ml/degPA ]。
幾何供油規(guī)律與噴油規(guī)律不同。
二 噴油泵速度特性及其校正
(一) 節(jié)流作用
1 理論上 (不存在節(jié)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(jié)流)
上行—當3點不到5點時,由于通道小,節(jié)流,已經(jīng)開始供油。
關(guān)閉進油口時 — 供油提前。
當2點過了4點以后,通道小,節(jié)流,才開始回油,停止供油。
開啟回油口時 — 供油持續(xù)。
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(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系。
n ® 節(jié)流作用 ® 循環(huán)供油時間
® 循環(huán)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(jié)流作用 ® Dg¯ ® Me¯
可使循環(huán)供油量曲線變得較平坦,但若要適合于車用,還需進行調(diào)速器
校正。
2 調(diào)速器校正
n ® Dg¯¯ ® Me¯¯
在第六章發(fā)動機特性中介紹。
三 不正常噴射現(xiàn)象
(一) 二次噴射
高壓油管內(nèi)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(xù)噴射
進入噴油嘴燃油量不穩(wěn)定,壓力波動引起。
噴油時間正常,但針閥運動次數(shù),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(huán)時油壓聚足,壓開針閥噴射。
怠速運轉(zhuǎn)不穩(wěn)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(fā)電用柴油機
不組織進氣渦流,空間霧化型混合氣蒸發(fā)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(jié)構(gòu)參數(shù)
(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(jié)構(gòu)簡單,散熱面積¯,冷起動性好,經(jīng)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(nèi)
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(fā) ( M過程 )
3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
, 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(wěn),噪聲小。經(jīng)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(nèi)。
D ® Dg ® 油膜厚度 ® 蒸發(fā)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(fā)
3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù): 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(wěn),
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(jié)構(gòu)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(nèi),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(jié)構(gòu)參數(shù)
50~80 %
1~3.5 %
通道與渦流室相切,產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)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(chǎn)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(jīng)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(wěn),噪聲小。
(5) 相對散熱面積,節(jié)流損失 ® 經(jīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)
20~40 %
0.25~0.7 %
通道個數(shù)多,截面積小,產(chǎn)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(jīng)過通道流入預燃室,在預燃室中形成強烈的壓縮
紊流,轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(jié)流作用大 ® 高速時,工作更加柔和、平穩(wěn),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(jié)流損失 ® 經(jīng)濟性¯¯。
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