第五章-内燃机混合气的形成与燃烧课件2.ppt

1、第四节压燃式内燃机的燃烧第四节压燃式内燃机的燃烧 5.4 Combustion in the CI engines一、着火与燃烧过程一、着火与燃烧过程（一）着火现象（一）着火现象(ignition)燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些燃料喷入燃烧室后，分散成许多细小油滴，这些细小油滴经过加热、蒸发（细小油滴经过加热、蒸发（vaporization）、扩）、扩散（散（diffusion）与空气的混合等物理准备及分解、）与空气的混合等物理准备及分解、氧化等化学准备阶段后，一处或几处同时着火，氧化等化学准备阶段后，一处或几处同时着火，即自行着火燃烧。即自行着火燃烧。着火需要具备两个条件：着火需

2、要具备两个条件：1)浓度条件：浓度条件：在形成的可燃混在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比合气中，燃料蒸气与空气的比例要在一定的范围内，这个范例要在一定的范围内，这个范围称作着火范围围称作着火范围(或着火界限或着火界限)。着火界限不是一成不变的，随着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着增加，反应速度加快，将使着火界限扩大。火界限扩大。2)温度条件：温度条件：可燃混合气必须加热到某一临界温度，低可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点于这一温度，燃料就不能着火，我们把燃料不用外部点燃

3、而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。（二）燃烧阶段的划分（二）燃烧阶段的划分1 1 滞燃期滞燃期(ABAB段段)2 2 急燃期急燃期 BCBC段段 3 3 缓燃期缓燃期 CDCD段段4 4 后燃期后燃期 DEDE段段燃烧过程划分为四个阶段燃烧过程划分为四个阶段n第第1阶段：阶段：n着火延迟阶段着火延迟阶段(AB段段)(ignition delay)。从喷油开。从喷油开始始(A点点)到压力开始急剧升高时到压力开始急剧升高时(B点点)为止，这一段为止，这

4、一段时间称为滞燃期。时间称为滞燃期。n第第2阶段：阶段：n压力急剧上升的压力急剧上升的BC段，称为段，称为急燃期急燃期(rapi d pressure rise)。滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一。滞燃期内喷入气缸的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小起燃烧，而且是在活塞靠近上止点、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。平均的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。平均压力升高比不宜超过压力升高比不宜超过0.6MPa/(CA)n第第3阶段：阶段：n从压力急剧升高的终点从压力急剧升高的终点(C点点)到压力开始急剧下降的到压力开始急剧下降的D点为止，点为止，称为称为缓燃期

5、缓燃期(controlled pressure rise)。加强缓燃期内空气。加强缓燃期内空气运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全燃运动，加速混合气形成，对保证在上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用。烧有重要作用。n第第4阶段：阶段：n从缓燃期的终点从缓燃期的终点(D点点)到燃料基本上完全燃烧时到燃料基本上完全燃烧时(E点点)为止，为止，称为称为后燃期后燃期(burning on the expansion stroke)。后燃期。后燃期所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，所放出的热量不能有效利用，并增加了散往冷却水的热损失，使柴油机经济性下降；增加活塞组的热负荷

6、以及使排气温度使柴油机经济性下降；增加活塞组的热负荷以及使排气温度增高，所以应尽量减少过后燃烧。增高，所以应尽量减少过后燃烧。（三）滞燃期（三）滞燃期滞燃期越长，则在滞燃期滞燃期越长，则在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的可燃混合气就在着火前形成的可燃混合气就越多。这些燃料在第越多。这些燃料在第2阶段中阶段中几乎一起燃烧，使压力升高比几乎一起燃烧，使压力升高比和最高燃烧压力较高，运动零和最高燃烧压力较高，运动零件受到强烈的冲击负荷，发动件受到强烈的冲击负荷，发动机运转粗暴，影响发动机的使机运转粗暴，影响发动机的使用寿命。用寿命。影响滞燃期因素：影响滞燃期因

7、素：压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。压缩温度和压力是影响滞燃期的主要因素。喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也喷油提前角、转速以及燃料性质等对滞燃期也有较大影响。有较大影响。1）随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。）随着压缩温度和压力提高，滞燃期减小。影响滞燃期的因素：影响滞燃期的因素：2）喷油定时对滞燃期的影）喷油定时对滞燃期的影响通过压缩温度和压力而起响通过压缩温度和压力而起作用。存在一个使滞燃期最作用。存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。为了保证短的喷油提前角。为了保证有较好的功率和经济指标，有较好的功率和经济指标，希望在上止点前希望在上止点前5-10(CA)开始着火燃烧，保证燃

8、烧在开始着火燃烧，保证燃烧在上止点附近完成。上止点附近完成。3）随着增压压力提高，滞）随着增压压力提高，滞燃期显著缩短。燃期显著缩短。影响滞燃期因素：影响滞燃期因素：4）转速对滞燃期的转速对滞燃期的影响随着转速增影响随着转速增加，以秒计的滞燃加，以秒计的滞燃期缩短，以曲轴计期缩短，以曲轴计滞燃期则可能增加滞燃期则可能增加或减小。或减小。二、燃烧放热规律二、燃烧放热规律(Heat release rate)BWWQQQUWQ()WWBdQdQdQdQd mudVpdddddd燃烧规律燃烧规律(放热规律放热规律)加热规律加热规律传热规律传热规律由实测的示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：由实测的

9、示功图进行数值计算可得到燃烧放热规律：1）瞬时放热速率）瞬时放热速率在燃烧过程的某一时刻，单位时间内在燃烧过程的某一时刻，单位时间内燃烧的燃油放出的热燃烧的燃油放出的热2）累积放热百分比）累积放热百分比从燃烧过程开始至某一时刻止，已从燃烧过程开始至某一时刻止，已燃燃油与循环供油量的比值。燃燃油与循环供油量的比值。当发动机结构参数确当发动机结构参数确定后，气缸压力变化特定后，气缸压力变化特性主要由燃烧规律性主要由燃烧规律(或或加热规律加热规律)所决定所决定(公式公式5-22)，从而燃烧放热，从而燃烧放热规律强烈影响平均有效规律强烈影响平均有效压力、燃油消耗、最高压力、燃油消耗、最高燃烧压力、燃烧

10、噪声等燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。性能指标。1dpkdQp dVkdVdV d 开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是是燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要燃烧过程的三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。比较表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。比较合适的放热规律合适的放热规律是希望燃烧先缓后急，即开始放热是希望燃烧先缓后急，即开始放热要适中，压力升高比不超过要适中，压力升高比不超过0.4-0.6MPa(CA)，以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料以满足运转柔和的要求；随后燃烧要加快，使燃料尽量接近

11、上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应尽量接近上止点附近燃烧，一般燃烧持续时间不应超过上止点后超过上止点后 40(CA)，以满足经济运转的要求。，以满足经济运转的要求。三、燃烧噪声三、燃烧噪声(combustion noise)燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，则产生强烈的震音，我们称这种现象为升高比过大，则产生强烈的震音，我们称这种现象为柴油机的工作粗暴柴油机的工作粗暴(或敲缸或敲缸knock)。降低燃烧噪声的降低燃烧噪声的主要途径有：主要途径有：1缩短滞燃期（如：十六烷值高的燃料）缩短滞燃期（如：十六烷值高的燃料）2减小滞燃期内的

12、喷油量：引导喷射（二级喷射减小滞燃期内的喷油量：引导喷射（二级喷射pilot injection）3减少滞燃期内形成的可燃混合气数量（油膜蒸发混减少滞燃期内形成的可燃混合气数量（油膜蒸发混合）合）三、燃烧噪声三、燃烧噪声(combustion noise)怠速敲缸怠速敲缸 柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较柴油机冷起动或怠速时，温度较低，滞燃期较长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷，长，润滑油粘度较高，摩擦损失较大，尽管无负荷，每循环的喷油量仍相当大每循环的喷油量仍相当大，同时低速下喷油提前角，同时低速下喷油提前角偏大，因此压力升高比也较大，产生较强的震音，偏大，因此压力升高比也

13、较大，产生较强的震音，这种噪声称怠速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，这种噪声称怠速敲缸；随着转速升高及带负荷运行，怠速噪声即自行消失。怠速噪声即自行消失。四、柴油机的冷起动性能四、柴油机的冷起动性能(Cold starting)n冷起动困难原因冷起动困难原因u气缸内压缩始点温度下降、气缸壁传热增大以及由于气缸内压缩始点温度下降、气缸壁传热增大以及由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度、压缩终点温度、压力下降压力下降。u低温时燃料粘性增大、起动转速低，使燃料的蒸发和低温时燃料粘性增大、起动转速低，使燃料的蒸发和雾化均恶化，从而影响混合气的形成。雾化均

14、恶化，从而影响混合气的形成。u润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。润滑油粘度增加，蓄电池性能下降等。n柴油机顺利起动条件柴油机顺利起动条件u压缩温度必须足够高，起动转速大于压缩温度必须足够高，起动转速大于200r/min。u必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性及增必须形成易于着火的混合气。燃料本身的蒸发性及增加每循环供油量对起动起着决定性的作用加每循环供油量对起动起着决定性的作用第五节压燃式内燃机的燃烧室第五节压燃式内燃机的燃烧室5.5 CI Engine Combustion ChambernDiesel engines are divided into two basic catego

15、ries according to their combustion chamber design:1)direct-injection(DI)engines,which have a single open combustion chamber into which fuel is injected directly;(2)indirect-injection(IDI)engines,where the chamber is divided into two regions and the fuel is injected into the“prechamber”which is conne

16、cted to the main chamber(situated above the piston crown)via a nozzle,or one or more orifices.IDI engine designs are only used in the smallest engines sizes.Within each category there are several different chamber geometry,air-flow and fuel injection arrangements.n燃烧室分类燃烧室分类：直接喷射式燃烧室、分隔式燃烧室：直接喷射式燃烧室

17、、分隔式燃烧室n直接喷射式柴油机直接喷射式柴油机：浅盆形、深坑形；无涡流直：浅盆形、深坑形；无涡流直喷式和有涡流直喷式两种。喷式和有涡流直喷式两种。n气缸直径越大，燃烧室就越浅。浅盆形燃烧气缸直径越大，燃烧室就越浅。浅盆形燃烧室不组织进气涡流或弱进气涡流，而深坑形室不组织进气涡流或弱进气涡流，而深坑形燃烧室一般都组织较强的进气涡流。燃烧室一般都组织较强的进气涡流。n分隔式燃烧室分隔式燃烧室：涡流室、预燃室：涡流室、预燃室一、浅盆形燃烧室一、浅盆形燃烧室（shallow bowl combustion chambers）1)混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾质量混合气形成主要靠燃油的喷雾，对喷雾

18、质量要求高，采用多孔喷嘴，要求高，采用多孔喷嘴，612个喷孔，直径很小个喷孔，直径很小（0.12mm），最高喷油压力高（），最高喷油压力高（200MPa），对燃），对燃油系统要求较高。油系统要求较高。2)油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地油束与燃烧室形状相配合，燃料要尽可能地分布到整个燃烧室空间。分布到整个燃烧室空间。3)燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展使燃油与空气混合。束的扩展使燃油与空气混合。一、浅盆形燃烧室一、浅盆形燃烧室（shallow bowl combustion chambers）4)燃烧室形状简单，结构紧凑。经济性好，容易

19、起燃烧室形状简单，结构紧凑。经济性好，容易起动。动。5)因均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合因均匀的空间混合，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作气较多，因此最高燃烧压力及压力升高比较高，工作组暴。组暴。6)过量空气系数较大。过量空气系数较大。浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，工作过程组织浅盆形燃烧室一般不组织气流运动，工作过程组织的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间的合理配合。的关键是燃油喷射和燃烧室形状之间的合理配合。二、深坑形燃烧室二、深坑形燃烧室(deep bowl combustion chambers)(一一)混合气形成特点混合气形成特点小型高速柴

20、油机转速高，为了获得较好的性能指标，就小型高速柴油机转速高，为了获得较好的性能指标，就要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。于是出要求在较小的过量空气系数时有较好的燃烧过程。于是出现了有涡流的深坑形燃烧室。采用现了有涡流的深坑形燃烧室。采用46孔喷油器，喷孔直径孔喷油器，喷孔直径较大较大(0.35mm左右左右)。混合气形成一方面利用喷雾，一方面混合气形成一方面利用喷雾，一方面组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大燃烧室利用进气涡流加强混合气的形成，使空气利用率大大提高，一般大提

21、高，一般 a1.31.5，并保持燃油消耗率低和起动容并保持燃油消耗率低和起动容易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。易的优点，所以在小型高速柴油机上获得广泛应用。共轨及泵共轨及泵-喷嘴，国喷嘴，国3：140MPa；国；国4：160MPa，（，（6-8孔，孔，0.1-0.15mm 孔径）孔径）三、球形油膜燃烧方式三、球形油膜燃烧方式 球形油膜燃烧球形油膜燃烧室是深坑型燃烧室是深坑型燃烧室的一种，其混室的一种，其混合气形成主要是合气形成主要是油膜蒸发混合。油膜蒸发混合。将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气将燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室

22、壁上，形成一层很薄的涡流作用下，将燃油摊布在燃烧室壁上，形成一层很薄的油膜。燃烧室壁温油膜。燃烧室壁温200350，使壁面上的燃料在较低的，使壁面上的燃料在较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解。从油束中分散出来的一温度下蒸发，以控制燃料的裂解。从油束中分散出来的一小部分燃料在炽热的空气中首先形成火核，然后靠此火核小部分燃料在炽热的空气中首先形成火核，然后靠此火核点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气。随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。球形油膜燃烧室发动

23、机工作柔和，气，保证迅速地燃烧。球形油膜燃烧室发动机工作柔和，燃烧噪声小。燃烧噪声小。在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化在小型高速柴油机中，纯粹的空间雾化混合是没有的，燃油都或多或少地喷到燃混合是没有的，燃油都或多或少地喷到燃烧室壁面上，实际的混合过程是介于空间烧室壁面上，实际的混合过程是介于空间雾化混合和油膜蒸发混合之间。雾化混合和油膜蒸发混合之间。四、涡流室燃烧室四、涡流室燃烧室(swirl combustion chamber)混合气形成混合气形成主燃烧室和涡流室之间用一个或数个通道相主燃烧室和涡流室之间用一个或数个通道相连，通道方向与活塞顶成一定角度，喷油嘴安装连，通道方向与活塞顶成一

24、定角度，喷油嘴安装在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射。在压缩过程在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射。在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡中，气缸中的空气被活塞推挤，经过通道流入涡流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使喷入涡流室中的燃油混合。当涡流室中着火燃烧后，涡流室中的燃油混合。当涡流室中着火燃烧后，气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡气体压力、温度迅速升高；在膨胀行程期间，涡流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流入主燃烧室中流入主燃烧室中(形成二次涡流形成二次涡流)，与燃烧室的空，与燃烧

25、室的空气进一步混合燃烧。气进一步混合燃烧。涡流室柴油机特点涡流室柴油机特点1)混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈的压缩涡流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油涡流，因此对喷雾质量要求不高，一般采用轴针式喷油嘴，喷油压力较低，这可降低对燃油系统的要求，减少嘴，喷油压力较低，这可降低对燃油系统的要求，减少喷孔堵塞等故障。喷孔堵塞等故障。2)由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高由于压缩涡流随转速升高而加强，所以在转速较高时仍保证较好的混合质量。时仍保证较好的混合质量。3)因为有强烈的压缩涡流保证较好的混合质量，使空因为有强烈的压缩涡流保

26、证较好的混合质量，使空气能较充分利用，过量空气系数较小。由于燃烧初期在气能较充分利用，过量空气系数较小。由于燃烧初期在涡流室内进行，工作较为平稳。涡流室内进行，工作较为平稳。4)涡流室的相对散热面积较大，散热损失较大，在涡涡流室的相对散热面积较大，散热损失较大，在涡流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大，流室发动机中，气体经过通道流动，节流损失也较大，因此，冷起动困难，燃油消耗率较高。因此，冷起动困难，燃油消耗率较高。5)由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少由于主燃烧室最高温度相对较低，因此可减少NOx排放，此外，排放，此外，HC和微粒排放均比直喷式柴油机低。和微粒排放均比直喷式柴

27、油机低。五、预燃室式燃烧室五、预燃室式燃烧室（prechamber systems）由位于气缸盖内的预燃室由位于气缸盖内的预燃室和活塞上方的主燃烧室所组和活塞上方的主燃烧室所组成，两者之间由一个或数个成，两者之间由一个或数个孔道相连，喷油嘴安装在预孔道相连，喷油嘴安装在预燃室中心线附近。不产生有燃室中心线附近。不产生有组织的强烈涡流，但空气流组织的强烈涡流，但空气流过通道产生强烈湍流，空气过通道产生强烈湍流，空气湍流使一部分燃料雾化混合。湍流使一部分燃料雾化混合。由于起动性及经济性较差，由于起动性及经济性较差，基本已不被采用。基本已不被采用。六、空气运动、燃油喷射及燃烧室的匹配六、空气运动、燃

28、油喷射及燃烧室的匹配n压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的压燃式发动机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要完善程度，空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素。的影响因素。n在大型柴油机中，不组织空气涡流运动，依靠高压喷射、在大型柴油机中，不组织空气涡流运动，依靠高压喷射、多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。多孔喷嘴等燃油系统参数就能达到较好的性能。n在中、小型高速柴油机中，组织进气涡流，促进混合气在中、小型高速柴油机中，组织进气涡流，促进混合气的形成和燃烧过程。对于一定缸径和转速的发动机，根的形成和燃烧过程。对于一定缸径

29、和转速的发动机，根据燃油系统参数和燃烧室结构参数确定一个最佳涡流比。据燃油系统参数和燃烧室结构参数确定一个最佳涡流比。n最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时应为高涡最佳涡流比随发动机的转速而变化，在低速时应为高涡流比，在高速时应为低涡流比。流比，在高速时应为低涡流比。可变涡流进气系统。可变涡流进气系统。n由于直喷式柴油机具有经济性好的明显特点，柴油机向由于直喷式柴油机具有经济性好的明显特点，柴油机向直喷化方向发展。直喷化方向发展。第六节均质充量压缩着火燃烧内燃机第六节均质充量压缩着火燃烧内燃机5.6 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)

30、一、传统燃烧方式的局限性一、传统燃烧方式的局限性nCI：质调节，扩散燃烧，混合气浓度、温度分布极不均：质调节，扩散燃烧，混合气浓度、温度分布极不均匀，局部高温区（预混燃烧部分）产生匀，局部高温区（预混燃烧部分）产生NOx，高温缺氧，高温缺氧区（扩散燃烧部分）产生碳烟（区（扩散燃烧部分）产生碳烟（Soot）。）。nSI：预混燃烧，火焰前锋局部高温产生：预混燃烧，火焰前锋局部高温产生NOx，压缩比受，压缩比受爆燃限制，燃油消耗较高。爆燃限制，燃油消耗较高。二、二、HCCI发动机主要特点发动机主要特点nHCCI：综合：综合SI和和CI的优点，均质，避免扩散火焰，降的优点，均质，避免扩散火焰，降低颗粒排放；压燃，避免点火后高温火焰，降低低颗粒排放；压燃，避免点火后高温火焰，降低NOx排排放放(低温燃烧低温燃烧)。P.132nHCCI：Homogeneous Charge Compression IgnitionnPCCI：Premixed Charge Compression IgnitionnLTC：Low Temperature Combustion