当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第七章：柴油机的混合气形成与燃烧过程 > 7.1 柴油机燃烧过程分析 > Video
同学们好
这节课我们开始学习第七章
“柴油机的混合气形成与燃烧过程”
柴油机是通过在缸内
直接喷射燃油形成
分层混合气进行压缩着火
是一种边喷 边混 边燃的
扩散燃烧过程
具有高速 高温和高压的特点
从喷油开始到燃烧结束的
整个燃烧过程一般在2～10ms
燃烧室内局部温度
可以达到2000℃以上
最高燃烧压力超过150bar
对于增压柴油机甚至更高
混合气形成与燃烧过程
对柴油机的动力性 经济性
排放特性和振动噪声特性等
有重要影响
在这一章我们将重点介绍
柴油机的燃烧过程及其放热规律
燃油喷射系统
缸内气流运动
燃烧室及其特性
混合气形成方式
粗暴燃烧与燃烧噪声等
首先我们来分析
柴油机燃烧过程的特点及其分期
图所示是典型柴油机的缸压
喷油速率 瞬态放热率等
随曲轴转角的变化过程
可以依据三者的变化特点
将柴油机燃烧过程分为四个时期
也就是着火落后期 速燃期
缓燃期 后燃期
分别对应图中1-2-3-4所示阶段
着火落后期
英文叫ignition delay
又称为滞燃期
图中从喷油始点A
到气缸压力线
与压缩线脱离点B
对应的时期
我们称之为着火落后期
从A点开始
柴油被喷入气缸
经历一系列
复杂的物理化学过程
包括雾化 蒸发 扩散
与空气混合等物理准备阶段
以及低温多阶段着火的
化学准备阶段
在温度 压力
以及空燃比合适的区域
多点同时着火
随着燃烧放热的进行
缸内压力和温度升高
脱离压缩线
除了直接在示功图上判断B点外
用放热率曲线
可以更精确的确定B点
如图所示
由于柴油汽化吸热
造成在着火前
瞬态放热率曲线出现负值
一旦开始燃烧放热
瞬态放热率很快由负变正
由此可以取瞬态放热率
明显上升前第一个极小值点
或者是等于0作为着火点
另外
用可视化发动机
和高速摄影的方法
可以直观地判定着火时刻
上述三种确定着火时刻的方法中
瞬态放热率曲线方法最精确
并且特征明显容易判定
示功图方法要比
瞬态放热率曲线方法
滞后1-2°CA
而高速摄影方法具有
与瞬态放热率曲线相近的精度
一般柴油机的着火落后期
在8-12°CA
着火落后时间在0.7-3ms之间
由于柴油机着火落后期长短
会明显影响滞燃期内喷油量
和预混合气量的多少
从而影响柴油机的燃烧特性
最终对柴油机的动力经济性
排放特性和噪声振动特性等
造成重要影响
因此需要精确控制
由B点开始的压力急剧上升的BC段
称为速燃期
由于在着火落后期内
做好燃前准备的预混合气
大面积多点同时着火
燃烧放热速率很快上升
并达到最高值
由于是在活塞靠近上止点时
气缸容积较小的情况下发生
因此气体的温度
和压力都急剧升高
随着大量在着火落后期内生成的
可燃混合气燃烧烧尽
放热速率下降
到达放热率曲线的谷点C
速燃期结束
速燃期中的压力升高率
对柴油机性能有至关重要的影响
压力升高率在实际中
一般有两种表现方式
一种是将缸压曲线
对曲轴转角求导获得
瞬态的压力升高率曲线
如图所示
另一种是平均压力升高率
定义为
dp/dφ=(PC-PB)/(φC-φB)
压力升高率越高
燃烧等容度越高
循环热效率越高
这对动力 经济性有益
但会使燃烧噪声及振动加剧
也就是燃烧粗暴度增大
同时也是氮氧化物
排放增加的重要原因
第九章我们会详细讨论
一般柴油机
dp/dφ=2～6bar/(°CA)
直喷式柴油机的要大一些
dp/dφ=4～6bar/(°CA)
一般柴油机燃烧时
压力升高率的峰值
往往对应着放热率的峰值
并且压力升高率
并没有随负荷减小而降低
这说明决定压力升高率高低的
是预混合燃烧阶段燃烧的放热速率
不过
在燃烧过分偏离上止点时
这种对应关系不明显
柴油机压力升高率的大小
主要取决于着火落后期内
形成的可燃混合气的多少
而可燃混合气的生成量
受到着火落后期内
燃料喷射量的多少
着火落后期的长短
燃料的蒸发混合速度
空气运动
燃烧室形状和燃料物化特性等
多种因素的影响
图所示是
某一非增压直喷高速柴油机的
最高压力升高率
以及最高燃烧压力
随滞燃期的变化规律
两者均随滞燃期的增长而线性增长
由于在速燃期中参与燃烧的
主要是在着火落后期内形成的
可燃混合气
因此也称这一时期为
“预混合燃烧”阶段
需要注意的是
这种预混合气体是
在极短时间内形成的
实际是一种非均质混合气
与汽油机的均质混合气燃烧
并不完全相同
速燃期中的累计放热率
随负荷不同而异
大负荷时约为20～30%
小负荷时超过60%
由C点到最高燃烧温度
或者是最高燃烧压力的D点
我们称之为缓燃期
在此期间
参与燃烧的是速燃期内
未燃烧的燃料
和后续喷入的燃料
这些燃料边蒸发 边混合
以高温单阶段着火方式参与燃烧
由于此时气缸内温度的急剧升高
蒸发混合速度明显加快
加之后续喷油速率上升
使瞬态放热速率
再次加速
出现柴油机燃烧特有的
“双峰”现象
这一阶段燃烧放热速率的大小
取决于油气相互扩散混合速度
因此也称为扩散燃烧阶段
也就是说
放热率曲线的
第一个峰对应预混合燃烧阶段
第二个峰对应扩散燃烧阶段
但小负荷时由于喷油量少
并在着火落后期内就停止喷油
因此扩散燃烧比例降低
“双峰”现象并不明显
柴油机的最高燃烧压力越高
一般表明燃烧放热速率越高
因此循环热效率越高
但同时也会使机械负荷
燃烧噪声以及氮氧化物排放增高
机械负荷过高时
甚至会由于机械效率降低
油耗反而恶化
自然吸气柴油机的
最高爆发压力一般在50～90bar
增压柴油机的一般在100～150bar
为了获得好的动力性和燃油经济性
一般希望最高爆发压力
出现在上止点后10～15°CA
最高爆发压力的位置
不仅取决于喷油时间的早晚
也取决于着火落后期
和速燃期的长短
缓燃期过长
一般会使燃料远离上止点放热
燃烧等容度下降
放热时间加长
循环热效率下降
因此
缓燃期应越快越好
加快缓燃期燃烧速率的关键
是加快油气混合气形成速率
从缓燃期终点D
到燃料基本燃烧完毕
或累计放热率大于95%的E点
称为后燃期
由于柴油机混合气形成时间短
油气混合极不均匀
总有一些燃料不能及时
形成可燃混合气
以致拖到膨胀过程继续燃烧
特别是在高负荷时
过量空气系数小
后燃现象严重
由于后燃期内的燃烧放热
远离上止点
燃烧等容度降低
热量不能有效利用
并且随活塞下行燃烧室
表面积增大
散热损失增加
循环热效率降低
柴油机燃油经济性下降
因此
应当尽量缩短后燃期
减少后燃期所占的百分比
柴油机燃烧时
总体空气是过量的
只是混合不均匀造成局部缺氧
因此
加强缸内气体运动
可以加速后燃期的
混合气形成和燃烧速度
而且会使炭烟及
不完全燃烧成分加速氧化
降低炭烟和不完全燃烧产物
比如CO排放
关于柴油机燃烧的特点
及其分期我们就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
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-1.4 性能指标分类与循环指示功
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-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
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-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
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-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
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-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
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-3.2 理论循环分类及循环热效率
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-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
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-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
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-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
