柴油发动机的燃烧解读
项目四柴油机混合气形成与燃烧 学习目标： 掌握柴油机两种混合气的形成方式及特点，掌握直接喷射式和分隔式两大类柴油机燃烧室的结构及性能特点；了解柴油机供油系统的组成和喷射过程，掌握柴油机的燃烧过程及影响因素，掌握电控柴油喷身系统的组成、分类、电子控制功能，并在学习过程中随时注意对柴油机和汽油机进行比较。 任务一柴油机混合气形成 与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压缩自燃式点火。 任务二柴油机的燃烧过程
柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。 （一）着火延迟期 从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。 着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。 物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合。 化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。 特点：压力没有偏离压缩线。
影响着火延迟期长短的主要因素是： 喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。 柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。 燃烧室的形状和壁温等。 喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。 （二）速燃期 速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力. 特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）
一般用压力升高率λp〔kPa／(o)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。 式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）; △θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAo）。 特点： （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（6~9MPa）。 （3）继续喷油。 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿 命； 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。 压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5 MPa／(o)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。 控制压力升高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量
第4章练习题 一、解释术语 1、不规则燃烧 2、点火提前角 3、空燃比 二、选择题 1．提高汽油机的压缩比，要相应提高所使用汽油的（） A、热值 B、点火能量 C、辛烷值 D、馏程 2．汽油机的燃烧过程是（） A、温度传播过程 B、压力传播过程 C、热量传播过程 D、火焰传播过程 3、汽油机混合气形成过程中，燃料（）、燃料蒸汽与空气之间的扩散同步进行。 A、喷射 B、雾化 C、蒸发 D、混合 4、下面列出的（）属于汽油机的燃烧特点。 A、空气过量 B、有时缺氧 C、扩散燃烧 D、混合气不均匀 5、汽油机爆震燃烧的根本原因是远端混合气（） A、自燃 B、被火花塞点燃 C、火焰传播不到 D、被压缩 6、汽油机的火焰速度是（） A、燃烧速度 B、火焰锋面移动速度 C、扩散速度 D、气流运动速度 7、提高压缩比使汽油机的爆震倾向加大，为此，可采取（）的措施。 A、减小喷油提前角 B、减小点火提前角 C、加大喷油提前角 D、加大点火提前角 三、填空题 1、根据汽油机燃烧过程中气缸压力变化的特点，可以将汽油机燃烧过程分为、和三个阶段。 2、汽油机混合气的形成方式可以分为和两种。 3、压缩比是发动机热效率的重要因素。但高压缩比会给汽油机增加的趋 势。
4、对液态燃料，其混合气形成过程包括两个基本阶段： 和。 5、燃油的雾化是指燃油喷入_________________后被粉碎分散为细小液滴的过程。 6、发动机转速增加时，应该相应地____________点火提前角。 7、在汽油机上调节负荷是通过改变节气门开度来调节进入气缸_______________的多 少。 四、简答题 1、P—φ图上画出汽油机正常燃烧，爆震燃烧和早燃的示功图，并简要说明它们的区别？ 2. 用示功图说明汽油机点火提前角过大、过小，对燃烧过程和发动机性能的影响。 3. 汽油机燃烧室组织适当的紊流运动的作用有哪些？
低温燃烧(LTC) 一、低温燃烧（LTC）的优势： 1.减少污染物（主要为NOx、碳烟）排放。如下图，LTC的燃烧温度较低，且 过量空气系数较高，可以达到既减少NOx又减少碳烟的目的。 2.燃烧较平稳，最高燃烧温度降低，对NOx排放起到抑制作用。 二、实现低温燃烧的方法： 实现低温燃烧主要靠控制EGR和喷油提前角实现。两者结合使用，能够使燃烧更加平稳，避免缸内温度升高率过大；且能够提供较长时间进行油气混合，减少碳烟生成。在一定的控制范围内，并不会引起THC和CO的大幅增加。对减少排放有很好的效果。另外由于燃烧平稳，发动机的最高爆发压力和压力循环波动也降低，发动机的振动和噪声得到减小。 2.实验及实验结论 实验在一台福特彪马四缸共轨柴油机上进行。实验装置如下图。The balance three cylinders are operated in the conventional combustion mode to motor the research cylinder with a non-motoring eddy current dynamometer used for speed control and power dissipation. The research cylinder has independent intake and exhaust systems equipped with surge tanks. The details of the instrumentation of the single cylinder and its separation from the rest of the engine have been reported previously.（实验装置设置不太懂。） 实验结果： 1.在EGR率一定的情况下（进气氧含量17%），CA50的变化对发动机的影响。下图表示发动机主要排放物的变化： 蓝色点表示喷油持续时间不变；而橙色方块表示为弥补发动机功率下降而延长喷油时间。可以看出在上止点前燃烧开始，NOx和碳烟增加，THC和CO无太大变化。随着点火提前，碳烟降低，NOx上升，这是因为：1.点火越提前，则燃烧前缸内温度越低，油气混合时间加长，是碳烟下降；2.点火提前，则燃烧时放热速率加快，导致NOx急剧增加。THC和CO没有很大变化，表明这种燃烧方式可以使燃烧完全。 在上止点后燃烧开始，NOx和碳烟均下降；在适当的范围内，THC和CO 没有很大变化，但燃烧过于延迟，会导致二者急剧增加。这一方式有几个优点：1.燃烧在膨胀冲程中进行，放热平缓，燃烧延长，使得NOx排放下降；2.在膨胀
第六章柴油机的着火过程 第一节燃烧化学反应动力学的基础理论 一．分子运动和碰撞柴油机的着火过程是复杂的物理化学过程，化学过程是激烈的热——链化学反应，要进行化学反应，必须经过它们分子之间的相互碰撞，并且符合碰撞要求才可实现。燃烧化学反应中分子运动和碰撞的基本理论归纳如下： A.参加化学反应的物质，分子必须相互碰撞。 B.分子的碰撞是杂乱无章的。 C.合适的方向上碰撞才有可能起化学作用。 D.运动能量超过最低能量。 E.最低能量称为活化能。 F.温度越高，化学反应速度越大。 G.压力与密度越大，碰撞频率越高，反应速度加快。 二．活化络合物理论 活化络合物理论（过渡态理论）的基本内容是：进行化学反应时候，分子不仅需要相互撞击，还需要适当能量，在适当的方位上撞击，以便获得形成一个不稳定，过度的，瞬态活化络合物。活化能E就是把初态反应物提高到络合物所需能量。反应关系表达为：反应物——活化络合物——终产物 三.键能及其在化学反应中的作用。 物质内部相邻原子间或离子间产生的相互结合或相互作用的称为化学键。可分为离子键，共价键，和金属键等几种类型。正负离子通过静电引力形成的化学键为离子键。物质内部相邻原子或者原子团通过共用电子对形成的称为共价键。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成金属键。 物质起化学变化时，需要从外界吸收能量，达到破坏原子间或者离子间所必须吸收的能量，这种能量称为键能。 第二节着火前燃料的物理——化学过程（焰前反应）一。着火的分类和含义 按照火源性质，分为压缩自然和外源点火。按化学反应性质分为热式着火，链式着火，和热—链式着火。链式着火通过支链反应而自身积累活性中心并积聚能量。按着火阶段分，有高温单阶段着火和中低温多阶段着火。多阶段着火指历经冷焰，蓝焰到热焰的几个阶段着火。 二．着火前的物理过程 必须先将反应物质（空气和烃类）能互相充分气相混合，并相互撞击，同时，需要一定的初始能量。这就需要有进气过程，喷射过程，喷注的破碎和雾化过程，以至形成可燃混合气，并达到足够温度和压力的过程。这些都是着火前的物理准备过程。 三.着火前的化学准备工作 （1）着火的温度条件 外源供热，获得热—链反应所必需的能源，是反应物具有足够的活化能以克服烃分子化学键断裂的阻抗。 （2）着火的压力条件 压力影响本质上是空气密度，分子运动自由程度大小和碰撞频率对着火的影响。 （3）着火的浓度条件 混合气浓度对着火的影响也是决定性的。可燃混合气的着火只能在一定的浓度范围内进行，超出极限范围，不管温度和压力多高，也难于着火。
柴油机燃烧室 柴油机在进气过程中进入燃烧室的是纯空气，在压缩过程接近终了时柴油才被喷入，经一定准备后即自行着火燃烧。由于柴油机的混合气形成的时间比汽油机短促的多，而且柴油的蒸发性和流动性都较汽油差，使得柴油在燃烧前难以彻底雾化蒸发并与空气混合，因而柴油机所形成的可燃混合气的品质较汽油机差。因此，柴油机采用较大的过量空气系数，使吸入燃烧室的柴油能够燃烧的比较完全。 雾化混合 利用燃油与空气的相对运动形成混合气。雾化质量越高，混合气形成越快，混合越均匀。空间雾化形成的混合气，包括完全气相和极其细小油滴。 空间雾化混合 雾化→蒸发→扩散混合油膜蒸发混合 利用燃烧室壁面高温使其表面的燃油油膜蒸发形成混合气。燃烧室壁温越高，混合气形成越快。油膜蒸发形成的混合气是完全气相的。 油膜蒸发混合 蒸发→扩散混合 因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。 直喷式燃烧室柴油机的性能特点： 球形燃烧室的缺点： （1）冷起动比较困难。因为空间雾化燃料少，起动时燃烧室壁温低，壁面蒸发混合少。（2）加速性能较差，空气涡流跟不上，容易冒黑烟； （3）低负荷时冒蓝烟，HC排放增加； （4）高、低速性能差别大； （5）增压适应性差，循环供油量大油膜变厚，影响混合气形成速率。（6）在大缸径上应用困难。当缸径增大时，每循环供油量增多，而燃烧室的相对表面积减小，使油膜变厚，影响混合气形成速率。 涡流室燃烧室主要特点(1) 混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈压缩涡流；对喷雾质量要求不高，采用轴针式喷油嘴，喷油压力低，降低对燃油系统的要求，减少喷孔堵塞。 (2) 混合气形成质量对转速变化不敏感；由于压缩涡流随转速升高而加强，在高转速时仍能保证较好的混合质量，另外进气门直径大，高转速仍可获得较高的充气效率。
柴油机燃烧过程的仿真分析 北京理工大学机械与车辆工程学院 计算机应用与仿真中心 Au. Tiger （运用Fire进行燃烧过程分析时，对于与燃烧有关的参数的设置，这里的分析将有一定的指导意义。这里所描述的，既可以说是参数对燃烧过程的影响，也可以说是运用Fire进行燃烧过程分析的指南。） 基本操作 Fire自带的网格划分工具可以划分质量很高的六面体网格，但是数量巨大；如果和Hypermesh结合可以达到较好的效果，详细过程参见仿真论坛中关于FIRE的讨论版。 由于本人对Fire本身建模、划网格的功能不十分熟练，因此大多在ProE或IDEAS中建模、在IDEAS中划网格，然后导出.unv格式的网格供Fire使用。网格的局部细化等在Fire 中使用Mesh Tools中的Refine工具完成。ICEM-CFD划分网格的功能也很强大，比I-DEAS 显得稍微快一些，而且适合划分复杂结构的六面体网格，结束后可以导出Nastran格式的网格供Fire使用。 个人认为，较好的网格标准是：尽量是六面体单元（一个六面体单元最少可以分成五个四面体单元，一般是分成六个四面体单元，也就是说采用六面体单元能够显著降低计算规模，从而减少计算机时）；单个六面体单元的长宽高之间的比例越接近1愈好，不要超过10；单个六面体单元的棱与棱之间的夹角越接近90度越好，夹角不要低于15度，也就是说正方体是最好的六面体单元；单个四面体单元中最好的正四面体，实际要求就是面容比越小越好；对于整个模型，要求相邻的单元之间大小（长宽高）不能相差太大，一样大小最好，必要时要均匀过度。 Check中的distance工具可用于获取节点坐标、测量节点之间的距离。Fire中的默 Geo 认单位为国际单位。 模型导入Fire中后，需要作适当的处理，原因是：流体计算是很费计算机时的运算，因此网格数量越小越能够很快得到结果，尤其是初期的趋势分析中（后期的精确计算需要较密集的网格保证精度）；模型中可能存在疏密不一致的情况——相邻两层网格的大小相差很大；模型中网格大小可能不适合所模拟的情况，例如含喷油的计算中网格大小大约是喷孔大小的4到6倍为佳，因此需要调整网格大小；……导入的网格最好是在划分网格的工具中就检查好没有坏单元的，如果有最好处理掉再导入。导入后，首先就是利用Fame工具中的Mesh Tools下的refine工具细化或粗化网格，我以为Redimension是最好用的，它可以很方便地改变网格的层数。其中有个Compression Factor，是指后选的那层网格是先选的那层网格高度的多少倍，可以是任何正数。 任何网格变动后，都要记得用Mesh Tools下的Connect中的Conform connect连接一下，方法是在主窗口点选修改过的模型，然后点击Calculate default自动计算最小间距，不选Selection based方式，然后点击Conform即可。这一步是必须的，否则计算中会因网格问题出错。如果模型已有Selection，只要与之相关的网格没有任何变动，就还会保持原状。 如果使用distance工具测量节点距离、或者使用Redimension工具选择单元时，偶尔发现无论点击哪里都选择的是同一个节点或同一个单元，原因可能是因为没有选中模型。 网格修改完后，就可以在模型的边界面上建立Face类型的Selection了——用于施加边界条件。如果要作动网格，还需要建立Cell类型的Selection。动网格的实质就是，有一块
?直喷式柴油机的燃烧室有很多种形状，目前常用的有球型、U型、四角型、花瓣型、W型和哑铃型。 ?W型燃烧室是通过切向进气道或螺旋进气道造成进气涡流，在压缩行程中使大部分有涡流的空气进入燃烧室内增强涡流，促进混合气的形成和燃烧。这种燃烧室又可分为浅W型、深W型和缩口W型三类。 ?浅W型,优点是结构简单、易于制造、热损失小、经济性好，缺点是工作噪声大，对车速的适应性差，加速时烟度很大，NOx排放较差，所以一般用于农用柴油机和船用柴油机。 ?深W型,更加注重利用空气涡流运动，这样可以增强燃烧室内涡流强度，促进油气的混合，在一定程度上改善了性能和排放。另外，它的结构简单、易于制造、动力性好。但是仍然存在着噪声大、烟度高的缺点。 ?缩口型,缩口的作用是相对无缩口型增强了绕气缸中心线旋转的进气涡流和压缩涡流，在燃烧室内形成了沿z轴竖直平面内的挤压涡流(上止点前)和逆挤压涡流(上止点后)，加快了油气的混合，亦加快了燃烧速度它的缺点是结构工艺性差，缩口处的热负荷大，容易产生烧蚀和热裂。 ?对于W型燃烧室，主要的结构参数有：燃烧室口径比、径深比、是否缩口及凹坑位置，中央凸台高度等。 1、口径比D/DB：燃烧室吼口直径与汽缸直径之比。该值要取得合适，太大太小都不好， 要与油束射程配合。 2、径深比（D/H）：燃烧室吼口直径与燃烧室深度值之比。 3、缩口率d/D：燃烧室最大腔径直径d与吼口直径D之比 4、面容比A/V：燃烧室表面积A与燃烧室容积V之比， 5、相对容积比V/VC:燃烧室容积与压缩容积之比。 浅盆型W型燃烧室缸内并不组织涡流，混合气形成主要依靠燃油的喷散雾化，对喷雾要求高，为此采用多嘴喷孔，一般为6—12个，喷孔直径很小（最小达0.12mm），针阀开启压力高（20-40MPa），喷孔小容易堵塞。要求油束与燃烧室形状相配合，燃油要尽可能分布到整个燃烧空间，避免油束直接接触缸壁。（D/DB为0.72-0.88，D/H为5-7，V/VC 为0.60-0.68） 深坑型燃烧室，燃烧室内存在涡流运动，与浅盆型燃烧室相比，其在活塞顶上的凹
1.柴油机特点：（1）优点：经济性好，功率范围广，尺寸小重量轻，机动性好，可靠性高， 寿命长，维修方便。（2）缺点：存在机身振动、轴系扭转振动和噪声，某些部件的工作条件恶劣，承受高温高压并具有冲击性负荷。 2.发展趋势：（1）提高经济性（2）电子控制技术（3）降低排放（4）提高可靠性。 3.柴油机：使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料，采用内部混合法形成可燃混合气 体，靠缸内空气压缩形成高温自行发火。 4.柴油机的类型：（1）四冲程和二冲程（2）增压和非增压（3）低速、中速和高速（4） 筒形活塞和十字头式（5）直列式和V型（6）右旋和左旋（7）可逆转和不可逆转。5.理论与实际循环的差异：（1）工质的影响：理论循环工质为理想气体，实际循环工质是 空气和燃烧产物，使实际循环热效率和做功能力下降。（2）气缸壁的传热损失。（3）燃烧损失：后燃和不完全燃烧。（4）漏泄损失：活塞环处的漏泄。（5）其他损失。 6.气阀重叠角意义：（1）依靠废气的流动惯性，利用新鲜空气将燃烧室内的废气扫出气缸， 实现燃烧室扫气，提高换气质量。（2）利用进气冷却燃烧室有关部件。 7.直流扫气特点：（1）换气质量好。（2）结构复杂，维修较困难。 8.上下止点：活塞在气缸中运动的最上下端的位置，也是活塞离曲轴中心线最远近的位置。 9.气缸工作容积Vs：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。 10.平均指示压力：假定一个数值不变的压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所作的功与 一个工作循环的指示功Wi相等，这个假象的压力就称为平均指示压力。也就是一个工作循环中单位气缸工作容积的指示功。 11.柴油机的基本组成：（1）主要固定件：机架、机座、气缸和气缸盖。（2）主要运动件： 活塞、连杆组件、曲轴。（3）配气机构及换气系统。（4）燃油系统。（5）润滑系统。（6）冷却系统。（7）起动和控制系统。 12.机械负荷：（1）定义：柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。 （2）特点：周期交变，具有冲击性。（3）安装预紧力引起的负荷与气体力引起的机械应力均与最高爆发压力成正比。 13.热负荷：（1）热应力：由温差作用形成的应力。（2）热疲劳：燃烧室部件在交变的热应 力下出现的破坏现象。 14.活塞的作用：（1）保证密封的情况下完成压缩和膨胀过程。（2）将气体力经连杆传递给 曲轴。（3）在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。（4）在二冲程柴油机中活塞还启闭气口，控制换气。 15.压缩环：（1）作用：防止气缸中气体漏泄，保证活塞与气缸之间相对运动条件下的密封， 并将活塞上的部分热量传给气缸。（2）搭口形式：直搭口、斜搭口和重叠搭口。 16.活塞的冷却方式：自由喷射冷却、循环冷却、振荡冷却、喷射—振荡式冷却。 17.冷却液的输送方式：（1）筒形活塞：在曲轴连杆中钻孔。（2）十字头式活塞：需要专门 的机构，分为套管式和铰链式。 18.气缸盖的作用：（1）与气缸套、活塞共同组成燃烧室。（2）上面安装各种阀件。（3）在 设置进排气阀的气缸盖上还要布置进排气道和气阀摇臂机构。 19.气缸盖的类型及特点：（1）单体式：气缸盖和气缸套接合面处密封性好，制造、运输、 拆装检修均较方便，但汽缸的中心距加大，增加了柴油机的长度和重量。（2）整体式：中心距小，结构紧凑，柴油机的刚度提高重量减轻，但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便。（3）分组式：特点介于上述两者之间。 20.连杆：（1）作用：将作用在活塞上的气体力和惯性力传给曲轴，把活塞或十字头与曲轴 连接起来，将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。（2）工作条件：运动复杂，受力复杂，连杆小、大端轴承还与活塞销或十字头销、曲柄销产生摩擦和磨损。（3）破坏形式：
目录 摘要................................................................................................. 错误！未定义书签。Abstract.......................................................................................... 错误！未定义书签。 1 前言............................................................................................. 错误！未定义书签。 1.1 研究背景.................................................................................. 错误！未定义书签。 1.2国内外研究现状及发展趋势................................................... 错误！未定义书签。......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 国内研究现状....................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 本文研究的主要内容.............................................................. 错误！未定义书签。 2 柴油机燃烧系统......................................................................... 错误！未定义书签。 2.1 燃烧系统的功用...................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 燃烧系统的组成...................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.1 燃油喷射系统....................................................................... 错误！未定义书签。......................................................................................................... 错误！未定义书签。 2.3 燃烧系统的要求...................................................................... 错误！未定义书签。 3 燃烧室设计................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1 燃烧室的作用.......................................................................... 错误！未定义书签。 3.2 燃烧室的分类.......................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 ω型燃烧室参数化设计.......................................................... 错误！未定义书签。 3.4 燃烧室参数化造型.................................................................. 错误！未定义书签。 3.5 燃烧室实体建模...................................................................... 错误！未定义书签。 3.6 燃烧室网格划分...................................................................... 错误！未定义书签。 3.6 数学模型及方程式.................................................................. 错误！未定义书签。 3.6.1 喷雾模型............................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.2 燃烧模型............................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.3 NO x排放模型错误！未定义书签。 3.6.4 Soot的生成机理及数学模型 ............................................... 错误！未定义书签。 4 数值模拟计算结果分析............................................................. 错误！未定义书签。
柴油机燃烧室的特点? 柴油机是用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。 柴油在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后燃油以雾状喷入高温空气中，与空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。 法国出生的德裔工程师狄塞尔，在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显地提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业。二十世纪初，开始用于船舶，1905年制成第一台船用二冲程柴油机。 1922年，德国的博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射。二十世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。到了50年代，一些结构性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油机发展起来，从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分。 柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、机车柴油机等。 柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。 在燃用原油和渣油时，除须滤除杂质和水分外，还要对供油系统进行预热保温，降低粘度，以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性，可加入添加剂提高十六烷值，或与柴油混合使用。一些气体燃料，如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机的燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机。 柴油发动机的燃烧过程一般分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。 着火延迟期是指从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数，对燃烧放热过程的特性有直接影响。 在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧的，所以放热速度很高，压力升高也特别快。 缓燃期阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。因此，加强燃烧室内的空气扰动和加速空气与燃料的混合，对保证燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。 柴油机的混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完，而拖到膨胀行程的后期放出的热量不能得到充分利用，因此应尽量避免燃料在后燃期燃烧。 燃烧室的优劣对柴油机的性能有决定性的作用，因此是柴油机设计的关键。燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类。前两类属于直接喷
柴油机复习重点 1.什么是柴油机 P1 将一种能量转变为机械能的机器称为发动机，按照转变能量的不同，发动机可以分为热力发动机、电力发动机、水力发动机、风力发动机和原子能发动机。燃料在发动机内部燃烧的热力发动机叫做内燃机。 柴油机即是一种以柴油为燃料，并在发动机内部燃烧的活塞式热力发动机。 2.压缩比 P3 气缸总容积与燃烧室容积的比值称为压缩比，用符号ε表示，即 c h c h c c a V V V V V V V +=+==1ε 压缩比表示了活塞从下止点移动到上止点时，气体在气缸内被压缩的程度。压缩比越大，表示气体在气缸内受压缩的程度越高，压缩终点气体的压力和温度就越高。柴油机压缩比一般为11~16. 3.多缸柴油机曲柄排列与发火顺序 P9 假设四冲程多缸柴油机有i 个气缸，则各做功冲程的间隔角度应为 i ?=720ξ（发火间隔角） ①四冲程偶数缸（两缸除外）柴油机发火顺序，不仅与曲柄排列有关，而且与配气相位有关，曲柄图出现重叠现象；②四冲程奇数缸无曲柄重叠现象，曲柄排列确定后，发火顺序仅一种。 5.活塞材料 P20 制造活塞的材料主要有三类：铝合金、铸铁（球墨铸铁）和耐热钢 要求：（1）有足够的刚度和强度（2）有足够的耐热性导热性（3）重量要轻（4）有良好的减磨性 6.活塞顶部 P22 活塞顶面的形状与选用的燃烧室形式有关。柴油机活塞的顶面一般有各种各样的凹坑，凹坑的形状是根据柴油机燃烧室的特点、混合气的形成方式、喷油器和气门的位置等要求而设计的。 通常活塞顶部设计成随半径的加大而增厚，使顶面吸入热量中的大部分能够较容易的传到各活塞环，并由它们传导给气缸壁，由流过气缸外壁的冷却介质带走。一些强化程度高、热负荷高的柴油机活塞，在顶部有冷却油道或冷却油腔，使通过连杆杆身油道来的压力机油强制进入活塞内部循环，从而带走一部分进入活塞内的热量。这种活塞叫做油冷活塞。机车柴油机是热负荷较高的柴油机，其活塞一般都采用机油冷却。 7.柴油机的型号编制规则 P18 2,5 ? =120?1,6 3,4 ω 四冲程6缸柴油机曲柄图 发火次序： ①1—5—3—6—2—4—1√ ②1—2—3—6—5—4—1 ③1—5—4—6—2—3—1 ④1—2—4—6—5—3—1 发火间隔角：?ξ =?=120 可见曲柄数：2 3i q ==
柴油机新型燃烧方式 在能源和环境的双重压力下，柴油机低温燃烧(low temperature combustion，LTC)策略成为国内外的研究焦点。该技术能够在保持低排放的同时显著拓宽发动机的负荷范围，是满足现在和将来日益严格的排放法规的核心技术。控制缸内温度是实现LTC 的关键所在。 近年来国内外在柴油机低温燃烧方面的研究成果主要有两类：①基于EGR 技术和喷油策略，如采用中高EGR 率和燃油晚喷策略的“MK”燃烧，“HCLI”燃烧和“HPLI”燃烧；采用燃油早喷策略的“smokeless”系统。它们通过采用EGR 来降低缸内温度，抑制碳烟生成，从而使混合气在较浓的条件下实现低碳烟排放。 ②基于可变气门定时和升程。通过改变气门参数(相位、升程)来改变发动机的有效压缩比，从而有效控制缸内温度和压力的变化历程。国外传统的低温燃烧采用大EGR率(EGR>60%)和高涡流比(?≥5 )的方法，在得到较好的NOx和碳烟排放折中的同时，尚存在一些问题。首先，采用大的EGR 率，需要使用更多的冷却能量，从而减少有用功的输出；其次，使用大的EGR率会使CO、UHC排放大幅增加，热效率降低；第三，大EGR 率使得发动机运行工况的范围受到限制，其适用范围仅限于中低负荷；第四，高的涡流比会造成发动机制造工艺上的困难．笔者在之前的研究中提出的MULINBUMP 复合燃烧技术将燃油多脉冲喷射形成的预混燃烧与BUMP 燃烧室内主喷射形成的稀扩散燃烧相结合，在中低负荷范围内实现了高效清洁燃烧。但随着负荷的增加，拓宽发动机运行范围亦受到限制。课题组在前期研究的基础上，提出了高密度-低温燃烧策略，实验研究表明，这种策略具有在高负荷和满负荷工况下实现高效低排放燃烧的潜力。本文主要针对高密度-低温燃烧机理，采用数值模拟的手段对高密度-低温燃烧中的影响因素(氧浓度，充量密度)进行研究，重点分析了充量密度的多重作用。 高密度-低温燃烧的热力学分析 内燃机燃烧过程中主要有害排放产物的生成都需要满足特定的混合气浓度和燃烧温度范围。只要合理控制缸内的混合气体积分数( ? )和燃烧温度(T)，避开NO x和碳烟形成区，就有可能实现超低排放。燃烧过程的控制可通过控制燃烧路径的斜率实现。定义为当量比的变化(混合率的变化)与温度变化的比值。根据热力学第一定律，可得 式中：Q HR是一个短小时间间隔内的放热量；?U、?W、Q wall 分别是相应时间间隔内缸内工质所吸收的内能、对外作功和壁面传热量。可以看到，提高充
柴油机是用柴油作燃料地内燃机.柴油机属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔地名字被称为狄塞尔引擎. 柴油在工作时，吸入柴油机气缸内地空气，因活塞地运动而受到较高程度地压缩，达到～℃地高温.然后燃油以雾状喷入高温空气中，与空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧.燃烧中释放地能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转地机械功. 法国出生地德裔工程师狄塞尔，在年研制成功可供实用地四冲程柴油机.由于它明显地提高了热效率而引起人们地重视.起初，柴油机用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业.二十世纪初，开始用于船舶，年制成第一台船用二冲程柴油机. 年，德国地博施发明机械喷射装置，逐渐替代了空气喷射.二十世纪年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车.到了年代，一些结构性能更加完善地新型系列化、通用化地柴油机发展起来，从此柴油机进入了专业化大量生产阶段.特别是在采用了废气涡轮增压技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要地部分. 柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧室地型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、机车柴油机等. 柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油.柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入地燃油呈雾状，与空气混合燃烧.因此柴油机可用挥发性较差地重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等. 在燃用原油和渣油时，除须滤除杂质和水分外，还要对供油系统进行预热保温，降低粘度，以便输送和喷射.柴油机如采用某种合适地燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料.为了改善轻质燃料地着火性，可加入添加剂提高十六烷值，或与柴油混合使用.一些气体燃料，如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机地燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机. 柴油发动机地燃烧过程一般分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段. 着火延迟期是指从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理地和化学地准备过程.它是燃烧过程地一个重要参数，对燃烧放热过程地特性有直接影响. 在着火延迟期内喷入燃烧室地燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧地，所以放热速度很高，压力升高也特别快. 缓燃期阶段中燃料地燃烧取决于混合地速度.因此，加强燃烧室内地空气扰动和加速空气与燃料地混合，对保证燃料在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用. 柴油机地混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完，而拖到膨胀行程地后期放出地热量不能得到充分利用，因此应尽量避免燃料在后燃期燃烧. 燃烧室地优劣对柴油机地性能有决定性地作用，因此是柴油机设计地关键.燃烧室按组织燃烧过程地特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类.前两类属于直接喷射式燃烧室；后两类属于分隔式燃烧室. 低速柴油机和部分中、高速柴油机主要用无涡流地开式燃烧室.燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成，具有一定形状地整体空间.多孔喷油器(～孔)能使燃油雾化良好，并均匀分布在燃烧室空间.因此，开式燃烧室中地燃烧属于典型地空间式燃烧过程，要求燃烧室与油束形状和分布相配合.它地优点是燃料消耗率低，起动容易；缺点是燃料雾化要求高，难于适应变转速工作. 小型高速柴油机大多采用有涡流地半开式燃烧室.这种燃烧室又分为多种类型，主要有油膜式燃烧室和复合式燃烧室等.
项目四柴油机混合气形成与燃烧 学习目标： 掌握柴油机两种混合气的形成方式及特点，掌握直接喷射式和分隔式两大类柴油机燃烧室的结构及性能特点；了解柴油机供油系统的组成和喷射过程，掌握柴油机的燃烧过程及影响因素，掌握电控柴油喷身系统的组成、分类、电子控制功能，并在学习过程中随时注意对柴油机和汽油机进行比较。 任务一柴油机混合气形成 与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压缩自燃式点火。 任务二柴油机的燃烧过程
柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。 （一）着火延迟期 从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。 着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。 物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合。 化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。 特点：压力没有偏离压缩线。
影响着火延迟期长短的主要因素是： 喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。 柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。 燃烧室的形状和壁温等。 喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。 （二）速燃期 速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力. 特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）
一般用压力升高率λp〔kPa／(o)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。 式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）; △θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAo）。 特点： （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 （2）达到最高压力（6~9MPa）。 （3）继续喷油。 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿 命； 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。 压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5 MPa／(o)曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。 控制压力升高率的措施： 减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量
内燃机特性曲线 1. 额试述汽油机外特性的意义和制取的条件。 2. 试额分析外特性曲线上功率曲线主要与哪些因素有关？分析其历程的变化。 3. 额指明汽车发动机的工作范围，它与固定式发动机、船用发动机的工况有何区别？ 4. 额何谓标定功率？说明汽车发动机用15分钟功率作为标定功率的依据。 5. 额为什么轮式拖拉机的标定功率与履带拖拉机的标定功率也可不同？ 6. 额功率储备与转矩储备各有何意义？ 7. 额柴油机的全负荷速度特性的曲线历程与汽油机有何不同？为什么？ 8. 额何谓调速特性？调速率？在什么条件下制取？ 9. 额比较汽油机、柴油机负荷特性的异同点。 10. 额从使用角度如何从负荷特性分析汽车柴油机省油的理由？ 11. 额为什么汽油机节流时经济性变坏？说明当其怠速时比油耗最大的原因。 12. 额发动机的功率、油耗为什么要修正？如何修正？ 13. 额何谓内燃机的万有特性？如何制取与整理？试说明汽车发动机合适的特性曲线形状。 14. 额试比较柴油机负荷特性曲线上 a) 循环供油量g b b) 过量空气系数a φ c) 指示效率ηi t d) 机械效率ηm e) 排气烟度R B 15. 试比较汽油机负荷特性曲线上 A 、 B 两点，下列参数的大小并说明为什么？ a) 充气效率c φ b) 过量空气系数a φ c) 指示效率ηi t d) 机械效率ηm e) 点火提前角θ 16. 试比较汽油机总功率特性曲线上A 、B 两点，下列参数的大小并说明为什么？ a) 充气效率c φ b) 机械效率ηm c) 过量空气系数a φ d) 点火提前角θ e) 平均有效压力p me 17. 额恩恩额额额额额额 额额额 额额 在柴油机调速特性上，试比较A a) 循环供油量g b b) 过量空气系数a φ be be
影响柴油机燃烧过程的主要因素 1 概述 燃料在发动机气缸中的燃烧过程，就是燃料与空气中的氧发生剧烈氧化并产生大量热的过程。为了使燃料能够充分燃烧，必须要有足够的空气。理论上，1 kg柴油完全燃烧需要空气14.3kg，故对柴油机而言，空燃比为14.3的可燃混合气可称为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.3，则意味着其中柴油含量有余，空气含量不足，可称为浓混合气。同理，空燃比大于14.3的可燃混合气则可称为稀混合气。对于不同的燃料，其理论空燃比的数值是不同的。通用的可燃混合气成分指标是过量空气系数，无论使用何种燃料，凡过量空气系数α=1的可燃混合气即为理论混合气；α<1的为浓混合气；α>1的则为稀混合气。 柴油机的过量空气系数比汽油机大，这是因为柴油机混合气是在气缸内部形成的，混合气形成的过程较汽油机短，柴油机中的柴油微粒还来不及与空气均匀地混合就开始燃烧。所以柴油机的过量空气系数要大些，以便有充足的空气保证柴油燃烧较完全。一般柴油机α=1.3～1.7，汽油机α=0.85～1.15。 一般柴油机的燃烧过程，也包括混合气的形成过程，这是因为在燃烧室内，混合气的形成过程与燃烧过程是交织在一起的，无法将这两个过程截然分开。柴油机的燃烧过程为：当压缩冲程接近终了时(一般在上止点静10°～30°)，柴油开始喷入气缸，从喷油开始到喷油结束，有一段延续时间(约为15°～35°)，每个油粒都依次经过喷射雾化，受热蒸发，与空气混合，以致最后氧化燃烧，但是每个油粒所经历的这些过程，并不是同时进行的。因此，燃烧室内的情况是相当复杂的。2影响燃烧过程的主要因素 影响燃烧过程的因素很多，这里我们仅对喷油时间、柴油机温度和压缩比、柴油机负载、转速、喷油质量及供油规律进行分析，了解它们对燃烧过程的影响，以便正确使用、维修柴油机。2.1 喷油时间