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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。
-1-西北工业大学航空发动机燃烧学课程组《航空发动机燃烧学》燃烧效率CONTENTS-2-1 燃烧室主要性能2燃烧效率的定义3燃烧效率分析模型-3-燃烧室主要性能1•燃烧效率高•所有的化学能都转变成热能•排气清洁•不含烟尘、未燃燃料、CO 和NOx •无不稳定燃烧•不稳定燃烧会使燃烧性能恶化•燃烧稳定性好•燃烧室内可燃的汽油比范围宽•容易点火•在地面和高空都很容易点火•压力损失低•压力损失使发动机输出功减少•温度场分布均匀•若温度场不均匀会损害涡轮叶片•可维护性好•单元体设计，强调互换和通用•尺寸总量小•燃烧室尺寸形状与发动机匹配•易于加工、制造成本低•大修周期和总寿命长-5-焓增燃烧效率2.1**3344()a p f pf f b f a f p m c T m c T m LHV q m m c T ξ++-=+根据能量守恒有：ce f m LHVη()LHV mT c mT c m T c m m f f pf f p a p f a ce --+=**3344η燃油理论放热量燃烧室进出口工质的热焓增量现代燃烧室的燃烧效率范围：¤在海平面起飞（SLTO，Sea Level Take Off）和巡航状态下，大于99%；¤在慢车状态下，民机高于99%，军机可稍放宽。
¤在高空再点火后的状态，大于75%。
燃烧效率特性一般是指燃烧效率随燃烧室总空燃比、进口气流速度、温度和压力等变化的规律。
它一般是通过实验测得的。
贫富-9-燃气分析法燃烧效率2.3偏富一边下降变化陡偏贫一边下降变化平缓✓过多的油要吸热蒸发，使头部温度下降，炽燃区后移，部分油珠来不及燃烧；✓供油量过多容易造成较大油珠的数量增加；✓过富油容易产生积炭及冒烟，破坏气流结构；✓过分的富油往往使炽热区脱离回流区而导致熄火✓总的温度较低，较多的冷空气较早地掺入，使得反应速度降低，导致燃烧效率下降；✓过低的供油量使离心式喷嘴供油恶化，易造成火焰熄灭)am )am 烧室截面上的气流速度uma)ma综合现代各型燃烧室的燃烧效率的试验数据，可得现有燃烧室范围的极限：对设计有指导意义)(θηf c =-14-Thank You。
发动机燃烧质量分析发动机的工作原理：下图为一单缸发动机示意图与发动机的燃烧质量有关的一些参数，以及它们对燃烧质量的影响及改进措施一、燃烧速度燃烧速度指单位时间燃挠的混合气量，是衡量发动机性能的指标之一，可以表达为：式中:U—火焰传播速度；TA—火焰前锋面积；Tρ—未燃混合气密度。
T要想使燃挠迅速、及时完成，需要有较高的燃烧速度且合理变化。
燃烧速度的大小主要取决于火焰传播速度、火焰前锋面积及未燃混合气密度。
（一）火焰传播速度U T火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动，混合气成分和混合气初始温度。
气体紊流强度与火焰速度比之间为一直线关系。
紊流强度u指各点速度的均方根值;火馅速度比是紊流火馅传播与层流火焰传播速度之比。
因此，加强燃烧室的紊流，是提高火焰传播速度的主要手段。
采用过量空气系数A t =0.85-0.95时的混合气，可以提高混合气初始温度，有助于加速火焰传播。
“有条不紊的线状运动，彼此不相混掺，为层流流动。
随机运动，每个质点的轨迹都是混乱的，在其前进过程中向横向发生混掺，流动，示出很多涡旋，时而消灭时而发生，是为紊流流动。
”（二）火焰前锋面积A T燃烧室形状与火花塞位置配合情况，对火焰前锋面分布规律有很大影响。
图5-8所示为不同燃烧室火焰前锋面积变化情况。
因此，合理设计燃烧室形状及合理布置火花塞的位置，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，使明显燃烧期相对曲轴转角的位置及压力升高率在合适的范围内。
（三）可燃混合气密度ρT增大未燃混合气的密度，可以提高进气压力和压缩比，从而提高混合气的燃烧速度。
二、混合气成分改变化油器主量孔的大小或改变通过断面可以改变混合气成分。
若使用不当也很容易造成混合气成分改变。
例如，空气滤清器堵塞，化油器空气量孔堵塞，会使混合气过浓。
化油器浮子室油面调整过低，会使混合气体过稀等。
混合气浓度的改变对发动机的动力性、燃油经济性及爆燃倾向有很大影响，因此，分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的。
发动机燃烧质量分析(1)发动机燃烧质量分析发动机的工作原理：下图为一单缸发动机示意图与发动机的燃烧质量有关的一些参数，以及它们对燃烧质量的影响及改进措施一、燃烧速度燃烧速度指单位时间燃挠的混合气量，是衡量发动机性能的指标之一，可以表达为：式中:U—火焰传播速度；TA—火焰前锋面积；Tρ—未燃混合气密度。
T要想使燃挠迅速、及时完成，需要有较高的燃烧速度且合理变化。
燃烧速度的大小主要取决于火焰传播速度、火焰前锋面积及未燃混合气密度。
（一）火焰传播速度U T火焰传播速度取决于燃烧室中气体紊流运动，混合气成分和混合气初始温度。
气体紊流强度与火焰速度比之间为一直线关系。
紊流强度u指各点速度的均方根值;火馅速度比是紊流火馅传播与层流火焰传播速度之比。
因此，加强燃烧室的紊流，是提高火焰传播速度的主要手段。
采用过量空气系数A t =0.85-0.95时的混合气，可以提高混合气初始温度，有助于加速火焰传播。
“有条不紊的线状运动，彼此不相混掺，为层流流动。
随机运动，每个质点的轨迹都是混乱的，在其前进过程中向横向发生混掺，流动，示出很多涡旋，时而消灭时而发生，是为紊流流动。
”（二）火焰前锋面积A T燃烧室形状与火花塞位置配合情况，对火焰前锋面分布规律有很大影响。
图5-8所示为不同燃烧室火焰前锋面积变化情况。
因此，合理设计燃烧室形状及合理布置火花塞的位置，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，使明显燃烧期相对曲轴转角的位置及压力升高率在合适的范围内。
（三）可燃混合气密度ρT增大未燃混合气的密度，可以提高进气压力和压缩比，从而提高混合气的燃烧速度。
二、混合气成分改变化油器主量孔的大小或改变通过断面可以改变混合气成分。
若使用不当也很容易造成混合气成分改变。
例如，空气滤清器堵塞，化油器空气量孔堵塞，会使混合气过浓。
化油器浮子室油面调整过低，会使混合气体过稀等。
混合气浓度的改变对发动机的动力性、燃油经济性及爆燃倾向有很大影响，因此，分析混合气成分对燃烧过程的影响是非常重要的。
燃料能否及时燃烧，取决于火焰传播速度。
影响火焰传播速度的主要因素是混合气成分,火焰传播速度随过量空气系数的变化如图5-9所示。
由图可以看出，当过量空气系数Φat =0.85～0.95,火焰传播速度最大，此时燃烧速度最快，可在短时间内使气缸压力温度达到最大值，散热损失小，作功最多，由于此时供给的燃料量比完全燃烧时所需的燃料稍多，在空气量一定的情况下，提高了对氧的利用程度，使燃烧产物的分子数增多，燃气压力提高。
因此，发动机发出最大功率，称这种混合气为最大功率混合气。
汽车在满负荷工况下工作时，要求汽油机输出最大功率，此时，化油器应供给最大功率混合气。
当过量空气系数Φat <0.85～0.95时，称为过浓混合气。
此时由于火焰传播速度降低，功率减少；且由于缺氧，燃烧不完全，使热效率降低，耗油率增加。
发动机怠速或低负荷运转时，节气门开度小，进入气缸的新鲜混合气量少，残余废气相对较多，可能引起断火现象。
为维持发动机稳定运转，通常供给比大功率混合气更浓的混合气。
一般Φat =0.6左右。
如果发动机中等负荷下也供给过浓混合气，由于火焰传播速度低，燃烧速度减慢，混合气在大容积下燃烧，发动机易过热，排气温度增高。
高温废气中未完全燃烧的成分在排气管口与空气相遇，剧烈氧化，形成排气管放炮现象。
当Φat =0.4～0.5时，由于严重缺氧，火焰不能传播，混合气不能燃烧。
因此，Φat =0.4～0.5的混合气成分称为火馅传播上限。
当过量空气系数Φat =1.05～1.15时，火焰传播速度仍较高，且此时空气相对充足，燃油能完全燃烧，所以热效率最高，有效耗油率最低。
此浓度混合气体称为最经济混合气。
汽车行驶的大多数情况是处于中等负荷工况工作，为减少燃油消耗，化油器应供给最经济混合气成分。
当过量空气系数Φat >1.05～1.15时，称为过稀混合气。
此时火焰传播速度降低很多，燃烧缓慢，使燃烧过程进行到排气行程终了。
补燃增多，使发动机功率下降，油耗增多。
由于燃烧过程的时间延长，在排气行程终了时进气门已开启，含氧过剩的高温废气可以点燃进气管内新气，造成化油器放炮。
当Φ=1.3～1.4时，由于燃烧热值过低，混合气不能传播，造成缺火或停车现at象，此时混合气浓度为火焰传播的下限。
由此可见，为保证发动机燃烧质量，有利的混合气成分一般在Φat=0.85～1.2范围内。
当使用功率混合气时，火焰传播速度最快，从火焰中心形成到火焰传播到末端混合气的火焰传播时间缩短，使爆燃倾向减小，同时缸内压力、温度较高，压力升高率较大，使从火焰中心形成到末端混合气自燃发火的准备时间也缩短，又使爆燃倾向增大，实践证明，后者是影响的主要方面。
因此，在各种混合气成分中，以供给最大功率混合气时最易爆燃。
如汽车满载爬坡时容易爆燃三、点火提前角点火提前角大小对汽油机燃烧性能也有很大影响。
图5-10为气门全开、额定转速下混合气成分不变时，改变点火提前角燃烧示功图的变化由（a）图可见,曲线l的示功图点火提前角为θig1。
相比之下，θig1过大(点火过早),使经过着火落后期后，最高燃烧压力出现在压缩行程的上止点以前。
最高压力及压力升高率过大，活塞上行时消耗的压缩功增加、发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴程度增加。
同时由于混合气体的压力、温度过高，爆燃倾向增加。
在这种情况下，只要适当减小点火提前角，就可以消除爆燃。
曲线2的示功图对应的点火提前角过小于θig2（点火过迟）。
经过着火落后期后，燃烧开始时，活塞已向下止点移动相当距离，使混合气燃烧在较大容积下进行，炽热的燃气与缸壁接触面积大，散热损失增多。
最高压力降低，且膨胀不充分，使排气温度过高，发动机过热，功率下降，耗油量增多。
曲线3的示功图对应的点火提前角θig3比较适当。
因而，压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内。
从（b）图的比较可以看出，示功图1比示功图3多做了一部分压缩功又减少了一部分膨胀功。
示功图2的膨胀线虽然比示功图3的高些，但最高压力点低，只有示功图3的面积最大，完成的循环最多，发动机的动力性、经济性最好。
综上所述，过大过小的点火提前角都不好。
只有选择合适的点火提前角才能得到合适的最高压力及压力升高率，使最高压力出现在上止点后12°～15°曲轴转角内，保证发动机运转平稳、功率大、油耗低。
这种点火提前角称为最佳点火提前角。
使用中，随发动机工况的变化最佳点火提前角相应改变。
因此，必须随使用情况及时调整点火提前角。
现在所使用的真空和离心提前调节装置是有效的调节装置。
四、发动机转速在汽油机一定的油门开度下，随负荷的变化，转速相应变化。
转速增加时，气缸中紊流增强，火焰传播速度加快。
因而，随转速增加，压缩过程所用时间缩短，散热及漏气损失减少，压缩终了工质的温度和压力较高，使以曲轴转角计的着火落后期增长。
为此，汽油机装有离心提前调节装置，使得在转速增加时，自动增大点火提前角，以保证燃烧过程在上止点附近完成。
随转速增加，爆燃倾向减小。
主要是转速的增加加快了火焰传播，使燃烧过程占用的时间缩短，未燃混合气受巳燃部分压缩和热辐射作用减弱，不容易形成自燃点；转速增加，循环充量系数（循环充量是指发动机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体（空气或可燃混合气）的质量。
）下降，残余废气相对增多，终燃混合气温度较低，对未燃部分的自燃起阻碍作用，因此，使用中若低速时发生爆燃，待转速提高后爆燃倾向可自行消失。
五、发动机负荷转速一定时，随负荷减小，进入气缸的新鲜混合气量减少，而残余废气量基本不变，使残余废气所占比例相对增加，残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。
为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角，它靠真空提前点火装置来调节。
图5-12为发动机不同节气门开度时的示功图。
低负荷时，爆燃倾向减小，主要是负荷低时，进气量少，残余废气相对较多，燃烧最高温度和压力下降，阻止自燃产生。
综上所述，发动机在高转速、低负荷时，应增大点火提前角，据统计，如果点火提前角偏离最佳值5°，热效率将下降l%，偏离最佳值10°，热效率将下降5%，偏离最佳值20°，热效率下降16%。
传统的真空和离心提前调节装置只能随负荷和转速两个影响因素的变化对点火提前角作近似控制，不能实现点火提前角随多参数的变化（如压力、温度、湿度、空燃比、燃料辛烷值，残余废气量等）的精确控制。
近年来发展了微处理机控制的点火系统，如无分电器点火系统。
该系统中，点火提前角的设置和随工况变化的自动调整，初级线圈的通断，都是由微处理机控制的。
它可根据点火提前角随工况变化的规律（已事先存人机内）确定每一工况下的最佳点火时刻，实现精确控制。
发动机低转速大负荷时易爆燃。
在进行发动机点火提前角调整时可采用下述步骤，发动机怠速运转状态下，突然将油门开至最大，发动机自由加速，若能听到轻微的爆燃声，则点火提前角调整合适。
随着电子技术的发展，出现了微处理机控制的防爆控制系统。
它可以根据爆燃信号自动调整点火提前角，使爆燃限制在很轻微的限度之内。
使用不同牌号汽油时省去调整点火系、供油系的麻烦，汽油机的压缩比可适当提高，同时使热效率提高。
经验表明，采用爆燃控制系统，除提高汽油机压缩比外，可使节油率达6%以上。
六、冷却水温度发动机冷却水温度应控制在80°～90°范围内。
水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用，冷却水温不同时的示功图如图5-13所示。
冷却水温度过高时，会使燃烧室壁过热，爆燃及表面点火倾向增加。
同时，进入气缸的混合气因温度升高，密度下降，充量减少，使发动机机动性、经济性下降。
所以，在使用维护中，应注意及时清除水道内的水垢，使水流通畅；注意利用百叶窗调整发动机冷却水温度；经常检查水温表、节温器等装置，使其工作正常。
冷却水温度过低时,传给冷却水热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；容易使燃烧中的酸根和水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，使排放污染增大。
因此，使用中应注意控制好冷却水温，水温不能太低。
可以利用温度传感器实现对温度的数据采集，然后把温度信号转变为电压模拟信号,信号通过运算放大器、保持器和A/D转换器将模拟量变为数字量送入单片机进行处理，处理完成后根据情况采用反馈电路对温度进行调节！其硬件电路如图：图1 硬件框图七、燃烧室积炭发动机工作过程中，由于燃烧不完全的燃油和窜入燃烧室的机油及外部其它杂质在氧气和高温作用下，凝聚在燃烧室壁面及活塞顶部，形成积炭，其厚度可达几毫米。
积炭不宜传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身有体积，减小了燃烧室的容积，因而提高了压缩比，相对增加了激冷面积，增加了碳氢化合物的排放量。
