柴油机的混合气形成与燃烧过程

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柴油机燃烧过程混合气形成排放控制

柴油机的混合气形成与燃烧

从喷油雾化到燃烧放热,串起决定动力、能耗与排放的关键链路

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柴油机燃烧过程混合气形成排放控制

柴油机的混合气形成与燃烧

从喷油雾化到燃烧放热,串起决定动力、能耗与排放的关键链路

1第 1 页 · 柴油机的混合气形成与燃烧

柴油机燃烧的特殊性

上一节我们讲了柴油机怎么把油喷进缸里、跟空气混起来。但混合方式一旦不同,燃烧本身就被决定了——这就要回到汽油机和柴油机最本质的区别:谁先谁后。

汽油机:先混合后燃烧
燃料与空气先混合成均匀气体,再由火花塞点燃,火焰向未燃区传播
柴油机:边混合边燃烧
柴油喷入高温高压空气后局部瞬间自燃,混合过程和燃烧过程高度重叠
混合方式决定点火方式
均匀混合气靠火花塞点火;非均匀混合气靠压缩高温自燃,无需火花塞
厨房明火炒菜对应 →汽油机与柴油机

汽油机=油水搅匀再点火;柴油机=锅烧红才倒油,油遇热锅瞬燃

2第 2 页 · 柴油机燃烧的特殊性

燃烧过程的四个阶段

柴油燃烧不是"喷进去就着",而是沿曲轴转角依次推进的四个阶段,每段脾气不同。

1
着火延迟期
喷油开始到首枚火核出现,燃油雾化、混合、升温,但还没烧
2
速燃期
延迟期积攒的油气瞬间着火,缸压急剧上升,柴油机敲缸的根源
3
缓燃期
边喷边烧,火焰稳定推进,释放大部分热量,主导热效率
4
补燃期
活塞下行仍有燃油在烧,热量来不及做功就被排出,是效率损失
3第 3 页 · 燃烧过程的四个阶段

燃烧放热规律

横轴是曲轴转角 φ,纵轴是放热率 dQ/dφ。从喷油到放热终止的五个关键节点,对应四种燃烧贡献。

图解渲染中…
a1高压油泵开始供油,但尚未着火a3预混气急燃,dQ/dφ 瞬时达到最大a4扩散燃烧主导,放热率明显下降a5后燃拖尾结束,对热效率有影响
4第 4 页 · 燃烧放热规律

着火延迟期的影响因素

燃料十六烷值、压缩温度、喷雾质量如何共同决定滞燃期

着火延迟期的影响因素
燃料十六烷值、压缩温度、喷雾质量如何共同决定滞燃期
5第 5 页 · 着火延迟期的影响因素

燃油喷射系统概述

上一节我们梳理了影响着火延迟期的几大因素——油滴细度、油气混合、缸内温度。其中最底层、最硬件的一条,是燃油能否在极短时间内被充分雾化。这就要靠一整套精密的高压喷射系统来保证。

高压油泵
将低压燃油提升至 100~200 MPa,是整套系统的「压力源头」
共轨管
高压蓄能器:稳定压力并按需向各缸分配燃油,破解「脉动供油」难题
喷油器
ECU 电磁阀精确控制开闭,将高压油雾化为细小油滴、定时定量喷入气缸
三者串联
油箱→输油泵→高压泵→共轨→喷油器→燃烧室,缺一不可的串联链路
高层消防喷淋系统对应 →共轨燃油喷射系统

加压泵造高压→主管道稳压→末端喷头雾化,对应高压泵→共轨→喷油器

6第 6 页 · 燃油喷射系统概述

电控共轨系统结构

蓄压器(轨)+电控喷油器+ECU的闭环控制架构

电控共轨系统结构
蓄压器(轨)+电控喷油器+ECU的闭环控制架构
7第 7 页 · 电控共轨系统结构

喷油过程的四个阶段

燃油从喷入气缸到形成可燃混合气,依次经历四个连续的物理阶段。

1
喷射
共轨压力顶开针阀,燃油克服背压喷入气缸
2
雾化
油束被高速空气撕成细小油滴,增大总表面积
3
碰壁
部分油滴撞到活塞凹坑或燃烧室壁
4
蒸发
油滴吸热汽化,与空气形成可燃混合气
8第 8 页 · 喷油过程的四个阶段

喷油规律与参数控制

上一页我们看到喷油过程分四个阶段,但要让它真的跑得稳、烧得净,必须同时盯住三个参数——压力、正时、喷油量。它们像三根旋钮,拧一个其余两个都会被牵连。

喷油压力
轨压越高雾化越细、穿透越深;现代共轨约2000bar,传统泵管嘴约600bar
喷油正时
相对活塞上止点衡量;过早敲缸噪声大,过晚后燃严重、排温升、功率下降
喷油量
由轨压、喷孔面积、持续时间共同决定;现代电控可分预喷、主喷、后喷多段
协同目标
ECU据转速负荷实时查MAP取最优组合,受功率、油耗、排放、噪声四重约束
高压花洒浇花对应 →柴油机喷油三参数

水压对应雾化、开关对应正时、时长对应喷油量;想喷得匀,三旋钮得一起拧

q=μA2ΔPρtq = \mu \cdot A \cdot \sqrt{\frac{2\Delta P}{\rho}} \cdot t
9第 9 页 · 喷油规律与参数控制

气流运动的类型

上一节讲到燃油是怎样喷入气缸的,但油雾要和空气混合才能烧。空气自己可不是乖乖待着,它有三种运动方式,正好配合喷雾形成混合气。

进气涡流
由进气道(尤其螺旋气道)引导,进气时形成的整体有组织旋转
挤压涡流
活塞顶凹坑在压缩末把空气挤向中心,回弹时卷出的小尺度有序涡
湍流
喷雾冲击、气流剪切和燃烧共同激发的无序小尺度紊动,最贴近油雾
厨房搅汤的三种力道对应 →三种气流运动

整锅顺搅=进气涡流;推汤回流=挤压涡流;急冲乱花=湍流

10第 10 页 · 气流运动的类型

气流运动的作用机制

从气流出发,看它如何沿两条路径分别促成雾化与混合,最终汇成良好可燃混合气。

图解渲染中…
c3油滴越细总表面积越大,蒸发越快d2各处油气浓度差消失即混合均匀
11第 11 页 · 气流运动的作用机制

气流运动与燃烧室匹配

不同燃烧室对气流强度的要求差异

气流运动与燃烧室匹配
不同燃烧室对气流强度的要求差异
12第 12 页 · 气流运动与燃烧室匹配

燃烧室的分类

统一式燃烧室(直接喷射)与分隔式燃烧室(涡流室、预燃室)

燃烧室的分类
统一式燃烧室(直接喷射)与分隔式燃烧室(涡流室、预燃室)
13第 13 页 · 燃烧室的分类

统一式 vs 分隔式燃烧室

直接喷还是分两步混?两条路线决定了整机噪声、油耗、排放的根本走向。

统一式燃烧室
  • 单一气室,燃油直喷主燃室
  • 靠高压喷雾与缸内气流配合
  • 经济性好,油耗低,热效率高
  • 噪声大,排放差,对喷雾要求高
分隔式燃烧室
  • 主+副双室,经通道连通
  • 副室先部分燃烧,再喷入主室
  • 噪声低,排放友好,起动容易
  • 油耗偏高,热损失大,结构复杂
重卡、工程机械追求经济性选统一式;轿车、轻型车求平顺与排放则选分隔式。
14第 14 页 · 统一式 vs 分隔式燃烧室

统一式燃烧室的混合气形成

统一式燃烧室靠空间雾化和油膜蒸发两种方式,分时序形成混合气。

1
高压喷射雾化
燃油经喷油嘴高压喷出,破碎成细小油雾颗粒
2
空间雾化混合
油雾在燃烧室空间飞行扩散,与高温空气快速混合
3
油膜形成
部分油滴撞到燃烧室壁面,沉积形成薄油膜
4
油膜蒸发混合
油膜受壁面高温缓慢蒸发,逐步补充可燃混合气
5
混合气形成
空间混合与油膜蒸发共同作用,形成着火所需混合气
15第 15 页 · 统一式燃烧室的混合气形成

分隔式燃烧室的混合气形成

分隔式燃烧室分两阶段接力:副室点火准备,主室完成放热。

1
压缩气流入副室
活塞上行,主室空气冲入副室,通道几何引导形成强烈有序涡流
2
涡流中油气混合
燃油射入涡流中心,高速气流快速雾化油束并均匀混合
3
副室初期燃烧
高温压燃,油气富集区先着火,但副室空气少,燃烧不完全
4
火焰喷束入主室
副室压力骤升,高温燃气经通道高速喷入主室,扰动空气形成湍流
5
主室补燃完成
喷束携带的活性基与未燃燃油在主室新鲜空气中继续燃烧,集中放热
16第 16 页 · 分隔式燃烧室的混合气形成

典型燃烧室结构图解

按结构把燃烧室分两大类:统一式直喷和分隔式;下面三种具体子型是工程上最常见的。

图解渲染中…
n4ω形:活塞顶凹坑截面像字母ω,挤流强n5球形:活塞顶凹坑呈球面,空间混合均匀n6涡流室:主室上方有球形副室,经通道连通
17第 17 页 · 典型燃烧室结构图解

粗暴燃烧的机理

上一页我们看到滞燃期受温度、压力、燃油性质等因素影响。当滞燃期过长时会发生什么?答案就是「粗暴燃烧」——一种让柴油机听起来像在敲鼓的异常现象。

滞燃期过长
燃油持续喷入,缸内不断积聚尚未着火的混合气
同步急燃
着火瞬间所有积聚燃料几乎同时燃烧,集中释放化学能
压力冲击
压力升高率 dP/dφ 急剧攀升,缸内产生强烈压力波
粗暴燃烧后果
敲缸噪声、振动加剧、热负荷与机械负荷骤增
红灯过久后放行车流对应 →柴油机粗暴燃烧

积压车流=积聚燃油,同时起步=同步急燃,冲击感=压力波

dPdφ(压力升高率,bar/°CA\dfrac{dP}{d\varphi}(压力升高率,bar/°CA)
18第 18 页 · 粗暴燃烧的机理

燃烧噪声的来源

上一页说到了粗暴燃烧'为什么会响',这一页要回答'响到什么程度、怎么量化'——工程上需要一把尺子来衡量噪声大小。

压力升高率 dp/dφ
衡量单位曲轴转角内压力上升的速度,是噪声的核心量化指标
粗暴度阈值
一般认为 dp/dφ_max 超过 0.4 MPa/°CA 即为粗暴燃烧
急燃期贡献最大
预混阶段累积燃油瞬时燃烧,是压力峰值的源头
整车主观感受
dp/dφ 越大,驾驶员听到的'敲缸声'越明显
气球突然放气对应 →柴油机粗暴燃烧

压力骤升突然释放——慢慢放气无声,猛一松手砰的一声

(dpdφ)max0.4 MPa/°CA\left(\frac{dp}{d\varphi}\right)_{\max} \leq 0.4 \text{ MPa/°CA}
19第 19 页 · 燃烧噪声的来源

粗暴燃烧的控制策略

优化喷油正时、降低滞燃期、改善喷雾质量的措施

粗暴燃烧的控制策略
优化喷油正时、降低滞燃期、改善喷雾质量的措施
20第 20 页 · 粗暴燃烧的控制策略

核心概念自测

点击作答

柴油机出现粗暴燃烧时,最关键的机理解释是哪一项?

21第 21 页 · 核心概念自测

课后思考

先独立写下判断与理由,再对照参考答案检查思路。

1为什么着火延迟期会同时影响压力升高率、燃烧噪声与热效率?

参考答案延迟期越长,预混燃油积累越多;集中放热会提高压力升高率和噪声,而错失最佳放热时机会增加损失。影响并非单调,喷油、气流与延迟期需要匹配。

2只提高共轨压力而不改喷孔、气流和喷射时刻,为什么不能简单认为混合与燃烧一定更好?

参考答案更高压力通常使油束更细、雾化和混合更快;但喷射动量与放热速率也可能增大。若油束碰壁、局部过浓或燃烧过快,可能付出烟度、排放和噪声代价。

3面向更高热效率的统一式燃烧室,为什么不能只追加强涡流或多段喷射,还要匹配喷孔和室型?

参考答案增强气流和分段喷射会改变喷雾分布、混合速率与放热时序;若喷孔和室型不匹配,可能出现油束偏移、撞壁及贫富分区,反而推高烟度、油耗或排放。

22第 22 页 · 课后思考