柴油机混合气的形成与燃烧.ppt
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1、第五章第五章 柴油机混合气柴油机混合气 的形成与燃烧的形成与燃烧一、燃烧过程一、燃烧过程1)1)燃烧过程概述燃烧过程概述着火延迟期速燃期缓燃期补燃期燃烧过程燃烧过程人为划分四个阶段:人为划分四个阶段:A-BA-B段为滞燃期段为滞燃期B-CB-C段为速燃期段为速燃期C-DC-D段为缓燃期段为缓燃期D-ED-E段为补燃期段为补燃期1 1、燃烧过程概述、燃烧过程概述 着火延迟期着火延迟期 从从燃燃油油开开始始喷喷入入燃燃烧烧室室内内(A(A点点)至至由由于于开开始始燃燃烧烧而而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升(B(B点点)。特特点点:温温度度越越高高、
2、压压力力越越高高、柴柴油油十十六六烷烷值值越越高高着火延迟期越短。时间一般为:着火延迟期越短。时间一般为:0.00030.00030.00070.0007秒。秒。燃烧过程燃烧过程柴油机低温多级自燃柴油机低温多级自燃 t1 t1 阶段混合阶段阶段混合阶段 在在压压缩缩过过程程终终了了时时,燃燃料料喷喷入入汽汽缸缸内内形形成成可可燃燃混混合合气气。燃燃料料遇遇到到温温度度较较高高的的空空气气,开开始始氧氧化化,但但速速度度缓缓慢慢,示示功功图图上上的的压压缩缩线线没没有有明明显显的的变变化化。混混合合阶阶段段,为为着着火火做准备。做准备。t2 t2 阶段第一级反应阶段第一级反应 燃燃烧烧的的实实质
3、质是是燃燃料料的的氧氧化化反反应应,当当反反应应速速度度很很快快时时,火火焰焰就就会会出出现现。经经过过t1t1时时间间后后,反反应应加加剧剧,出出现现冷冷火火焰焰,缸缸内内压压力力超超过过压压缩缩压压力力。在在这这一一阶阶段段,反反应应生生成成醛醛类类、过过氧氧化化物物和和一一氧氧化化碳碳等等中中间间产产物物。要要求求混混合合气气较较浓浓,=0.40.40.50.5。t3t3阶段第二级反应阶段第二级反应 温温度度、压压力力升升高高较较大大,产产生生许许多多化化学学反反应应的的活活性性中中心,出现蓝火焰。混合气稀得多,心,出现蓝火焰。混合气稀得多,略小于略小于1 1。柴油机低温多级自燃柴油机低
4、温多级自燃t1+t2+t3 t1+t2+t3 时间后第三级反应时间后第三级反应 活活性性中中心心剧剧增增,化化学学反反应应加加速速,热热积积累累剧剧烈烈,发发生爆炸,出现热火焰。混合气更稀,生爆炸,出现热火焰。混合气更稀,1 1。t1+t2+t3 t1+t2+t3 着火延迟期着火延迟期速燃速燃:从压力脱离压缩线开始急剧上升从压力脱离压缩线开始急剧上升(B点点)至达到最大压力至达到最大压力(C点点)。特点特点:速燃期内,在着火延迟期内准备好的混合气几乎速燃期内,在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧,使燃烧室内的压力、温度急剧上升。燃浇室同时开始燃烧,使燃烧室内的压力、温度急剧上升。燃浇室
5、内的最大压力内的最大压力(又称为最大爆发压力又称为最大爆发压力)有可能达到有可能达到13MPa以以上。上。汽油机的爆燃现象就是终端混合气的自燃现象汽油机的爆燃现象就是终端混合气的自燃现象,它与柴它与柴油机的工作粗暴性油机的工作粗暴性,在燃烧本质上是一致的在燃烧本质上是一致的,均是可燃混合均是可燃混合气自燃的结果。但两者发生的部位不一致。气自燃的结果。但两者发生的部位不一致。柴油机工作粗暴发生在速燃期的始点柴油机工作粗暴发生在速燃期的始点.1 1、燃烧过程概述、燃烧过程概述1 1、燃烧过程概述、燃烧过程概述 缓燃期缓燃期:从最大压力点(从最大压力点(c c点)到最高温度点点)到最高温度点D D点
6、)。点)。特特点点:一一般般喷喷射射过过程程在在缓缓燃燃期期都都已已结结束束、随随着着燃燃烧烧过过程程的的进进行行。空空气气逐逐渐渐减减少少而而燃燃烧烧产产物物不不断断增增多多,燃燃烧烧的的进进行行也也渐渐趋趋缓缓慢慢。柴柴油油机机燃燃烧烧室室内内的的最最高高温温度度可可达达2000K2000K左左右右,一一般般在在上上止止点点后后20203535曲曲轴轴转转角角处处出现。出现。由由于于不不可可能能形形成成完完全全均均匀匀的的混混合合气气,所所以以使使柴柴油油机机必必须须在在过过量量空空气气系系数数次次11的的条条件件下下工工作作,保保证证基基本本完完全全燃燃烧烧的的最最小小空空气气过过量量系
7、系数数的的大大小小随随燃燃烧烧室室的的不不同同而而异异,在在分分隔隔室室燃燃烧烧室室中中最最小小可可达达1.21.2左左右右。与与汽汽油油机机相相比比,柴柴油油机机的的空空气气利利用用率率较较低低,这这也也是是其其升升功功率率和和比重量的指标比汽油机差的主要原因。比重量的指标比汽油机差的主要原因。燃烧过程燃烧过程1 1、燃烧过程概述、燃烧过程概述 补补燃燃:从从最最高高温温度度点点(D(D点点)至至燃燃油油基基本本燃燃烧烧完完(E(E点点)。补补燃燃期期内内燃燃油油的的燃燃烧烧可可称称为为后后燃燃,由由于于燃燃烧烧时时间间短短促促,混混合合气气又又不不太太均均匀匀,总总有有少少量量燃燃油油拖拖
8、延延到到膨膨胀胀过过程程中中继继续续燃燃烧烧。特特别别在在高高速速、高高负负荷荷工工况况下下,因因过过量量空空气气系系数数小小,混混合合气气形形成成和和燃燃烧烧的的时时间间更更短短这这种种后后燃燃现现象象就就更更为严重。为严重。2)2)燃烧放热规律燃烧放热规律 瞬瞬时时放放热热速速率率:是是指指在在燃燃烧烧过过程程中中的的某某一一时时刻刻,单单位时间内位时间内(或或11曲轴转角内曲轴转角内)燃烧的燃油所放出的热量燃烧的燃油所放出的热量。累累积积放放热热百百分分比比:是是指指从从燃燃烧烧过过程程开开始始至至某某一一时时刻刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值
9、。瞬瞬时时放放热热速速率率和和累累积积放放热热百百分分比比随随曲曲轴轴转转角角的的变变化化关系,称为关系,称为燃烧放热规律燃烧放热规律燃烧过程燃烧过程、燃烧放热规律、燃烧放热规律燃烧过程燃烧过程燃燃 烧烧 起起 点点燃烧放热规律曲线形状燃烧放热规律曲线形状燃燃 烧烧 持持 续续 时时 间间燃烧放热规律三要素燃烧放热规律三要素、燃烧放热规律、燃烧放热规律一一般般来来说说,较较理理想想的的燃燃烧烧放放热热规规律律要要求求有有一一合合适适的的燃燃烧烧起起点点,同同时时燃燃烧烧应应该该是是先先缓缓后后急急。在在开开始始放放热热阶阶段段,不不希希望望燃燃烧烧放放热热速速率率上上升升得得过过快快,以以降降
10、低低压压力力升升高高率率,使使柴柴油油机机的的工工作作粗粗暴暴得得到到控控制制;然然后后燃燃烧烧应应加加速速进进行行,使使绝绝大大部部分分燃燃油油在在尽尽可可能能靠靠近近上上止止点点处处完完成成燃燃烧烧,以以提提高经济性。燃烧持续时间不宜过长。高经济性。燃烧持续时间不宜过长。3)3)柴油机的有害排放物和噪声振动柴油机的有害排放物和噪声振动(1)(1)有害排放有害排放 柴柴油油机机的的主主要要排排放放物物包包括括:微微粒粒(PMPM)、氮氮氧氧化化合合物物(NO(NOX X)、一一氧氧化化碳碳(CO)(CO)、碳碳氢氢化化合合物物(HC)(HC)。其其中中主主要要的的是氮氧化合物和微粒。是氮氧化
11、合物和微粒。柴油机排气的黑烟、白烟与蓝烟。柴油机排气的黑烟、白烟与蓝烟。燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动柴油机的有害排放物和噪声振动黑黑烟烟:主主要要在在柴柴油油机机大大负负荷荷和和加加速速时时产产生生,主主要要因因为为燃烧室内缺氧,燃烧不充分而产生的。燃烧室内缺氧,燃烧不充分而产生的。白白烟烟与与蓝蓝烟烟是是柴柴油油机机冷冷起起动动后后怠怠速速或或低低负负荷荷下下暖暖机机过过程程中中产产生生,由由于于燃燃烧烧室室内内工工质质温温度度低低,燃燃油油不不能能完完全全蒸蒸发发燃燃烧烧,未未燃燃烧烧或或部部分分氧氧化化的的燃燃油油以以液液态态微微粒粒的的形形式式随随废废气气排排出出,冷
12、冷凝凝形形成成白白烟烟与与蓝蓝烟烟,白白烟烟与与蓝蓝烟烟主主要要区区别别是白烟的微粒直径较大。是白烟的微粒直径较大。(2)(2)柴油机的噪声与振动柴油机的噪声与振动 人人可可听听频频率率范范围围为为20Hz20Hz20000Hz20000Hz,噪噪声声的的频频率率就就在在这这一一范范围围中中。现现代代城城市市中中的的交交通通噪噪声声是是环环境境噪噪声声的的主主要要部部分分,可可高高达达城城市市噪噪声声的的7575左左右右,这这里里又又以以汽汽车车为为主主,汽汽车车的的主主要要噪噪声声源源是是发发动动机机和和轮轮胎胎(尤尤其其在在高高速速行行驶驶时时)。燃烧过程燃烧过程动力噪声动力噪声机械噪声机
13、械噪声燃烧噪声燃烧噪声柴油机噪声柴油机噪声、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动燃烧过程燃烧过程a a、柴油机噪声分类、柴油机噪声分类柴油机振动的危害柴油机振动的危害 发动机的振动会危害到发动机的使用寿命,造成缸套和发动机的振动会危害到发动机的使用寿命,造成缸套和活塞受到冲击,曲轴、凸轮轴断裂,传动齿轮磨损等。活塞受到冲击,曲轴、凸轮轴断裂,传动齿轮磨损等。、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动当当声声波波在在弹弹性性介介质质中中运运动动时时,使使介介质质中中的的压压力力在在稳稳定定压压力力P P附附近近增增加加或或减减小小,这这个个压压力力的的变变
14、化化量量,成成为为声声压压,它它表表示示某某一一声声波波作用在单位面积上的压力大小。单位时(作用在单位面积上的压力大小。单位时(PaPa)。)。声功率声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声压大小,即:是指声源在单位时间内向外辐射的声压大小,即:燃烧过程燃烧过程声声强强是是单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直于于声声波波传传播播方方向向的的单单位位面面积积上上的的能能量,通常用量,通常用I I表示,其单位是瓦表示,其单位是瓦/米米2 2(W/m2W/m2),即:),即:、噪声的度量与分析、噪声的度量与分析(一)声压、声功率和声强(一)声压、声功率和声强、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害
15、排放物和噪声振动式中式中S S声波的作用面积(声波的作用面积(m m2 2)。)。基基准准声声压压所所对对应应的的声声强强为为10101212W/mW/m2 2,称称为为听听阀阀声声强强;痛阀声强声压所对应的声强为痛阀声强声压所对应的声强为1W/m1W/m2 2,称为,称为痛阀声强痛阀声强。(二)声压级、声功率级和声强级(二)声压级、声功率级和声强级声声学学中中普普遍遍使使用用对对数数标标度度来来度度量量声声压压、声声强强、和和声声功功率率等等噪噪声声的的客客观观量量度度,称称为为声声压压级级、声声强强级级和和声声功率级,单位表示为分贝(功率级,单位表示为分贝(dBdB)。)。声压级定义为:声
16、压级定义为:燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动式式中中P P为为待待测测声声压压;P P0 0=210=210-5-5PaPa,即即基基准准声声压压(听听阀阀声声压压)。听听阀阀声声压压级级为为0dB,0dB,而而痛痛阀阀的的声声压压级级为为120dB.120dB.声强级定义为:声强级定义为:燃烧过程燃烧过程式中,式中,I I为待测声强为待测声强;I0=10-12w/m2,;I0=10-12w/m2,即听阀强。听阀的即听阀强。听阀的声级为声级为0 dB0 dB,而痛阀的声强级为,而痛阀的声强级为120dB120dB。声功率级定义为声功率级定义为:、柴油
17、机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动式中,式中,W W为待测声功率为待测声功率;W;W0 0=10=10-12-12W W,是基准值。,是基准值。在在大大多多数数噪噪声声测测量量现现场场,噪噪声声源源往往往往不不止止一一个个,噪噪声声的的声声级级的的合合成成与与分分解解是是经经常常遇遇到到的的问问题题。应应注注意意的的是是,声声级级的的单单位位分分贝贝(dB)(dB)是是对对数数单单位位,因因此此声声级级的的求求和和求求差差不不能能按按一一般般的的自自然然数数直直接接进进行行运运算算,而而应应按按照照叠叠加加的的关关系系进进行行运运算算。计计算算方方法法在在此此不不加加讨讨论
18、。论。(三)响度和响度级(三)响度和响度级实实践践证证明明,人人耳耳对对声声音音的的感感觉觉不不仅仅与与声声压压级级有有关关,而而且且还还与与频频率率有有关关。两两个个声声压压相相等等的的声声音音给给人人耳耳的的感感觉觉有有可可能能不不一一样样。例例如如空空气气压压缩缩机机和和小小轿轿车车的的噪噪声声声声级级都都90dB90dB,但但就就人人耳耳的的感感觉觉而而言言,前前者者的的高高频频噪噪声声要要比比后后者者的的低低频频率率噪噪声声响响的的多多。这这就就说说明明声声音音的的响响亮亮程程度度是是由由声声压压级级和和频频率率两两个个因因素素决决定定的的。响响度度级级就就是是一一个个能能把声压级和
19、频率用一个概念统一起来的量,单位是方把声压级和频率用一个概念统一起来的量,单位是方(phon)(phon)。燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动用用响响度度级级表表示示声声音音的的大大小小,可可以以直直接接推推算算出出声声响响增增加加或或降降低低的的百百分分数数,如如某某声声源源经经声声学学处处理理后后,响响度度级级降降低低1010方方,则则相相当当与与响响度度降降低低50%;50%;响响度度级级降降低低2020方方,相相当当于于响响度度降降低低75%;75%;响响度度级级降降低低3030方方,相相当当于于响响度度降降低低87.5%87.5%等等等等。显
20、显然然,用用响响度度级级表表示示声声音音的的变变化化是是很很直直观观的。的。燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动从从从从图图图图可可可可以以以以看看看看出出出出,人人人人耳耳耳耳最最最最敏敏敏敏感感感感的的的的频频频频率率率率范范范范围围围围是是是是20002000200020005000Hz5000Hz5000Hz5000Hz。频率最低时,声压级最高,也不一定能听到。频率最低时,声压级最高,也不一定能听到。频率最低时,声压级最高,也不一定能听到。频率最低时,声压级最高,也不一定
21、能听到。响度与响度级的关系是:响度与响度级的关系是:响度与响度级的关系是:响度与响度级的关系是:燃烧过程燃烧过程即:响度级为即:响度级为即:响度级为即:响度级为40404040方时,其响度级为方时,其响度级为方时,其响度级为方时,其响度级为1 1 1 1宋。宋。宋。宋。(四)计权声级(四)计权声级声声级级计计是是测测量量声声音音强强弱弱的的仪仪器器,声声级级计计的的“输输入入”是是声声音音的的客客观观存存在在的的物物理理量量度度一一声声压压和和频频率率,而而它它的的“输输出出”不不仅仅要要求求是是对对数数关关系系的的声声压压级级,而而且且应应该该是是符符合合人人耳耳特特性性的的主主观观量量度度
22、一一响响度度级级。然然而而声声压压级级没没有有反反映映出出频频率率的的影影响响,它它具具有有平平直直的的频频率率响响应应。为为使使声声级级计计的的输输出出、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动符符合合人人耳耳的的听听觉觉特特性性,应应通通过过一一套套电电学学的的滤滤波波器器网网络络,对对某某些些频频率率成成分分进进行行衰衰减减,这这种种特特殊殊的的滤滤波波期期叫叫计计权权网网络络。通通过过计计权权网网络络测测得得的的声声压压级级,已已不不在在是是客客观观物物理理量量的的声声压压级级,而而是是经经过过听听感感修修正正的的声声压级,叫做计权声级。压级,叫做计权声级。通通常常,
23、声声级级计计设设有有A,A,B,B,C C三三种种计计权权网网络络,它它能能对对不不同同频频率率的的声声音音信信号号进进行行不不同同程程度度的的衰衰减减。A A计计权权网网络络是是效效仿仿4040方方等等响响曲曲线线而而设设计计,其其特特点点是是对对低低频频和和中中频频声声有有较较大大的的衰衰减减,即即测测量量仪仪器器对对高高频频敏敏感感,对对低低频频不不敏敏感感,这这与与人人耳耳对对声声音音的的感感觉觉比比较较接接近近;B;B计计权权网网络络是是仿仿效效7070方方等等响响曲曲线线,使使被被测测的的声声音音通通过过时时,对对低低频频段段有有一一定定的的衰衰减减;C;C计计权权网网络络是是仿仿
24、效效100100方方等等响响曲曲线线,任任何何频频率率段段都都没没有有衰衰减减,可可用用C C计权网络测得的读数代表总声压级。计权网络测得的读数代表总声压级。燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动c c、噪声控制、噪声控制 (一一)、被动控制、被动控制:消声控制、隔声控制消声控制、隔声控制 (二二)、主动控制、主动控制:降低声源的振动能量降低声源的振动能量一、一、吸声技术吸声技术 1 1、吸声材料的分类和吸声特性、吸声材料的分类和吸声特性 1 1)吸声材料的分类)吸声材料的分类 在在噪噪声声控控制制工工程程设设计计中中,常常用用吸吸声声材材料料和和吸吸声声
25、结结构构来来降降低低室室内内噪噪声声,尤尤其其在在体体积积较较大大,混混响响时时间间较较长长的的室室内内空空间间,应应用用相相当当普普遍遍。吸吸声声材材料料按按其其吸吸声声机机理理来来分分类类,可可以以分分成成多多孔孔性性吸吸声声材材料料及及共共振振吸吸声声结结构构两两大类。大类。燃烧过程燃烧过程、柴油机的有害排放物和噪声振动、柴油机的有害排放物和噪声振动多孔吸声材料多孔吸声材料 多多孔孔性性吸吸声声材材料料的的内内部部有有许许多多微微小小细细孔孔直直通通材材料料表表面面,或或其其内内部部有有许许多多相相互互连连通通的的气气泡泡,具具有有一一定定的的通通气气性性能能。多多孔孔吸吸声声材材料料的
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