第六章 柴油机燃烧过程与燃烧室

第六章柴油机燃烧过程与燃烧室第一节柴油机的混合气形成第二节柴油机的燃烧过程第三节柴油机的排气污染与控制第四节使用、调整因素对柴油机燃烧过程的影响第五节柴油机燃烧室第一节柴油机的混合气形成一、气流运动（一）涡流（二）挤流（三）滚流（四）湍流（五）热力混合二、混合气形成特点：气缸内形成混合气，因柴油不易蒸发；混合气形成时间短；混合气形成不均匀。随时间与空间变化，过量空气系数在0至无穷大之间变化。混合气形成与燃烧紧密相连，扩散燃烧。要求：完全—决定产生热量多少及时—关系到热量利用程度第二节柴油机的燃烧过程一、着火与燃烧过程（一）着火条件：燃料蒸气与空气的比例要在着火界限内；可燃混合气加热到着火温度。第二节柴油机的燃烧过程（二）燃烧阶段的划分滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期Ⅰ、滞燃期喷油开始—压力线偏离压缩线喷油在上止点前—喷油提前角此时，气体温度在450—800℃，远高于该条件下燃油的自燃温度，但不能马上着火。因为：物理准备：燃油的粉碎、分散、蒸发汽化和混合，在局部区域形成可燃混合气。化学准备：混合气先期化学反应直到开始自燃，多级自燃。整体上而言，上述过程重叠在一起进行。滞燃期直接影响第Ⅱ阶段的燃烧，对整个燃烧过程影响很大。第二节柴油机的燃烧过程（二）燃烧阶段的划分滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期Ⅱ、急燃期压力急剧上升的阶段。着火延迟期内准备好的可燃混合气一起燃烧，压力急剧上升，接近等容燃烧。评价参数：平均压力升高率：⊿P/⊿φ=（P3-P2）/（φ3-φ2），不适于大于0.65MPa/ºCA，决定柴油机运转平稳性，过大，工作粗暴，产生燃烧噪声，运动零件受较大冲击负荷，可靠性、寿命下降，但燃烧快，功率上升、比油耗下降。柴油机⊿P/⊿φ比汽油机大，其影响因素主要是着火延迟期内形成的可燃混合气数量。要使⊿P/⊿φ下降，应使上述形成的可燃混合气量减少。第二节柴油机的燃烧过程Ⅲ、缓燃期压力急剧增高的终点到压力急剧下降点。边燃烧，活塞边下行，缸内压力几乎不变或稍有变化，燃烧条件不利，局部高温缺氧（冒黑烟）。解决办法：加快已燃气体与未燃气体的分离及可燃混合气形成速度。Ⅳ、后燃期缓燃期的终点到燃料基本上完全燃烧。终点难确定。放热膨胀比低，散热增加，指示热效率下降，排气温度增高，故应尽量缩短。根据燃料和空气混合气形成的特点，柴油机燃烧过程又可以分成以下两个阶段，预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段。第二节柴油机的燃烧过程（三）滞燃期滞燃期是燃烧过程的一个重要参数。长产生工作粗暴，短则对混合气形成不利。影响因素主要是压缩压力和温度，喷油提前角、转速以及燃料性质对着火延迟期也有较大影响。（1）压缩温度和压力增加，着火滞燃期下降。压缩比、点火提前角、增压通过压缩温度与压力对着火滞燃期产生影响。压缩比增加，压缩压力及温度增加，着火滞燃期下降。喷油提前，压缩压力温度下降，着火滞燃期增加。喷油迟后，初始温度和压力增加，但作用时间短，可能着火前，活塞已经开始下行，使空气压力和温度降低，着火滞燃期增加。增压，进气充量的密度增加，压缩终了的压力温度增加，一般着火滞燃期下降。（2）燃料：十六烷值增加，滞燃期下降。（3）发动机转速：通过压缩温度与压力、喷油压力、以及空气运动等因素对滞燃期产生影响。转速增加，漏气与散热损失下降，压缩压力、温度增加；喷油压力增加，雾化质量提高，着火准备过程加快；燃烧室内的扰动增加，燃料蒸发快。滞燃期下降。如以曲轴转角计，φ=6nt，视滞燃期下降的程度，φ可能随滞燃期下降而下降或增加。此外还有空气运动、喷油压力、燃烧室壁温等因素对滞燃期也产生影响。第二节柴油机的燃烧过程二、放热规律根据热力学第一定律：QB=Q+QW=⊿U+W+QW式中：QB—燃料燃烧放热Q—工质吸收的热量QW—传给工质的热量⊿U—工质内能的变化W—工质对活塞所作的机械功第二节柴油机的燃烧过程二、放热规律QB、Q、QW均随曲轴转角变化，上式对φ微分，得：dQB/dφ=dQ/dφ+dQW/dφ=d(mu)/dφ+pdV/dφ+dQW/dφ式中：m—工质质量u—工质比内能p—气缸中气体压力V—气缸容积其中：dQB/dφ：燃料燃烧的瞬时放热率dQB/dφ—φ：燃烧规律、放热规律或放热率曲线dQ/dφ：对工质的瞬时加热率（加热率）dQ/dφ—φ：加热规律dQW/dφ：工质对燃烧室壁面的传热速率（传热率）dQW/dφ—φ：传热规律第二节柴油机的燃烧过程有一张实测的示功图，加上气态方程，根据上式，可以计算燃烧放热率。其计算精度影响因素有：1、压力测量精度2、上止点位置精度3、压缩比测量精度4、燃油流量测量精度、空气流量测量精度5、示功图曲线光顺方法当发动机结构参数确定以后，气缸压力特性主要由燃烧规律决定，从而，燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、燃油消耗率、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。开始放热的时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程的三个基本要素。对性能的影响主要表现在循环热效率和最高燃烧压力两个方面。第二节柴油机的燃烧过程三、燃烧噪声燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如果压力升高比过大，则产生强烈的震音，称为柴油机工作粗暴。降低燃烧噪声的根本措施是适当降低压力升高比，而压力升高比取决于滞燃期和在滞燃期内形成的可燃混合气数量，降低燃烧噪声的主要途径有下述三个：1、缩短滞燃期：选用十六烷值高的燃料。2、减少滞燃期内的喷油量：减小喷油速率，预喷射。3、减少滞燃期内形成的可燃混合气数量：油膜混合气方式。第二节柴油机的燃烧过程共轨系统多次喷射构成及作用第二节柴油机的燃烧过程引导喷射（预喷3）：引导喷射相对于主喷射提前角度很大，由于已经进行了充分的预混合，所以没有产生黑烟。此外，因为气缸内温度上升，主燃烧期的着火延迟期缩短，预混合燃烧减少，噪声降低。引导喷射越提前，PM和燃烧噪声就越低，但同时HC和BSFC会显著增加。预喷射（预喷1、2）：在主喷射之前进行的预喷射，缩短了主喷射的着火延迟期。同时能有效地减缓燃烧速率，燃烧温度和压力上升减缓，降低了NOx、HC和燃烧噪声。但是，由于预混期的缩短，预喷射会导致PM增加。因此，可以通过使预喷射段靠近主喷射段的办法，严格选择喷射时间间隔来降低PM排放。后喷射（后喷2）：后喷射是紧靠在主喷射之后进行的喷射，可使扩散燃烧更快地进行。因此，即使少量的喷油，对完成氧化过程和降低主喷射中产生的PM效果非常显著，但会伴随着NOx的略微增加。次后喷射（后喷1）：次后喷射是在离开主喷射相当的时间间隔之后进行的喷射，由于排气温升和还原成分的供给，可使催化剂的活性增加。但是如果此后喷射的时间过迟，则可能导致燃油附着到气缸壁上。第二节柴油机的燃烧过程怠速敲缸：冷起动、怠速时，润滑油温度低，摩擦损失大，无负荷时，循环喷油量也较大，压力升高率较大，产生强烈的震音。柴油机工作粗暴与汽油机爆震的异同点：相同点：燃烧本质一致，混合气自燃。不同点：发生时间与缸内状态不同。柴油机工作粗暴发生在急燃期始点，压力升高比大，压力均匀；汽油机爆燃发生在急燃期的终点，缸内有压力波冲击。对汽油机优良的燃料，对柴油机是最差的燃料。第二节柴油机的燃烧过程四、柴油机冷起动性能1、困难压缩始点温度下降、气缸壁传热增大以及转速低，漏气增加使压缩始点温度与压力下降。低温时，燃料粘度大，起动转速低，燃料的蒸发和雾化均恶化，影响混合气形成。润滑油粘度增加，蓄电池电压下降。2、起动条件：压缩温度足够高必须形成易于着火的混合气。3、提高冷起动性能的措施第三节柴油机的排气污染与控制一、一氧化碳：燃烧过程中生成的重要中间产物。燃用稀混合气，排放比汽油机低，仅在负荷很大接近冒烟界限时，局部缺氧区域增加，才急剧增加。二、未燃碳氢化合物1.生成与排放渠道：柴油机排放的未燃HC完全由燃烧过程产生。2.机理排放较低，壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。①未燃的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区。②喷油器的压力室容积。③冷起动时油膜形成的HC。第三节柴油机的排气污染与控制自燃之前燃烧室壁上及燃烧以后吸附在壁面上不能完全燃烧的燃油排出，HC浓度较高，表现为白烟。白烟与兰烟：产生条件：冷起动后怠速或低负荷下暖机过程中，特别在寒冷天气时。产生原因：燃烧室工作温度低，温度低着火不好，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃烧或部分氧化的燃料一般以液态微粒的形式随废气排出后，冷凝形成白烟与兰烟。兰烟与白烟间无严格的成份差别，只是由于微粒直径不同，对光线的反射不同产生不同的颜色。白烟微粒直径比兰烟直径大，由1微米以上颗粒构成；兰烟由小于0.4微米颗粒构成。一般白烟在柴油机暖机过程中逐渐变为兰烟，再变为无色烟。第三节柴油机的排气污染与控制三、NOX化学机理：捷尔多维奇原理。生成物主要是，依赖温度，氧浓度，高湿停留时间。①最高温度与预混合燃烧比例对NOX排放影响较大。②推迟点火，最高温度下降，对NOX下降非常有效。但比油耗与碳烟增加。③EGR对NOX排放下降也非常有效。四、微粒组成：燃烧时生成的含碳粒子（碳烟）及其表面上吸附的多种有机物组成，后者称为有机可溶成份。碳烟生成条件：高温缺氧。随过量空气系数降低而增加。第三节柴油机的排气污染与控制黑烟：危害：①燃烧不完全，经济性下降②污染环境，影响视线，致癌③引起活塞卡住，气门咬死。产生工况：一般在大负荷产生，汽车加速、爬坡、超载，此时，过量空气系数小，着火延迟期短。降低措施：改善混合气形成①增大过量空气系数，改进进气系统，降低喷油量②组织空气运动③改善喷雾质量和油束在燃烧室中分布④排气净化第三节柴油机的排气污染与控制五、降低措施重点是NOx和微粒（一）增压（二）低排放燃油喷射系统（三）气流组织与多气门技术（四）低排放燃烧室（五）EGR六、后处理氧化催化转换器富氧NOx催化器：柴油机加氨。柴油机排气微粒捕集器。第四节使用、调整因素对柴油机燃烧过程的影响一、负荷负荷增加，循环供油量增加，过量空气系统下降，缸内温度增加，滞燃期下降，工作粗暴下降中小负荷，指示热效率变化不大；随着循供油量增加，过量空气系数下降，燃烧持续时间增大，指示热效率下降第四节使用、调整因素对柴油机燃烧过程的影响二、转速转速增加—散热、漏气下降—压缩终点压力、温度增加喷油压力增加—雾化性改善—滞燃期下降—φ可能下降也可能增加转速再增加较大时—燃烧占曲轴转角增加—指示热效率下降充量系数下降转速下降较多时—空气运动减弱；喷油压力降低。混合气质量下降—指示热效率下降第四节使用、调整因素对柴油机燃烧过程的影响三、供油提前角影响喷油过程，从而影响性能供油提前角调整特性：发动机转速和油量调节机构位置不变，燃油消耗率与功率等随供油提前角的变化关系。提前角增加较大时—喷油时缸内压力与温度下降—滞燃期增加，着火后活塞仍在上行—缸内最高压力及压力升高率增加，工作粗暴，NOx增加（燃烧温度增加），燃烧负功增加—动力性经济性下降提前角迟后较多时—燃烧不及时—动力性经济性下降，微粒增加，排温上升，散热增加最佳供油提前角—动力性经济性最佳，随转速和负荷而变化。第四节使用、调整因素对柴油机燃烧过程的影响四、燃料十六烷值增加—自燃性增加—滞燃期下降—缸内最高压力及压力升高率下降—NOx及噪声下降。五、废气再循环废气增加，燃烧过程温度下降—NOx下降。但过量空气系数下降—对及时、完善燃烧不利—碳烟增加、经济性下降（尤其在高速高负荷）。第五节柴油机燃烧室分类：直喷式：浅盆型，不组织进气涡流或利用弱进气涡流；深坑型，一般组织进气涡流。分隔式燃烧室：涡流室预燃室一、浅盆型由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一体。第五节柴油机燃烧室一、浅盆型（一）特点：混合气形成主要靠燃油的喷散雾化，对喷雾质量要求高，用多孔喷嘴，喷孔直径较小，针阀开启压力高，对喷油系统要求高。为增加油束与空气接触，充分利用燃烧室的空气，除采用多孔喷嘴外，还要求油束与燃烧室形状相配合，燃料尽可能喷到整个燃烧室。燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展促使燃油与空气混合。燃烧室基本上是一个空间