柴油机的燃烧

第六章1、喷射油束的形态与燃烧2、柴油机的着火延迟3、柴油机的敲缸及其控制4、柴油机的排气污染与控制5、柴油机冷起动6、柴油机燃烧系统的发展喷射油束的形态与燃烧1.1、无涡流时喷射油束的形态1.2、无涡流喷射油束的燃烧1.3、有进气涡流时喷射油束形态与燃烧H.藤本和土师藤元等人试验用的高压模型燃烧室1.1、无涡流时喷射油束的形态1、在室温高压室中喷射的油束形态主流区：位于油束中心部分，流动速度大，粒度大，单位体积燃料油滴的粒数多，动量也大，形成密度高的主流部分。混流区：燃料油滴速度小，粒度亦小，单位体积油滴的粒数也小，构成雾状稍疏的混合流域，位于主流区的周围部分。初始部分Ls：在喷孔附近形成明显的圆锥形部分的油束长度。混合部分Le：是从初始部分下端到油束边界成湍流状态部分的长度．穿透部分Ｌp：油束保持圆锥部分长度，即Lp=Ls+Le.稀释部分Ｌd:位于油束顶端，油滴稀疏，并可见到燃料油滴滞留状态，又可称为滞留部分．贯穿距离Ｌ：油束顶端到达最远的距离，又称穿透长度．用示踪烟迹法测量油束周围空气的流动速度us得知：喷射油束把周围空气吸入穿透部分．油束的稀释部分将其周围空气挤开，两者的流动方向是一致，但是由于油束稀释部分的成长速度大于其周围空气被挤开的速度，结果是油束稀释部分也吸进空气．空气流动速度与容器内介质的压力有关，压力升高，流速减小．２、在高温高压室中喷射的油束2.1与室温高压室中的喷射油束比较：在高温（400---960K)高压室中进行喷射油束试验，所得油束形状与在室温高压室中的形状不同．其差异是油束侧边外廓有所缩小．初始温度越高，油束明晰度就越低．当初始温度超过750Ｋ时,就很难区分油束与它周围的介质.在混流区内油滴的速度比主流区的低,单位容积内油滴的数量比主流区的少.由于湍流扩散及燃油与周围介质的热交换,油滴与介质进行混合,因此,促进了燃油的蒸发和同介质的混合.另一方面,主油束区的油滴速度较快,单位容积内油滴的数目也比较多,但是该区的空气没有混流区那样多.因此,主油束区能够伸延到接近油束的顶端.高温高压介质中油束的贯穿距离图6-3表示了高温高压介质中初始压力P0=6.28兆帕与初始温度T0=530-800K的情况下油束的贯穿距离.油束的贯穿距离与时间的关系,同室温高压介质中喷射油束的情况一样,仍近似成正比关系.但随介质温度升高,贯穿距离缩短.油束初始部分长度Ls，在喷射期间不论初始压力与温度如何，都近似于常数，并可得下列关系式Ls=10毫米。该式表明，介质状态对初始部分长度的影响比喷油系统的影响小。在扩散燃烧情况下，混合部分出现的火焰沿着混流区向油束顶部方向发展，并达到顶部。虽然火焰也向喷油嘴方向发展，但是在喷射期间，火焰决不可能进入初始部分。在高压与高温介质中，穿透部分的长度Lp和油束的贯穿距离Ｌ之间的关系与从高压室温介质中得到的关系式相同，用下式表示：Ｌp＝0.6L。随着初始温度的提高油束喷雾角θ测量就愈困难，因为在混流区内的燃油蒸发使油束边界不清楚。所以在高温高压介质中试验时将油束喷雾角规定为在油束照片中能清晰可见的油束外缘之间的夹角，亦称为可见喷雾角。初始压力越高，油束喷雾角显越大。这种趋势同在高压室温介质情况下是类似的。初始温度对油束喷雾角的影响很小。土师藤元等人在喷射油束燃烧研究中采用的定容燃烧室1.2、无涡流喷射油束的燃烧1、放热率与火焰特性图6—5是根据在定容燃烧室中燃烧试验时，由测得的压力—时间图计算求得的预混合燃烧与扩散燃烧的典型放热串dQ／dt图。从图中可见,当初始温度及初始压力较低时，喷射油束的燃烧主要是预混合燃烧；当初始温度及压力都比较高时，则喷射油束的燃烧还有明显的扩散燃烧阶段。在预混合燃烧中，放热率图只有一个波峰值。随着介质初始压力升高，首次可见火焰出现的早，着火延迟期短，燃烧后期变为扩散燃烧，波峰降低，波峰后的放热率增高，放热率图的形状渐趋缓和。随着初始压力进一步的提高，放热率图出现第二个波峰。1.2、无涡流喷射油束的燃烧在放热率图上第二个波峰期间，油束主流区中的燃油以扩散火焰的方式燃烧，因此把它叫做“扩散火焰燃烧期”。出现第二个波峰的时间与喷油终止的时间几乎一致，火焰的亮度与范围也达到最大位。在柴油机中扩散火焰燃烧期与黑烟生成密切相关。在介质初始压力低的情况下，着火较迟，燃油与其周围介质之间的湍流扩散与混合更强烈，所以在预混火焰燃烧期间放热率的最大值更高。若增大初始压力，则扩放火焰燃烧期间的放热率最大值增高，这是因为着火早、主燃烧受扩散火焰燃烧控制。2、影响放热率图与火焰特性的因素氧气浓度影响喷油量影响喷孔数影响氧气浓度影响图6—6示出了氧气浓度对放热率的影响。氧气浓度Φ在0.7l—1.0范围内变化。介质的初始压力近似等于2.55兆帕，初始温度为768K。氧气浓度为0.71时，几乎全是预混燃烧，当氧气浓度大于0.81时，则有明显的扩散燃烧部分。这是因为氧气浓度越低，着火延迟期越长，燃油与其周围空气之间的扩散与混合就越充分，而成为预混燃烧；与此相反，则成为扩散燃烧。氧气浓度影响若初始压力不变，氧气浓度越小，第一次可见火焰出现前所累积的放热总量就越大，冷焰与蓝焰就会更强烈，则预混火焰燃烧期间放热率的最大值就增大。若氧气浓度大子0.81，则在预混火焰燃烧期之后，放热率图出现一个平坦区域。在Φ＝1.0情况下，即在空气中，放热率图出现明显的扩散火焰燃烧期.喷油量影响喷油量对放热率的影响，如图6—7所示。喷油量在0.5—1.73克范国内变化，介质的初始温度为736K，初始压力为2.55兆帕。喷油量影响喷油量虽然不同，但在预混火焰燃烧期间，所有放热率图的形状几乎是类似的，放热率的最大值与其出现的时间，也几乎是相同的。这是由于相互之间的喷油量虽然不同，但是每一个从喷油开始至喷油结束之前的喷射过程几乎是相同的。因此，在出现第一次可见火焰前，燃油与其周围空气之间的扩散与混合情况基本上是类似的。故在预混火焰燃烧期间，平均空燃比对放热率图没有什么影响。喷油量对扩散火焰燃烧期是有影响的。在喷油量为0.5克时，发光延迟期为4.8毫秒，接近于喷油终止，在出现第一次可见火焰时，大部分燃油已经喷入燃烧室，燃油与其周围空气间已进行了充分的扩散、混合与热交换，故放热率图上没有扩散火焰燃烧期。当增加喷油量时，就会出现扩散火焰燃烧期，同时放热率图上就有第二个峰值。喷孔数影响在喷孔总面积相同的条件下：喷孔数越多，孔径就越小，在混流区的油滴直径也就越小，而油滴总数也就越多，从而油束总面积也越大，则在第一次可见火焰出现之前，燃油的蒸发就更显著。结果，在预混火焰燃烧期间，喷孔数多的放热率的最大值大于喷孔数少的，如图6—8所示。：喷孔数影响在介质初始压力为2.5兆帕、喷孔数为5时，放热率图上出现第二个波峰，但在喷孔效为11时，第二波峰比较平坦。若初始压力约为4兆帕时，都出现扩散燃烧期。当喷孔数减少时，扩散燃烧期间放热率的最大值增高，这是因为在主流区的燃油较多，而油束的总面积较小之故。在燃烧的后半期，喷孔数多的完成放热较早，喷孔数少的放热缓慢，延时较长。3．油束发展、火焰传播与放热率图6—9是在扩散燃烧中，油束发展、火焰传播与放热率图之间互相关系的模型。图中还分别绘出从预混火焰与扩散火焰得到的放热率图。喷入燃烧室内油束周围的空气，在油束的穿透部分进入油束。在初始部分，油滴速度比空气进入油束的速度大几十倍。在混合部分，油滴速度减慢，在油束的表层发生湍流，因而促进了油束与其周围空气间的热交换与混合。3．油束发展、火焰传播与放热率在混合部分与稀释部分的油束表层，首先为预混燃烧的混合气作好了准备，蒸发、吸收蒸发热，故开始时放热率减少成负值。第一次可见火焰在混合部分出现，于是火焰沿着表层的预混合气发展(见图6—9中的t2和t3)。当燃烧放热大于蒸发吸热时，放热率图的斜率由负值转变为正值。此后，火焰扩展的速度大于油束发展的速度，火焰超过了油束顶部，此时发生急速的放热。在预混火焰燃烧期，放热率达到最大值的时间正好与火焰到达油束顶端的时间一致(图6—9中的t4)。于是，从预混火焰转变为扩散火焰燃烧，放热率由于扩散火焰而再一次升高(图6—9中的t5)。在此期间，火焰表层的夹角大于在室温下测得的油束喷雾角。3．油束发展、火焰传播与放热率在接近喷油终点，供油量减少，放热率的增长速度也减少。在喷油终止时，主油束区燃油的燃烧放热率达到最高值、并且火焰亮度与火焰扩散范围也达到最大。喷油结束后，剩余的燃油还在燃烧，但放热率减低，直到燃烧完成。1.3、有进气涡流时喷射油束形态与燃烧1．喷射油束的形态图6—10是喷入进气涡流中油束形态示意图。由于空气涡流的存在，油束中油滴的浓度与其中心轴不对称，且随着涡流的增强。不对称越显著。小油滴被空气带走，形成油束前缘，其浓度最小，油束后缘有相当的浓度；在油束芯部浓度最大，且距油嘴喷孔越近浓度也越大。2、油束的燃烧根据燃油和空气的分布以及燃烧机理，可将空气涡流时的油束分成稀火焰区、稀熄火区、油束芯部、油束尾部和喷在避面上的燃油部分。2、油束的燃烧稀火焰区位于油束芯部和前线之间。稀熄火区该区在油束前缘的最外层，其特点是混合气过稀，以至不能着火和维持燃烧。油芯区在稀火焰区着火和燃烧后，火焰向油芯区传播。油末尾部喷射过程在将近结束时，喷射压力减低，使喷射油束的最后部分通常形成较大的油滴。壁面上燃油壁面上燃油的燃烧取决于蒸发速率以及和氧的混合速率。2柴油机的着火延迟2.1概述2.2柴油机的着火延迟2.3影响着火延迟的因素2.4着火延迟期的计算公式2.1、概述着火延迟期P定义为点火时刻到燃烧放出1％热量的曲轴转角。2.2、柴油机的着火延迟（1）加热时间BasaaffkTTTTdC02ln12fC—燃料的比热f—燃料的比重aT—空气温度0sT—油滴初始温度BT—油滴沸点温度a—空气导热系数d—油滴直径1.着火前的物理过程2、着火前的化学过程柴油机的压缩压力较高，而压缩温度达不到实现高温单阶段着火所要求的温度。压缩终点的气体状态位于图6—13中网状处，是属于低温多阶段着火区。因此柴油机着火是多阶段着火。（2）多阶段着火过程在中、低温区内是多阶段着火区。在这样温度范围内，经冷焰、蓝焰最后形成热焰而着火。图6—14表示多阶段着火过程的压力、火焰强度与时间的关系。6—15给出了冷馅过程中典型的冷焰辐射情形。图片3、着火延迟期phi迟时间；是到达生热焰为止的延迟时间；是到达生蓝焰为止的延延迟时间；是到达发生冷焰为止的间；、加热和气化所需的时是喷入的燃料进行雾化3ph2.3影响着火延迟的因素影响着火延迟的因素很多，如柴油机的结构参数、工质状态、运转因素及燃料品质等。这里讨论几个主要因素：1、温度对着火延迟期的影响各种柴油机试验表明，着火延迟期总是随着温度升高而缩短。温度是影响着火延迟期的主要因素。对物理延迟期，温度的影响一般表现为斜率不大的线形关系；对化学延迟期，温度的影响近似于指数关系。1、温度对着火延迟期的影响压力对着火延迟的影响理论和实践表明，着火延迟期与压力间具有下述关系：式中K为常数，与温度、燃料品质有关。n值在0.4—1.8之间变化。由此可知，在不同温度范围内压力对着火延迟期的影响不同。np3、喷油提前角对着火延迟期的影响喷油提前角对着火延迟期的影响有一个最低值，它一般发生在5—20度喷油提前角。其原因是：喷油提前角θ大于这个值时，缸内温度和压力均较低，使混合七着火前的物理过程，特别是化学过程进行得很慢，着火延迟期增长；当喷油提前角小于这个值时，喷油始点距上止点较近，尽管此时缸内压力和温度较高，但在喷油持续期内缸内温度因蒸发吸热而稍下降，而压力因容积压缩很小增加的也不大，这样会使着火点延迟到上止点，反而使着火延迟期增加。mini4、转速对着火延迟期的影响提高转速能减少工质的泄漏量和散热时间，使缸内温度和压力升高，按时间计的着火延迟期缩短，按曲轴转角计的