第6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六节HCCI第一节柴油机的混合气形成混合气形成特点：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。第二节柴油机的燃烧过程要求：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。第二节柴油机的燃烧过程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。第二节柴油机的燃烧过程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、喷油提前角、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be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。第二节柴油机的燃烧过程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：发生的时刻与部位不同，柴油机工作粗暴发生在燃烧初期（急燃期始点），着火延迟期内形成的可燃数量多，一起自燃，使速燃期压力升高率过大；而汽油机爆震发生在燃烧后期（急燃期的终点），是末端混合气自燃。缸内状态不现，柴油机工作粗暴缸内压力均匀，无冲击波产生，而汽油机爆震，缸内压力不均匀，有冲击波产生。声音不同，汽油机爆震敲缸声尖锐清脆，柴油机工作粗暴敲缸声沉闷。对燃料的要求不同，对汽油机优良的燃料（自燃能力差，抗爆能力强），对柴油机是最差的燃料（发火性差，工作粗暴）。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电热塞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。第三节柴油机的排气污染与控制二、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。第三节柴油机的排气污染与控制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。第三节柴油机的排气污染与控制四、微粒排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52℃后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3微米，其主要成分是碳及其吸附的有机物质，后者称为有机可溶成份。生成机理：燃油中烃分子，高温缺氧，部分氧化和热裂解，生成不饱和烃类，不断脱氢、聚合成以碳为主的炭烟核心；气相烃、其它物质在核心表面凝聚，及核心相撞凝聚，形成炭烟基元；炭烟基元聚集，形成球状或链状的聚集物。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四、微粒影响因素1）过量空气系数2）喷油提前角：喷油提前角迟后，微粒增加。3）冷却液温度和燃烧室壁温：温度增加，燃料着火条件改善，微粒排放下降。4）燃料的影响：碳氢化合物的组成，馏分。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、降低柴油机排放污染物的对策降低NOx的措施（机内措施）中冷推迟燃烧合理设计喷油规律EGR应用降低PM措施增压高压喷射小孔径喷油器可变几何涡轮增压第三节柴油机的排气污染与控制（一）机内处理方法1.推迟喷油；推迟喷油，燃烧温度下降，着火延迟期缩短，NOx排放下降；HC及PM增加。2.EGRNOx排放下降燃烧速度下降，温度降低；工质比热容增加，温度降低；废气对进气的加热及稀释，过量空气系数降低。PM排放及燃油消耗恶化。3.增压及增压中冷进气密度增加，过量空气了系数增大，碳烟及微粒排放下降，CO及HC排放降低。第三节柴油机的排气污染与控制4.改善喷油特性1）合理的喷油规律初期缓慢，中期快速，断油干脆。初期，降低初期燃烧速度，初期燃烧温度下降，NOx排放及燃烧噪声下降；中期，提高喷油压力，提高喷油速率，扩散燃烧速度加快，微粒排放降低，防止燃油经济性恶化。后期，避免低的喷油压力及雾化质量下降，避免燃烧不完全及碳烟及微粒的排放增加。2）提高喷油压力燃油喷雾颗粒进一步细化，燃油与空气的表面积增加。喷射压力增加，喷孔缩小，油气混合界面增大，高速燃油射速对周围空气巻吸作用增强，混合气形成速度加快，混合气浓度分布均匀