（动力机械及工程专业论文）柴油机工作过程的改进.pdf

摘要 王箨过程艴缀竣好餐踅竣影嫡嚣浆漓羲购砖杰嚣、经济链、搀 放，为了改簧燃烧，黪低演稳秘减少搀气污染，李文聚宠烹装簇中在 气越内缀绞奏效酶气浚运动鸟燃烧室、喷渣器凌凝合，等求豢三蠹溺 憋最蕊隧醚关鬈。零潆题在辩蛊囔l # 增蕊荣漤规旺蠢气流撰涂努掇麴 麓础上，变瑟通过试骏曩圩究合理缀织工作过稷，对江苏汽动集团蠢耀 公司生产静t y 2 9 5 掩箍祝蠲柴油机浚黥遵稃改进，通过邂论分析 卡箕 获德羧好驰效鬟。 关攘涌：工传过程，粪唆式，# 璎缢，紫浊钒 a b s t r a c t o g a n i z a t i o no f v o r k a gp r o c e s sd i r e c t l ya f f e c t s d i e s e le n g i n eo r , 舔p e w e e p e f f o m a n c e ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o n st o i m p r o v e c o m b u s t i o n ，l o w e rf u e le o m s u m p t i o na n de m i s s i o n ，t h i sp a p e rf o c u so nt h e o r g a n i z a t i o no fi n e y l i n d e ra i rt oc o o r p e r a t ew i t hc o m b u s t i o nc h a m b e r a n df i j l e l i n j e c t i o ns y s t e m b a s e d o nt h e o r e t i c a la n a l y s e so f a i rf l o w o f n a t u r a l l ya s p i r a t e d d id i e s e le n g i n e ，t h ep e r f o r m a n c e so f t 螺9 5d i e s e le 蟛n e , , 丽i c hi sp r o d u c e db y j i a n g d o n ge a r f r o mj i a n g s up r o v i n c e ，e s p e c i a l l yf i j e tc o n s u m p t i o na n dp o w e r p e r f o r m a n c e a r e i m p r o v e dt l a r o u t h e o r e t i c a l 赫a l y s e s k e yw a r d s ：w o r k i n gp m c e g s ，d i ，n a t u r a l l ya s p i r a t e d ，d i e s e le n e , i n e 湖南大学硕士学位论文 柴油机工作过程的改进 ( 摘要) 研究生：李 导师：枥 容 靖副教授 工作过程组织的好坏直接影响着柴油机的动力饿、经济性、排放、 嗓声、寿命及可靠住。近年来，柴油辊工 乍过程研究涎论献建立计舞模玺 还是从测试技术上褰| j 导到了迅速的发展。本文立足于中小型巍喷a 增压式 柴油机工作过程的组织研究，侧重于气缸内缀织有效的气流运动与燃烧 室、搂油系统配合，键遂潘气混合，戳敬善燃烧，降 慕： 蠹话和减少摊气污 染。 本课题税对直喷非增魇柴油机缸内气流理论分析的基础上，主裂试验 分辑江苏江秘集毯宥聚公嗣生产：羽t y 2 9 5 薤攮撬霆紧溜辊瞧缝势避行改 进，通过对现有机型工作过程的万有特性分析提出优化设计方案，以提高 功率及相关性能指标 主瑟工终凌套分必鞋下几个部分： 第一章绪论 连阅读大量蠢关文献豹基础上，综述国内乡 柴渔枫熬现状及柴油极工 作过程研究的重要性及其进展，根据所接触的生产实际确定了本人的研究 方向。 第二章中小型直喷式非增压柴油机工作过程的组缎 麸理论上阐述豢喷嚣增压式桨漓极链蠹气漉运动浚律戳及燃浇囊形状 与位蹩对直喷式柴油机气流的影响，根据中小溅直喷a 增压柴油机燃烧过 湖南大学硕士学位论文 程的特点和难点分析合理组织中小型直喷非增压柴油机内的气流与燃烧 室、油束配合来改善油气混合，及根据柴油机烟度形成的机理如何降低柴 油机烟度排放。 第三章原t y 2 9 5 柴油机的性能分析与改进方案的提出 对原1 3 ( 2 9 5 柴油机分别进行万有特性分析、凸轮轴型线分析、气道试 验分析及油线分析，根据分析得出：充气量不足涡流强度不够，燃烧过程 组织不善是造成该机油耗及烟度均超标的原因，并据此提出相应的改进方 案。 第四章t y 2 9 5 柴油机工作过程的改进 对原t y 2 9 5 柴油机的进气系统进行改进。具体为配气相位、配气凸轮 型线优化、进气道进行试验改进，以改善进气、提高进气流量及整个转速 范围的涡流转速。 第五章改进后的t y 2 9 5 柴油机性能计算及理论分析 对改进后的t y 2 9 5 柴油机在标定工况下的循环进行热计算，改进指标 与原t y 2 9 5 柴油机进行比较和分析，找出理论依据，做出客观评价。 第六章总结与今后工作展望 对所做工作进行全面总结，提出需要进一步实验研究的方向。 第一章绪论 卜1 柴油机的现状及近展 内燃机自问世以来，广泛应用于汽车、火车、轮船、农业机械、工 程机械以及电站设备上。作为运输动力，它目前仍是效率高应用广泛的发 动机。近年来，随着世界经济的迅速发展，客货运输急剧增长，以内燃机 为动力的汽车以其灵活机动，运输成本低等特点，满足了社会的需求，发 展极为迅速，全球的汽车保有量迅猛增加，1 9 9 3 年底，世界汽车保有量已 达6 2 6 7 4 万辆n 】。汽车对社会带来多种益处和方便的同时，汽车排出的有 害排放物氮氧化物( n o x ) 、碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、颗粒以 及噪声等均造成环境的危害：汽车排出的二氧化碳( c 0 2 ) 还会造成“温室 效应”。以内燃机为动力的汽车发展面临的另一挑战是作为不可再生资源的 石油日益匮乏，据预测【2 】，世界石油储量仅够维持4 5 年。针对此状况，研 制高效、清洁、经济的新型发动机则显得极为重要。近年来，国外相继出 现了低散热发动机、电动发动机及甲、乙醇、氢及液化石油气等代用燃料 发动机。这些发动机的研究尚属于研究试验阶段，仍有许多问题亟待解 决。如电动汽车的关键在于解决蓄电池及成本两大问题，低散热发动机则 依赖于陶瓷材料的研究完善。代用燃料汽车在国外发展较快，1 9 9 7 年国外 有气体燃料汽车约6 4 0 万辆 3 ，这些车主要分布在美国、法国、意大利、 荷兰、日本、俄罗斯以及加拿大，但目前加气站建设困难重重。以上可看 出，目前，内燃机仍须在技术上不断更新，以满足人们日益提高的对其动 力性、经济性的需求以及不断严格的环保法规的要求。 内燃机中，柴油机的热效率最高。与汽油机相比，柴油机具有油耗 低、低速扭矩大及较大负荷变化时经济性好等特点对同样功率的发动机 而言，柴油机的百公里油耗要比汽油机节约燃油3 0 一4 0 9 6 ；排放上，柴油 机由于热效率高、油耗低，故c 0 2 排放比汽油机约少2 0 “1 ，且c 0 和h c 的 排放仅为汽油机的1 0 或更少。可见，从节能和环保两方面上讲，柴油机均 占优势。尤其近年来，随着能源的日益紧张和环境污染问题日渐突出，各 国相继制定了更为严格的燃油消耗政策和排放法规，要求保证良好动力输 出的同时，进一步降低油耗和排气污染。如美国提出c f e 燃油计划阽】，要 求在2 0 1 0 年轿车的燃油利用率有现在的1 1 7 k m l 提高到1 4 7 k m l ，即在 1 0 1 5 年内，使发动机的燃油消耗率再降低3 0 在排放法规上，美国正 考虑执行u l e v 标准，欧洲也考虑实行e u r o l l l 标准。中国亦将在2 0 0 0 年实 施等同e u r oi 标准，对轿车和轻型车分别执行欧洲联盟( e u ) 指令 9 1 4 4 e e c 和9 3 5 9 e e c 法规矧，这些为柴油机的发展提供了契机，但由于 其存在着n o x 排放高、颗粒排放大及工作噪声大等缺点，同时也使柴油机 面临着挑战。 1 1 1 国外柴油机的现状 近年来，柴油机技术得到了迅速发展。主要体现在燃油系统直喷化、 增压与增压中冷、高性能的燃油喷射系统、废气再循环( e 6 r ) 、多气门技 术、可变涡轮几何截面的涡轮增压、氧化催化转换器、电子控制、可变进 气管、可变气门定时等技术，使柴油机向着高速、轻量化、进一步节能和 降低排污大步迈进。现在国外的柴油机的n o x 和颗粒排放已大大降低，比 重量和升功率与汽油机不相上下。基于柴油机的优点及近年来柴油机技术 的发展，目前它正广泛应用于重型和中重型载重汽车及农机上，也开始越 来越多地应用于轻型车和轿车上。在欧洲，柴油轿车的保有量不断增加，9 0 年代初柴油轿车保有量为1 9 0 万辆，尤其在德国和法国，柴油轿车的保有量 占整个欧洲柴油轿车保有量的5 0 6 0 ，欧洲2 0 的轿车采用柴油机，9 0 商用车为柴油车。而在日本3 8 的商用车亦采用柴油机。在轻型汽车中，欧 洲，日本早在八十年代中后期就大力发展轻型柴油机。1 9 9 0 年日本的轻型 柴油载货车占轻型载货车的5 9 ，1 9 9 4 年占6 7 ，而现在比例已达到9 5 以 上c 7 】。 8 1 三菱4 m 4 0 、4 d 3 6 以及五十铃4 g j 2 、4 h e l ( t ) 等柴油机已成为轻 型汽车的配套动力。从以上可看出，车用内燃机柴油化是一个必然趋势。 1 1 2 我国车用柴油机的技术现状与发展 我国的柴油机发展较晚，基础薄弱。八十年代以前，国产车中只有重 型车装用柴油机，八十年代开始在中、轻型车上采用，特别是引进的新一 代轻型汽车如依维柯( i v e c o ) 、全顺( t r a n s i t ) 、五十铃( i s u z u ) 等均 采用了柴油机。九十年代以来，柴油机发展无论从数量上还是在技术水平 上都极为迅速，国产柴油汽车从7 5 8 万辆增加到4 2 5 8 万辆。在汽车总产 量中的比重从1 4 8 8 增加到2 6 1 6 ，其中货车的比重超过5 0 ( ：1 9 9 7 年底 约5 0 的轻型车装用柴油机，其中3 4 约为轻型柴油货车、l 4 为轻型柴油 客车；国家机械工业局汽车司提出了两个载货汽车柴油化的目标，即至 2 0 0 0 年，中型载重货车中柴油机要约占7 0 ，而轻型载重货车中柴油机要 约占6 0 ，可见柴油机在中、轻型车上具有美好的市场前景。在轿车市场 上，我国目前尚无国产柴油轿车，但近年来，受到促进内需政策的拉动， 随着轿车走迸家庭的呼声越来越强烈，我国的轿车工业正面临着前所未有 的发展机遇。另外，由于我国石油资源匮乏，对汽车的各种费用将按国际 惯例转变为燃料附加税，提高燃油经济性将更加突出， 7 1 我国城市交通、 出租车、公汽、轿车若改用柴油机，油耗可节约3 0 一4 0 。这必将促进我 国车用柴油机的进一步发展和市场需求的进一步扩大。 但同时我们也应看到，我国车用柴油机的生产技术水平还远远落后于 国外同类产品，差距主要表现在：油耗高；增压技术推广应用缓慢；环保 指标差；可靠性差，寿命短；基础件、配附件质量差，专业化水平低。尽 管国内中小功率柴油机的燃油消耗率平均降低了6 8 1 3 6 9 k w h ，但与国 际先进水平相比仍然要高出1 0 v , 1 5g k w h ；我国柴油机产品环保指标虽然 有所改善，但废气中的n o x 和h c 的含量比国外高约一倍，外特性工况最大 烟度比国外高2 f s u 左右，噪声比国外大2 0 - , s d b ( a ) 【9 】。我国柴油机颗粒排 放自1 9 8 0 年以来，已经减少了7 0 ，但随着2 0 0 0 年将实施的e u r o1 标准 的出台，要求进一步降至1 9 8 0 年的1 5 ，绘柴油机提出了严峻的课题，且 近几年。我国一些大城市的污染十分严重，由于柴油机的颗粒排放和烟度 高于汽油机，有些城市陆续规定禁止柴油车上牌照，这一决定不利于我国 柴油车的发展。综上所述，我国柴油机在未来的二十一世纪有着美好的发 展潜力，但亦面临着日益严格的油耗和排放法规的挑战，因此，开发新一 代经济，清洁，低噪声的柴油机将具有极为重大的意义。 1 2 工作过程研究的重要性及其发展过程 柴油机工作过程组织的好坏直接影响着柴油机的动力性、经济性、 排放、噪声、寿命及可靠性。从柴油机诞生起，人们就致力于工作过程 的研究，企图弄清其本质，从而提高热效率，获得良好的性能。近年来， 作过程研究的种重要手段。在研究柴油机燃烧过程中，通常采用的阴影 ( 纹影) 摄影只能单一的拍摄喷雾过程：而直接火焰像摄影只能拍摄着火和 火焰扩展过程，不能给出同一循环中喷雾过程和燃烧过程的完整信息。采 用火焰像和阴影像同步高速摄影及图像分析技术可研究直喷柴油机同一 循环中喷雾场和燃烧碳粒温度场及浓度场的发展变化过程 1 “。七十年代 开始以激光技术为核心的新的测试技术发展迅速。与此同时，非激光的 经典的燃烧测试技术，如热线流速仪等也不断改进和完善。新的测试技 术对于理解复杂的燃烧现象发挥了巨大作用，从这个意义上可以说，它 是发展多维模型的物质基础。代表性的新测试技术如激光多普勒流速仪一 l d v ( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ) 、相干反斯托克斯曼散射法 c a r s ( c o h e r e n ta n t i - s t r o k e s r a m a n s c a t t e r i n g ) 、微粒图像测试法 ( p i v ) 以及用激光片法和激光荧光法结合c c d 摄像机及数字图像处理技 术，可以定量测定瞬态喷雾粒度场、浓度场、温度场、紊流场、速度场 等分布问题“。 综上所述，柴油机工作过程研究无论从建立计算模型还是从测试技术 上看，都得到了迅速的发展，但由于工作过程极为复杂，许多过程如喷 雾混合、喷注碰壁、气流运动等过程还未查明。现时建立的许多子模型 还明显地存在着猜测性，因此工作过程还需做大量的理论和试验研究工 作。 1 3 本课题的主要工作内容 在柴油机中，直喷式柴油机具有经济性好、易于起动、热效率较 高等特点，其燃油消耗比分隔式燃烧室可降低l o 一1 5 【l “，使c 0 2 的排 放量下降“”，且可降低气缸盖的热负荷，因此在国内外大中型柴油机上 全部采用直喷式燃烧系统。然而与非直喷柴油机相比，直喷式柴油机存 在着n o x 和颗粒等有害排放高、噪声大且高速适应性差等缺点。近年 来，由于新研制的直喷式柴油机上采用多气门技术和电子控制喷油定时 等先进技术后，燃烧更为合理，经济性更好，对降低有害排放具有明显 的作用：通过采用废气再循环及增压中冷技术。使n o x 排放明显减少 6 c 1 8 1 ；通过改进喷油器等技术措施，降低了发动机的燃烧噪声，颗粒排放 也得到了较大的改善。这些新技术目前得到了越来越多的应用。国外 小功率柴油机亦广泛采用直喷式燃烧室，已经用到7 0 m 缸径以下的柴 油机上。目前欧洲和美国研制开发的3 l ( 1 0 0 k m ) 车，首选就是小型直喷 柴油机。当前轿车市场上直喷柴油机的升功率为 1 ：自然进气2 3 3 4 k w l 。涡轮增压及中冷4 0 k w 几，已可以达到汽油机的水平，相当数囊 的柴油轿车满足e u r oi i 对n o x 和颗粒排放的要求，整车行驶噪声在 7 4 d b a 以下。 我国直喷柴油机发展较晚，以涡流室式柴油机为代表的非直喷式柴 油机产曩最大、应用较广，主要应用于农用机械、工业动力以及汽车、 小型船舶等交通工具中，在轻型车上应用也有不少。但这些柴油机比直 喷机型油耗高1 0 一1 5 。基于此，近年来，直喷燃烧系统不但广泛用于 缸径在l o o m m 以上的中、小型高速柴油机上，而近年来亦逐步用于缸径 小于9 5 r m n 的小型高速柴油机领域，研究开发高速直喷燃烧系统是我国 “十五”规划期间( 2 0 0 0 年一2 0 0 5 年) 发展重点之一 1 “。对于小型直喷 式柴油机而言，为了改善燃烧过程，提高功率，降低油耗和减少排气污 染，多年的研究主要集中在改进喷油系统、在气缸内组织有效的气流运 动和设计合理的燃烧室结构形状以及寻求着三者间的最佳匹配关系。 本课题的主要任务是通过试验研究对江苏江动集团有限公司生产的 t y 2 9 5 拖拉机用柴油机性能进行改进。通过对现有机型工作过程试验、 分析及优化设计，全面提高其动力性，改进其大扭矩工况的燃油消耗率 及烟度，要求改进后的t y 2 9 5 柴油机的性能样机达到以下所列要求： 拖用( 净功率) ，含风扇、水箱、空气滤清器、发电机、消声器、手摇 起动机构附件。 标定工况：2 2 p s 2 3 0 0 r m i n 扭矩储备：1 5 标定点燃油消耗率：1 8 0 9 p s h 最大扭矩点燃油消耗率：1 7 0 9 p s h 烟度( 所有工况点) ；3 5 b o s c h 排放符合国家现行标准 7 课题研究的主要工作内容分为以下几个部分： ( 1 ) 在阅读大量有关文献的基础上，综述国内外柴油机的现状及柴油机 工作过程研究的重要性及其进展，根据所接触的生产实际确定研究方 向。 ( 2 ) 从理论上阐述直喷式柴油机缸内气流运动规律以及燃烧室形状与 位置对直喷式柴油机气流的影响，分析合理组织中小型直喷非增压柴油 机内的气流与燃烧室、油束配合来改善油气混合，及根据柴油机烟度形 成的机理如何降低柴油机烟度排放。 ( 3 ) 对原t y 2 9 5 柴油机分别进行万有特性分析、凸轮轴型线分析、气 道试验分析及油线分析，并据此提出相应的改进方案。 ( 4 ) 对改进后的t y 2 9 5 柴油机进行性能理论分析，并与原t y 2 9 5 柴油机 进行比较，做出客观评价。 ( 5 ) 课题研究文工作进行全面总结，提出需要进一步研究的方向。 第二章中小型盘喷式非增压柴油机工作过程的组织 塞囔燃娆鼓拳教其耱越瓣燃浊经济牲纛起动拨裁弼援注疆，其臻究 和应用日趋深入和广泛，随精节能的深入和直喷燃烧技术的突破性进展， 直喷燃烧技术不仅用在大、中墅柴油机上，正向小缸径柒油机发展，近十 年来毽癸纛这方嚣茨磷究秘应瘸取褥了显著残累，在量犬嚣广弱中小缸 径柴油机上实现直喷融成为近年来国内外柴油机技术发展的照著特点， 国外目前融在缸径为6 4 m m 的柒油机上采用了直喷燃烧系统，而且在燃油 渣栽、烟凌、摊放、噪声窝振动等方亵取褥? 瀵意豹效果。考虑到蹙骥 柴油机的特点及提高我国小缸径柴油机及其配套机具有豳际市场的竞争 能力，并适应小型拖拉祝、农用运输机械、小型工程祝械的配套要求， 嚣家基鞠确提窦在9 溉a 以下缸经紫洼糗中发震妻噗燃烧系统。我淫出 于受工艺和设备水平的限制，中小型直喷柴油机的生产发展慢，虽然已 有不少机掇改为直喷，但往往存在油耗较高、烟度、嗓声较大、游命 短、霹靠糗差等闫题。促避， 、缸经柴油极熬嶷喷化彝改簧壹骥式柴溜飒 的n o x 、碳烟排放成为摆在我国内燃机工作者面前的一项紧要而又艰巨 的任务。 审小型豢续式紫洼魏燃烧避程缎织豹特点及翅难 1 ) 由于缸径较小，活塞顶内燃烧象较小，喷没的自由射穰小：从而易造成 过大的喷往贯穿率，傻得燃油过多地喷在燃烧室壁瓤，在犬负荷区，诧现 象戈为严蘸。在小懿燃烧室容积狂过大豹喷注贯穿攀下，混会气难予迅 速而均匀地形成。 2 ) 由于转遵高，其喷油漉合气形成和燃烧的时间均很短，癸在如此短的时 露蠹，使燃烧及鞋孪窝宠全较爨难。 3 ) 由于机型小，每循环喷油爨也小。从i l i i 使各循环喷油羹之间的相对误差 量增加，特掰是部分负荷更为踌曼，这就使各循环磺油和燃烧的不稳定性 增砉拜，莠张低速，l 、受饕避爨予产变异攀唆浊等瑷象，敖又增热了缀织燃 烧过程的豳难。 4 ) 由于中小型柴油机气缸直径和气缸盖较小，气缸盖上要合理安排好 进、排气门、气道和喷油器就很困难；而且中小型直喷柴油机一般都采 用螺旋进气道。这就使气缸盖的设计布置上更加困难。由此造成了喷油 器必须偏置和斜置，其偏离气缸和活塞顶内燃烧室中心线的距离，相对于 喷注自由射程来说较大，这对燃烧室内各喷注的均匀性是不利的。 5 ) 由于进、排气道和进、排气门都较小，加上进排气时间短，流速 高，且进气需形成一定的涡流。这些都将影响流量系数和充量系数，相 对而言残余废气系数增加，从而恶化了混合气形成和燃烧过程。 本章将通过阐述直喷式柴油机气流运动规律以及燃烧室形状与位置 对直喷式柴油机气流的影响，根据柴油机烟度形成机理，合理组织气流 与燃烧室、油柬配合来改善混合气的形成，降低油耗和排放。 2 1 直喷式柴油机缸内气流运动 柴油机的进气、压缩、燃烧和作功过程都与气体的流动密切相关。 进气过程中形成的涡流在压缩过程中受到压缩，与挤流相互作用后形成 上止点附近燃烧室内湍流流场，这时的流动状态对燃油喷雾的分布、可 燃混合气的形成、着火点的位置、滞燃期的长短、放热规律以及有害排 放的生成都有极大的影响，可以说柴油机气缸内的空气运动规律直接影 响着其动力性、经济性及排放性能，因此一直是人们力求探明的问题，尤 其是在直喷式柴油机内，人们一直以组织一定强度的涡流或挤流来与燃 油喷射、燃烧室相配合，以便得到较理想的放热规律及燃烧效率。随着 研究的进一步深入，紊流对柴油机燃烧的影响引起了人们的关注。因 此，研究缸内的涡流、挤流及紊流运动规律，搞清影响压缩过程终了时 燃烧室中涡流与紊流运动的因素，对进一步改善内燃机的工作过程，提 高内燃机的性能有重要意义。 21 1 气缸内涡流变化规律 在直喷式柴油机的燃烧室中，涡流运动是主要的运动形式。众所 周知，发动机气缸中主涡流转速是不断地衰减的，涡流转速越高，它们 衰减得越快。在进气过程产生的涡流会因在压缩过程转入燃烧室而得到 0 大大的增强。然而压缩终了附近，缸内空气运动仍主要是涡流运动乜町， 且这种涡流运动呈近似刚性涡流性质。压缩终了燃烧室中涡流的角速度 为：式中：一缸径 旷丽r ：c o op 艿) 糯 m 。一进气涡流角速度 f 1 1 r o - 燃烧室半径 一h 。一燃烧室深度 b 一衰减系数 s 一活塞行程 6 一压缩间隙 在压缩过程中，空气充量旋转运动动能的增加是由于在挤流过程中克服 气体圆周运动的离心力所做的那部分功引起的，其大小仅与压缩初始的 涡流转速，燃烧室容积及几何形状等有关，而与挤流的径向速度的大小 无关。 2 1 2 气缸内挤流变化规律 中小缸径直喷式柴油机燃烧室，喉口点径与气缸直径之比较小，挤流 对燃烧室内的流谱和流速具有重要影响。 t ) 挤流和逆挤流速度的计算 直喷式柴油机气缸容积可以分为两个开口热力学系统，一是燃烧室凹 坑，称b 区。二是活塞上方空间，称为c 区。对于挤流过程，可以写 出两区能量方程： e = g + 矗。肌二( 2 ) e = 残一h c 咖二十埘：) + p v 0 ) 式中：0 为传热率，输入取正号，h 为焓，m 为质量流率，下标c b 表示由c 区流向b 区，c l 表示经活塞环漏气。p 和v 为压力和气缸容 积，e 为内能，假设比热比k 为常数。有如下关系式： 噱= 忙一d 疗k 娩屹一g k - k p 噶，嚏忙一d 一i p 矿够一1 ) k ) 膳p 以5 ) e = ( 即+ p v ) ， 一1 )( 4 ) 由于p 。= p 。p b = p a 联立( 2 ) 一( 4 ) 得： ，喽= 伍一d ，琢屹瞧，k e l k 一女p 幅，- 忙一d k p f i e 1 ) 虻) ，女p 咐 同样可导出逆喷气流的质量流率为： 由式( 5 ) 和( 6 ) 可进一步计算燃烧室喉口轴向挤流速度v 。和逆挤流 速度v ，： 圪= m ：i i l p 。( 7 ) = 吒- 风( 8 ) 式中u 为流量系数，s b 为喉口面积，p 为密度。由式( 5 ) 一( 8 ) 可 知，燃烧室缩口越小，挤流和逆喷速度越大。且存在壁面散热和活塞环 漏气时将使挤流速度减少、逆喷速度增加。 2 ) 燃烧室中逆喷速度的分布 燃烧室凹坑的气体沿轴线的膨胀和逆喷流动服从一维不定常气流 连续方程2 “： s r + a v 0 ) - p ) 良= 0 ( 9 ) 式中s 为流动截面，即与气缸轴线x 垂直的燃烧室横截面，u ( x ) 为 轴向平均逆喷速度，p 为燃烧室内气体密度。假定逆喷过程燃烧室内气 体均匀膨胀，沿燃烧室轴向各截面则有如下关系： l l p 劲i o , = j i ( f ) ( i o ) 式中k ( c ) 是与时间有关的常数。对式( 9 ) 进行积分，并考虑边界条 件：x = 0 时，s = s 。，v ( 0 ) = o ，则有下列关系式： y g ) 一j i m ，( 1 仙( j j ) 式( 1 1 ) 为逆喷轴向速度分布方程。由式( 1 1 ) 知，当燃烧室无缩1 3 时，u ( x ) 沿轴线从燃烧室底面到喉口线性增加。对于有缩口的燃烧 室，u ( x ) 沿轴线从燃烧室底面到喉1 3 以指数规律迅速增加。 3 ) 对于有缩口的燃烧室，在燃烧室喉口缩口角度较大时，挤流轴向气 流运动将不同程度地转化为环涡运动。缩小喉口直径，增大缩口角度， 具有中心凸锥都将强化燃烧室内的环涡运动。逆喷开始后环涡运动势必 迭加在逆喷运动上，因此逆喷时近壁速度uw ( x ) 可表示为轴向平均逆 喷速度1 3 ( x ) 与环涡运动速度分量u 之和： = 荆+ 以一力( 】2 ) 文献曾利用电子云迁移法测擞了一个形燃烧室近壁逆喷速度。分析 其实验数锴，近璧环涡切向速廉u - - j - 表示为h = c v 。，式中c = 0 1 ，当形 成明显珏淡运动孵，c 俊取上隈。v 。为喉1 ：3 处毒虫自平均挤流速发，由她 可得： y 。缸) = | ，和j + 。r 。0 3 j 式( t 3 ) 说明，如果在燃烧室内形成环涡运幼，燃烧室侧壁附近在逆喷 时豹气流速度可遮约两倍平均镪流速菠，胃戳耗爨潴油雾欢散辩带剽灞 塞上方，在组织柴油视燃烧过穰中应尽量避免 2 “。 2 ，3 气敷中的紊漉强度及萁变他般德 随着发动机转速的增加，紊流强度相应增大，紊流强度的增加大 致与发动棱转速懿舞裹残歪毙。 1 ) 进气过程中，进气主流上的紊流强度很高，并且紊流强度的峰值 一般爨褒在迸气遗程孛麓辩近淤j 。紊漉强凌在气敲内不繇毯衰减，在避 气过程终了时，气缶i 中心处的紊流强度仍然很商。谯避气终了，压缩行稳 剐开始阶段，挤流尚未嘲显开始，紊流强度变化不大，此时的紊流场为 近似均匀各翅同蛙紊渡场。 2 ) 随着压缩过程的避行，气缸中心处的紊流强度衰减得较快。并逐 灏与褥霭气镩懿紊漉强震趋予一致；农活塞壤主寿燃烧室豹耩援下，紊 流强度在压缩接近终了时迅速增加并在上止点附近达到一峰值，而在平 项活塞情况下，紊流强度一壹萁有衰减的趋势，在上止点辩近无蜂值出 现。这一现象表明，燃烧室中紊流强度的增加主要来自挤流运动b “。农 压缩过程中，挤流为燃烧室内紊流运动的增强提供了能量。在直喷式柴 油极巾，紊浚强度数蜂馕掌出瑷在上止点腿邋，压缡上止患时的素滚强 度和进气终了时相比，其值为0 6 左右”“。 3 ) 在避气过攫裒基缀过稷蒺麓，圭浜菠秀是上鹣紊滚强度毙其它方 向大。在燃烧室的同一横截面上。离室髓越近，紊流强度越离；离缸头越 远，紊流强度越弱【2 3 】。燃烧室上层及外盈楚紊流强度高，燕因为活塞环 形蕊上方进来的气流与控制体内气体最先在那里接触，扰动比别处大 些。灏压缩间隙缩小时，压缩终了燃烧室内的涡流眈和紊流强度都有所 增加，但紊动动能的增加量在全部挤流能量中所占的比例却基本不变。 燃烧室中心部及下部则由于扰动的传播使之衰减，故紊流强度弱些。 21 4 直喷式柴油机缸内气流运动规律总结 ( 1 ) 直喷式柴油机缸内气流的主要形式是仍是涡流，挤流能量的绝大 部分是集中在压缩终了时很小的曲轴转角内进入燃烧室的曙o 。挤流的大 小与燃烧室的结构参数有关，并与发动机的活塞速度平方成正比“。在 压缩冲程中，挤流为紊流提供能量。 ( 2 ) 柴油机气缸中涡流转速及紊流强度是不断地衰减的，涡流转速及 紊流强度越高，它们衰减得越快。 ( 3 ) 气缸中的紊流伴随着涡流，涡流不断地给紊流的耗散提供能量， 当涡流转速较高时，紊流强度也相应较高。在进气终了，发动机气缸中 心处的涡流转速及紊流强度也都相对较高；随着压缩过程的进行，气缸 中心处的涡流转速及紊流强度逐渐和周围气流趋于均匀一致。 ( 4 ) 压缩过程中，平顶活塞几乎不产生紊流，压缩上止点时气缸中的 紊流运动来自进气过程。压缩上止点附近，压缩容积的形状对燃烧室中 紊流强度有很大影响。 2 2 燃烧室形状和位置对直喷式柴油机缸内 气流运动的影响 为了使缸内的空气运动与燃油喷雾更好地配合，以降低有害排放、 烟度及噪声，人们设计了各式各样的新型燃烧室。f 2 4 1 日本学者r y o j i k i h a r a ，y a s u om i k a m i 等人提出的“方形燃烧室”即( 四角形燃烧室) 和英国学者j a n ep a h 等人提出的“花瓣型”燃烧室就是较典型的。采 用这些燃烧室的目的是利用其中紊流运动加速燃烧过程，但对高速时主 涡流转速有影响。另外，为了通过增强挤流以促进油气混合，还采用各 种缩口型燃烧室。 2 2 1 燃烧室位置对直喷式柴油机缸内空气运动的影响 中小型直喷式柴油机由于气阀、燃烧室的偏置以及气道形状的影 响，实际发动机中缸内流动都是不对称的。( 2 耵迸气初期迸气涡流对缸内 气流的影响只发生在气缸外围，中心部分涡流很弱。气阀偏置程度越 4 大，涡流的不对称明显。在偏置方向一侧，由于流通面狭窄，所以气流 速度加快，并影响到下游地区，在下止点时，燃烧室形状对缸内流场结 构影响不大，但在燃烧室附近，其形状影响显著。 压缩行程中，气缸内气体逐渐被压入到燃烧室中，形成挤流。缩口 型燃烧室，开口小，挤气面积大，在相同压缩比下，其挤气强度大，在 上止点附近燃烧室内引发了两个回流，且燃烧室偏景使两侧挤流强度也 不一样，挤气面积大的一侧挤流强。 出现挤流时，缸内涡流流场也会受影响，流场在旋转的同时还叠加 了向心的运动。燃烧室偏置时，由于两侧挤流强度不一样，挤流叠加在 涡流上后，在流场一方加强涡流，而在相反的方向上减弱涡流，燃烧室 开口越小，偏置越大，挤流对涡流的影响更加明显。 2 2 2 燃烧室形状对直喷柴油机缸内气流的影响 上止点时，在直口。型燃烧室中，在涡流和挤流的相互作用下， 呈现一种双涡结构口础( 见图2 1 ) 。虽然下层回流区较小，但仍存在， 是由涡流和壁面摩擦造成，在压缩过程的后期形成的，挤流强的一侧， 涡流造成的回流相对较小。而上层涡流则在上止点附近才形成的，故速 度值最高。如果涡流比增加或发动机转速增加，上层涡流区就有增厚的 趋势。在直口u 型燃烧室中，进气过程中产生的强烈紊流运动。一般在 压缩终了将大幅度衰减，在有进气涡流的情况下，紊流可以从涡流中汲 取能量，使压缩中了时燃烧室内保留较强的紊流，但效果十分有限。通 过大量油束落点的试验得知，对于传统的直喷式燃烧系统，油束一定要 喷在上层涡流区，才能得到满意的发动机性能。 图2 i 直口型燃烧室双涡结构 图2 2 四角型燃烧室图2 3 缩口形燃烧室 四角形燃烧室( 见图2 2 ) 四角形燃烧室借助其边和角的限制或分流气流运动，在压缩上止 点附近对进气涡流有一定的衰减作用，其气流切向速度比直口u 型燃烧 室低得多，但由于四角形燃烧室在四个圆角处产生一种特殊的、有一定 规律的强烈微涡流扰动，此处的s h x , 紊流强度较高，因此紊流强度差别 不大【2 ”。故采用四角形燃烧室，高速时涡流不致过强，同时还会产生较强 扰动。在四角形燃烧室中，由于油束与壁面有一个倾角，当部分燃料喷 到壁面上时，由壁面顺流而反射到空间的燃油量在主涡流的作用下容易 在角及角附近的壁面上形成油膜，使着火落后期内可燃混合气量减少， 也减弱了新鲜混合气与废气的混合“。在主涡流和微涡流的双重作用 下，油膜将迅速剥离，蒸发和形成混合气，在角形附近空间内的大油滴 亦会很快蒸发，扩散，因而可改善混合气的形成质量，促进燃烧过程。 缩口型燃烧室( 见图2 3 ) 缩口型。燃烧室，挤流更强，呈现单涡结构( 见图2 4 ) ，涡流引发 的底部回流消失，燃烧室偏置越大，流场更加不对称，挤流强的一侧回 流区增强，而另一侧受到抑制。活塞下行，压缩上止点后的速度场出现 反喷，主要出现在燃烧室边缘上，且挤气面积大的一侧反喷也强，缩口 型。燃烧室反喷更强 缩口四角形燃烧室( 见图2 5 ) 闺囵 缩口四角形燃烧室对进气涡流衰减作用最强，在压缩上止点附近最 大切向速度仅为直口( i ) 燃烧室的l 2 ，但缩口四角形燃烧室在压缩冲程 后期由于较强的挤流作用，气流合成速度和紊流强度远大于四角形燃烧 室 。在膨胀冲程初期，由于反挤流运动，气流合成速度和紊流强度又 达到很高的峰值，且持续时阃较长。 图2 4 缩口m 型燃烧室单涡结构图2 5 缩口四角型燃烧室图2 6 花瓣型燃烧室 花瓣型燃烧室( 见图2 6 ) 与四角形燃烧室相似，花瓣型燃烧室也有限制或分离气流运动的 作用，壁面上的凹坑和小凸起处流动分离形成了一个微涡，形成的小涡 耗散了一定的涡流能量，使涡流能量衰减。 以上各种燃烧室在近壁处具有高的湍动能，其中四角形燃烧室在离开 燃烧室中心一段距离内，动能是逐步增长的，然后衰减，至近壁处又出现 高湍动能o “。凸瓣型燃烧室较圆形燃烧室具有更高的湍动能，即凸瓣形 状抑制了涡流强度，促进了涡流能量向紊流能量的转化。 2 3 柴油机烟度形成机理及影晌烟度排放的因素 2 3 1 排烟的形成及其影响烟度排放的因素 烟度是表征柴油机燃烧性能的一个重要参数，也是人类环境保护对 内燃机提出的低公害要求指标之一，对烟度的限制越来越严格。英国里 卡多工程师咨询公司认为未来柴油机的排烟目标，是在所有稳定工况下 烟度都不超过2 5 b o s c h , 只要燃烧系统研制得好，同时把标定点放在烟度 啪蕊闺 极限以下，以便为使用中性能有所恶化留下余地，这样的目标不应对设计 造成困难。柴油机的排烟包括白烟、蓝烟和黑烟。其中，白烟和蓝烟类 似油状物质。自烟是在低温条件下，柴油机起动和怠速运转时，由燃油 微粒形成的，这些微粒几乎未经燃烧就被排出。当柴油机正常运转时， 就不会产生白烟。蓝烟是由未燃烧或部分燃烧以及热分解的燃油和窜入 缸内而又未燃烧的润滑油微粒组成，是在柴油机尚未完全预热或低负荷运 转工况下，因燃烧条件不良所产生的。黑烟的形成通常是在柴油机处于 高负荷运行时不完全燃烧产生的，所含碳粒子是细小微粒，且比重大。 由于柴油机燃烧时油滴、油气和氧气异相共存燃烧的复杂性，对碳 烟生成的详细动力学机理还了解很不够。己发表的多种论述主要有【2 8 】： ( 1 ) 燃烧分子以脱氢的形式发生分解，生成的碳微粒再聚集成固体 碳： c 2 ) 认为火焰中最初有些燃料分子聚合成大的分子或是油滴它们 由脱氢反应而变成碳粒子；( 3 ) 为上两种说法的折中，认为在高温火 焰下，能产生部分分解及脱氢反应的些中间生成物，在它们聚合过程 中又进一步脱氢，逐渐变成固体碳粒。这种论述也称乙炔说。英国学者 布鲁米( b r o o m e ) 等人提出图27 所示的定性描述。指出碳氢燃料产 图27 碳烟的生成过程简图 生碳烟的两个途径：其一，是在高温( 2 0 0 0 3 5 0 0 k ) 富油缺氧区，已 形成气相的燃油分子通过裂解和脱氢过程，快速产生较小分子的物质， 在后期出现聚合反应。在高温下由于缺氢而导致聚合物得环化，形成了 几乎仅有碳构成的不溶性碳烟粒子。所谓“乙炔说”就是指燃料分子发 生高温裂解，导致乙炔和氢的生成，而乙炔的凝聚和燃料中的氢先行燃 烧导致碳烟微粒的产生。 其二，是在燃烧室壁面附近等无火焰的低温区( 温度低于1 5 0 0 k ) ， 通过聚合和环化与氢化过程，生成凝结的芳香族碳氢化合物，在缓慢生 成大分子量物质，最后也生成碳粒。 上述两种过程不是各自分开，丽是经常相互交叉进行的。在低温条 件下，芳香烃或多环化合物是形成碳烟的初始粒子；在高温条件下，预 混合的乙炔火焰对碳烟生成具有很强的诱发力。由于在柴油机中碳烟生 成的有效时间极短，一般只有4 一l o m s ，所以碳烟大都是在高温缺氧的 快速反应中产生，而在低温区的低速反应过程只对碳烟生成起相应的辅 助作用。由于燃烧室中央和壁面混合较差，在高温缺氧的条件下易分解 聚合成炭烟，使排气冒黑烟，从而导致功率提高受限。 美国学者普利( p l e e ) 等人用化学动力学基本理论导出碳烟生成速率公 式i ”i ： 华珊4 睇j f 0 ： - c e x p ( - e i o 。尺丁) 式中，a 、a 、b 、c 为常数，e f o r m 为综合活化能，均由试验确定，其值 与燃料性质及燃烧系统有关，b 和c 不会超过3 。由此可知，柴油机碳烟 生成率主要受扩散火焰温度t 的影响，当然也与活化能及h c 、0 2 质量 浓度有密切关系。碳烟生成后在燃烧室还有一个继续燃烧的过程。这取 决于已形成的碳粒在燃烧后期的经历，在温度高于碳反应温度( 约 1 3 0 0 k ) 的富氧区和湍流较强的燃烧区域，碳粒可再次燃烧掉。图2 8 给出燃烧放热率与碳烟生成及消失的变化过程。从图中可知，预混合燃 烧只有少量碳烟生成，而在扩散燃烧阶段碳烟量迅速增多，碳烟主要在 此阶段生成。在燃烧后期，温度下降，碳烟量处于基本不变状态。 影响烟度的主要因素有1 3 0 】：( 1 ) 混合气形成的质量；( 2 ) 空燃比；在烟 度极限前由于供油量的增加，空燃比a 减少，烟度随之相应增大，如图 2 9 所示；( 3 ) 燃烧速度。 ；e 睫t 一 、一一： i 二，l ，上! _ l 7 ，n - 图28 燃烧过程碳烟数量的变化图2 9 空燃比与烟度的关系 2 3 2 降低排烟的理论基础 大量试验及研究证明，排烟问题的关键在于有效组织柴油机的 燃烧过程。在适宜的喷射系统下，采用一定强度的进气涡流，微涡流等 空气运动与燃烧室合理匹配，能够得到良好的排烟洁净性。 进气涡流是影响直喷式柴油机混合气形成和燃烧组织的一个关键。 在低负荷时，涡流强度对烟度几乎没有影响，只是在里卡多涡流比r s 小于3 的情况下，烟度随涡流强度的增大而呈现线性下降；在高负荷 下，存在一个最佳涡流强度，当小于该值时，烟度随涡流强度的增加而 呈线性下降；当大于该值时，烟度随涡流强度的增加而缓缓上升。对于 中小功率直喷柴油机来说，这个最佳值一般为r s = 3 8 40 1 ”i 。 进气涡流对碳粒排放的影响 随着涡流比的增大，氧化碳粒逐渐被局限于活塞凹坑内 3 “。 低涡流比时，油气混合差，形成了大量的碳粒，整个燃烧阶段，活 塞凹坑内外均有碳粒在燃烧，但燃烧温度较低，碳粒氧化慢，致使燃烧 = = f甚鼍簟墨量胛*蝮# 过程增长，燃料的热利用率下降，来不及氧化的碳粒增多，故残留的碳 粒最多。 高涡流比时，在发生逆挤流前，由于向心力的作用，燃油被局限 于凹坑内，坑外空气得不到利用，坑内的总体空燃比相对变小，增大了 碳粒生成量，氧化碳粒被局限于活塞凹坑内，也增加了再氧化的困难。 而在发生逆挤流后，凹坑内的氧化碳粒迅速反冲至活塞凹坑外，但燃烧 温度立即降低，大部分区域的温度低于1 8 2 5 k 。已有的研究表明”“，当 温度低于1 8 0 0 k 时，碳粒氧化的速度己很慢。即在整个燃烧过程中，过 高涡流比条件下燃烧过程基本上是利用活塞凹坑内的空气。因此，高涡 流比碳粒较中涡流比时多，较低涡流比时少。这主要是由于气缸内空气 利用不足，燃烧区域整体空燃比偏小，使氧化历程与中涡流比相比变慢 了的缘故。逆挤流所造成的火焰反冲现象，在中涡流时也存在，只是随 着涡流的降低，反冲不明显。这或许是由于涡流比越低，凹坑外参与燃 烧的混合气越多，坑内外压力差越小的缘故。 挤流和紊流对碳粒的影响 然而对柴油机燃烧过程，特别是直喷的燃烧过程来说，除了宏观的 有组织进气运动之外，气缸内或燃烧室内微涡、挤流、紊流对燃烧过程 均起重要作用。微涡正比与转速，低速时弥补进气涡流强度不足：在高 速时，对过强的进气涡流强度起阻尼抑制，从而有可能提高直喷式的高 低速适应性和兼顾性。由于微涡的存在导致具有相同进气涡流强度的柴 油机的燃烧过程有着明显的差异。 微涡的产生一是由进气道诱发，导致进气道复杂：另外是由燃烧室 的几何形状强制气流在其内挤压碰撞所致。因而微涡的形成好坏很大程 度取决于燃烧室的几何形状。同时对于合理组织燃烧过程来说，只有强 有力的喷射系统和涡流运动而没有合适的燃烧室形状与之相配合也是不 行的，目前典型的燃烧室有三种：深盆形、平底形、浅盆形。在直喷式 柴油机的发展史上，人们总是不断致力于探索各种形状的燃烧室与当时 的喷射系统，进气空气运动相匹配，以获得性能优良的柴油机或用以满 足某种特殊的性能要求。著名的有泼金斯挤流口燃烧室、日野微混合燃 烧系统、五十铃四角形和小松微涡流燃烧室，我国主要有复合式和花瓣 型燃烧室。一般来说，燃烧室内的挤流加强，排烟也相应得到改善。各 种燃烧室的挤流强度可采用下列公式计算【3 0 l ：各参数意义见图2 1 0 。 d 2 一a 2以d 。 。一百。4 p i d 2 x + v k 。芽 式中：挤流速度，r n s卜气缸直径，r n m a 燃烧室口径，m mx 活塞顶间隙，i n m v k 一一燃烧室容积，c m ，t 压缩时间，s 两个假设条件：在压缩过程中燃烧室内的空气密度是均匀的。 不考虑空气粘度与传热问题。基于以上理论，采用四角形、花瓣型、 缩口形燃烧室代替传统的u 型燃烧室。在严格保证压缩比不变的条件 下，计算而知前三种燃烧室的挤流强度均比原c o 型燃烧室有较大的提高。 图21 0 挤流计算各参数意义 不同喷嘴对烟度的影响