毕业论文（设计）-柴油机冷起动研究

1、20q3届単业准举鼬罠i!l i开题报告设计已经开始，我们得设计题目是：vv柴油机低温启动燃烧技 术研究。找个题目已经研究了好儿届了，目的是为了使柴油机能 在低温下起动。使发动机能在低温下正常起动。目前我国的柴油机产 量比较多，而且有大部分在严寒的工作条件下工作，为此对冷起动的 研究有着更深，更有价值的研究意义。柴油机低温起动的燃烧解决了柴油机在低温条件下的起动，燃烧 等过程中的做功和内燃机工作。这个题目的研究是最近儿年才发展起 来的，还需要几年才能发展开来，需耍在研究过程中做一定的实验来 解决其作功图和冷起动过程。研究主要解决低温起动的困难和问题， 使柴油机在地温下顺利起动。次题口的研究时间

2、：4月27日至6月15日。其中分为八周时间分别进行研究。目录刖3第一章发动机的地温启动工况第一节发动机起动的必要条件第二节低温对发动机起动的影响第三节改善冷起动的主要措施第二章柴油机低温起动探讨第一节柴油机冷起动问题的重要性第二节柴油机冷起动的要求第三章柴油机低温条件的燃烧第一节冷起动时混和气的形成和着火第二节混和气形成因素第三节柴油机着火第四节柴油机燃烧过程第五节柴油机着火过程第四章第四章冷起动下燃烧的改善毕业设计总结参考文献刖s柴油机冷起动的可靠性使当前柴油机发展中重要的课题之一。起动困难有时 比油耗高，排气污染严重，噪声打更使人心烦。尤其是我国生产量大，使用而广 的涡流式柴油机，这一问题

3、更为突出。另一方面，起动过程拖长，会排出更多的 冇害物质。因此，研究和改善柴油机的起动性能闲的非常重要。柴油机的冷起动过程，从本质上说室温条件下，可燃混和气体的形成，着火 和燃烧的过程。国内外为改善柴油机冷起动性能，做了大量的工作，但以往主要着眼于增加 辅助装置，而深入开展基础研究还是近些年的事。冷起动过程的研究涉及到诸多 基础学科：低温物理学、化学反应动力学和传热传质学等；另一方面，由于冷起 动过程是一个非稳态的过渡过程，模型建立模拟计算；参数测试和数据处理的难 度都很大。柴油机缸内工作过程，如燃油雾化和蒸发、混和气形成、着火和燃烧，即使 是在单一燃料机在稳定的暖机条件匚液没有完全研究清楚。

4、在冷起动非稳定工 况下，缸内工作过程度的测试分析更是困难。最近研究表明，柴油机在低温起动吋有高的有害物质排放，尤其是冷起动吋 的篮、口烟，包含的物质导致人们癌症的发病率上升。柴油机冷起动燃烧从现在才开始作出深一步的研究，但是由丁实际情况，英研究还未达到最好。所以我们要根据材料做进一步的深入研究。第一章发动机低温起动工况第一节发动机起动的必要条件发动接的起动是指发动机曲轴在外力的作用下开始转动，直到发动机开始自 动的进入到怠速运转的全过程。实现这一过程，必须具备一定条件。1.1必须供给足够大的起动力矩发动机起动可分为两个阶段：曲轴从静止状态过渡到起动转速；保持折椅传速到 发动机着火起动。若么完成

5、上述两个阶段保证发动机顺利起动，必须克服发动机 曲轴旋转时的各种阻力（摩擦力、气缸内压缩气体的反作用力、运动部件的惯性 力等）。所以有外部十佳到发动机曲轴上的力矩，必须大于全部阻力矩之和。1.2必须供给足够高的起动转速为了保证发动机迅速可靠的起动，对于汽油机必须在压缩中了，点火z前，在气 缸中形成能够着火的可燃混和气体；对于柴油机耍求压缩中了时的空气温度比柴 油的自燃温度高200°c以上。为了达到上述条件，要求启动转速足够高，-般要 求汽油机最低曲轴转速5075r/min,柴油机为200300r/mino第二节低温对发动机起动的影响发动机的起动，特别是低温条件下的迅速可靠起动，对于提

6、高发动机工作可 靠性，降低起动磨损，减轻驾驶员劳动强度，减少燃油消耗和提高发动机使用性 能都有重要关系。而低温是影响发动机起动的重要因素，分析如下：2低温使既冇粘度加大从机油的粘度特性可知，既有的粘度随温度的降低而加大。机油粘度越大，起动阻力越大。如图所示：机油动力粘度加大时，曲轴旋转阻力矩加大，发动机启动转速降低。2.2 低温使燃油气化不良图（）燃油对发动机启动性能的影响主要是其蒸发性。当问道降低时，汽油地粘 度和密度就加大。如图所示，当温度从40°c降至10°c吋，汽油地粘度提高了 75%（见曲线一）密度加大了 6% （见曲线二）。这样就使汽油地流动性差，雾化不良。加上

7、低温机件地吸热作用，影响了混合起地温度，对燃油气化不利；导致大 部分燃油以液态进入气缸，造成实际混合气体过稀，发动机不易起动。2.3 低温使蓄电池端电压下降，火花塞不易跳火蓄电池在起动过程中主要影响起动机地起动扭矩和火花塞地跳火能量。当蓄电池电解液温度随外界温度降低时，蓄电池的内电阻和电解液的粘度 增加。试验证明,当温度从30°c到30°c时，密度为1.30g/cm3的电解液，其粘 度曲2163x10%2/s增至16x10%2/s,增大了近8倍，导致电解液中例子扩散 的速度降低，蓄电池电化学反应速度减慢，使电解液不易渗入到极板内层，造成 蓄电池放电时极板内层的活性物质不能充

8、分利用，导致蓄电池的实际输出容量减 少。一般情况下，当电解液的温度每降低1°c缓慢放电时容量约减小1 % （迅速 放电时的减小2%）。与通常25c时的输出量相比,25时的输出容量约卜降45%, 即使充足屯的莆屯池，当温度下降至40度时，也只能向外电路提供不到諮电池 额定容量三分之一的电能。同时，在低温下进入发动机气缸内的混合气密度大，雾化极端不良，因而要 求火化赛点火时的电压提高。试验证明：气温在11度时，要求火化塞点火电压 比14度时的放电电压高出24kvo由于低温时发动机被连续拖动的时间较长， 进入气缸的混合气过多，使火化塞的电极被燃油濡湿，或者出于断断续续的不完 全燃烧，产生碳

9、烟，造成火化塞的正常跳火，使低温引起困难。2.4低温使发动机机件磨损家具低温下的启动对发动机的磨损是相当严重的，约山发动机总的使用磨损的 50%-75%,也就是说，一台新发动机用到磨损极限时；其有1/23/4的磨损不是 在有效工作阶段，而是在发动机的准备工作时期，因此，冷态启动和暖机状态下 的磨损是影响发动机寿命的决定因素之一。p.b.格里库试验证实：在18度温度下启动一次发动机的气缸磨损量，相当于 正常工作下汽车行驶210km的气缸磨损量。试验还表明：在15度启动时，机油需在6min后才会通过滤清器。2.5低温使发动机耗油率增加当温度较低吋，燃油的雾化和蒸发性很差。此吋，进入气缸的混合气浓度

10、比 较稀，达不到正常工作的要求，必须供给较多燃油，这实际上就增加了耗油量。有试验数据表明：随着温度降低，耗油率增加，如卜表所示。第三节改善发动机低温起动的主要措施为了降低起动时所需要的起动功率和使发动机在低温条件下能可靠地起动。一般 都为发动机配装可改善起动性能的辅助装置，主耍是为燃油着火创造有利条件以 及降低起动时的阻力。3.1进气预热装置进气预热装置用于加热吸入气缸的空气或混合气，从而使其达到着火所需 的温度条件。目前，在屮小功率发动机上常采用在进气管屮装预热器进行预热。 上海“桑塔纳”，北京“切诺基“等汽油机采用具有止温度系统的pic陶瓷材料 作为加热元件，可使发动机在30度温度下顺利起

11、动。3.2炽热点燃装置炽热点燃装置以采用电热塞为多见。电热塞以蓄电池作为电源，当电流流 经赛屮的电阻丝并使其发热时，点火源的温度可达1000度左右，周围的空气温 度也随z增高，使混合气燃烧，我国的475柴油机，北京492qc柴油机，口本 五十铃柴油机等都是采用电热塞。电热塞在燃烧中对起动的作用是提供了一个高 温的点火源。可使有些发动机在30度一40度状态下起动。3.3燃油加热器就是利用液体燃料将英燃烧所发出的热量通过换热器传递给被加热的介质 （冷却液，空气，或混合器）。目而，主要作为风冷发动机的低温预热起动装置, 已发展成为系列产品。3.4电加热器在奥迪100轿车发动机化油器底部的进气管上装有

12、一个电加热器，在冷车 起动时，可对可燃混合气进行加热以确保冷车顺利起动。当发动机水温超过65 度时，冷起动电热器电路被热皱传感器断开，此时，混合气就由冷却水來预热。 3.5新型高能蒂电池和保温措施口前研制的薄板蓄电池，使每组电池能容纳的极板增多，放电流增大。如锌 空气电池能量密度达到80-120wh/kg;；燃料电池能量密度达到 2030wh/kg.在低温环境中，将蓄电池放在常有夹层的保温箱中进行保温，可使蓄电池的工作指标有很大改善。3.6无触点式高能电子点火器此常规有触电点火器的能量高1万v以上，故被广泛应用。第二章柴油机低温起动探讨第一节柴油机冷起动问题的重要性柴油机作为效率最高的热力发动

13、机面临进一步的大发展;另一方面，也因其低 温冷起动的怵i难性，低温起动吋高的有害排放水平等问题而面临严峻的挑战。大家知道，火花点火式发动机（汽油机）的冷起动性能比柴油机好得多，因 为汽油挥发性好，而且采用电火花点火；柴油的挥发性比汽油差得多，而且燃烧 是靠口行着火。环境温度对柴油的蒸发形成可燃混合气、着火反应乃至整个燃烧 过程都起主要作用。环境温度越低；柴油机就越难起动。非直喷式柴油机因其传 热损失较大，冷起动比直喷式柴油机更怵i难。我国是世界上生产涡流室式柴油机最多的国家，年产量近800力台，比产量 居第二位的日本多810倍。这是我国内燃机发展的一个特色，也是我国内燃机 产业的一个优势。涡流

14、室式柴油机对我国国民经济的快速发展无疑起重要作用。针对这种非直喷式柴油机存在的冷起动性能较差的缺点，轿车和轻型车用涡 流室式柴油机采取一些特殊措施以改善冷起动性能。我国产量最大使用最广的小 型家有涡流室式柴油机，依靠人力起动，更近切要求改善起动性能。上述表明，改善柴油机的冷起动性能，减少冷起动时冇害排放物，冇着重要 的经济意义和社会意义。而解决这一问题的重耍途径z就是深化冷起动过程的 基础研究，在此基础上发展新的改进技术。第二节柴油机低温起动的要求2. 1柴油机起动条件低温下欲使柴油机顺利起动，必须具备以下几个条件：一定的起动速度（最 低需要110r/min）；大容量起动电源；适当低温条件下的

15、机油（如5w20号机油）; 低温条件下的发动机冷却液（如防冻液）。2. 2柴油机起动方法根据环境温度來确定柴油机起动方法。一般环境温度在（）°c以上时，不需使 用冷起动装置，只需将油门踏板踩到最大位置即可，若冬季或环境温度低于0°c 吋，可使用冷起动装置或起动加浓装置。如部分wd615增压柴油机型（配bosch喷油泵）选装起动加浓装置。冷起动时，踩卜离合器及油门踏板，拉动起动加浓装置的开关，以提供过量燃油助燃, 起动后必须将加浓手柄推至原位。若柴油机起动不了，则约待lmin后重复上述 动作。严寒冬季，若使用加浓手柄仍无法起动要使用冷起动装置。2. 3柴油机起动注意问题2.

16、31柴油机为压缩点火，其压缩比比较大。要求气缸必须有很好的密封性。 若环境温度过低，将影响气缸的密封性，造成压缩比降低，对柴油机起动不利。 口j通过对柴油机加注热水來保证一定的压力和温度。虽然这样做比较麻烦，但能 有效提高压缩终了吋的压力和温度，减少机件磨损，延长柴油机使用寿命。2. 3. 2每天岀车前，仔细检查柴油机油标尺，将机油控制在规定指示线内，不 准超过上限。因机油过多，会增加起动阻力，使柴油机转速过低，不利于起动。 同时机油过多还会降低柴油机的动力性，浪费燃料，造成柴油机积炭过多，寿命 缩短。认为机油宁多勿少是错误的，应克服一次性超量添加机油的不正确做法。2. 3. 3必须使用说明书

17、中规定的柴油机机油（一般为api cd极机油）。2. 3. 4增压柴油机受低温环境影响怠速着火往往比热车时低。因此起动后的柴 油机要随时用手油门控制转速（一般在600-700r/min）,随柴油水温的升高，再 将怠速调整至原來的怠速（50（k/min左右）。起动后的冷柴油机，耍尽快提高柴 油机温度，可用防寒被或其它防寒物品将散热器遮挡住，最人限度降低冷空气流 速，减少柴油机热量损失，帮助柴油机迅速升温，以减少冷车运行时间，延长柴 油机使用寿命。第三章柴油机低温条件下的燃烧柴油机冷启动成功与否主要取决于两个因素：一是要有足够高的气体压缩温 度（简称压缩温度）；二是要冇一定数量的易燃“空气一燃油”

18、混合气。第一节冷启动时混合气形成和着火冷启动过程科划分为三个过程：即第一次着火前的运转阶段;第一次发火到 着火后柴油机升速运转阶段；温度大致保持不变的暖机运转阶段。1、第一次着火丽的运转借助外力拖动柴油机运转才能着火燃烧。拖动运转过程除用拖动时间表示 外，尚可用着火前压缩（或循环）次数表示。低温下决定柴油机起动的主要因素 有两个：即足够高的压缩温度和易燃的混合气。（1 ）压缩温度柴油机经断时间起动拖动后，每次压缩行程所测量得出的最高压力基木相同，当拖动一段时间后再喷油；由于喷油量不同，压缩压力下降0.2 0.3mpa停止喷油后又重新达到最初吋的最高压缩压力。通过热力计算，与压缩压力下降0.3m

19、pa相应的压缩温度降低323-333k, 最高压缩温度降低是由分布在燃烧空间部分的燃油吸热，并迅速蒸发所引起 的。当喷油后将压缩的循环次数增加，压缩压力逐次增加到最大值，再停止 喷油吋，压缩压力又增加了 0.3mp&,其原因是由于活塞环间的间隙充满燃 油而使密封性变好所致。（2）空气燃油的混合图（1）是冷启动条件下没有着火时，喷入气缸内燃料量的分布情况。以压 缩次数为50（内30s）次计，喷射燃油量为&3g左右，其中排气中的燃油量约为 1.6g,为总油量的20%左右。在实验屮用的直喷式盆形燃烧室柴油机屮，在盆形 活塞顶的燃油量约为0.8g左右，而分布于燃烧室壁面（活塞、气缸盖）

20、的燃油 量约为0.9g,大部分喷射的燃油流入曲柄箱。排气中的燃油量与在燃烧室间的燃油分布有关。因此，排气中的燃油浓度可 用來评定混合气形成。图（2）表示喷油量与着火前压缩次数和排气屮燃油浓度间的关系。由图可见,随着喷油量的增加，混和气的浓度亦增加。因此第一次着火前的压缩次数也随z 减少。曲标准喷嘴（孔径0.36mm 4孔）和特殊喷嘴（孔径0.24mm, 4孔）比较 可见，虽然特殊喷嘴的孔径较小而雾化较好，但由于喷油量小些，混合气浓度变 稀，所以着火性能比标准喷嘴差。（3）先期反应柴油机冷起动试验时，压缩比低时观测不到有化学反应;只有捉高压缩比（已 能着火）时，才能在首次着火而从排气中测到化学反

21、应产物，即不完全氧化的碳 氢化合物和醛，一氧化碳和二氧化碳由于在此阶段还没有产生，故测不到。在这些反应中，只有喷油量的0.05%起了反应，实际上没有热量产生。先期 反应不能直接使其着火，但它是着火条件接近建立的彖征。2第一次着火金柴油机升速阶段的运转低温卜柴油机冷起动第一次着火后，通常是很粗暴的，缸内压力和发动机转速 也不稳定。图（a）是在一定冷起动条件下，第一次着火到柴油机升速阶段运转的 初始阶段情况。图屮每一次循环过程所测得压力峰值，喷油量和发动机转速。为标 记方便，压缩行程得次序保持不变，即右图（d）中不表示转速变化。由图（b）可见，起动运转的第一次着火后的初始阶段，伴随有不发火现彖。

22、在持续起动运转24s（64次循环）中，只着火12次。从每次循环所测得的压力峰值和 1411发火次数的示意图可见，在12次着火之间其循环压力峰值和示功图，有相 当大的差别，这是起动过程屮运转粗暴和不稳定原因所在。由图（c）可见:混合气着火性能以喷油量200mm3/（全负荷喷油量为120mm3/次）时较好，这除了在起动过程中引着火的只是喷油量中的一部分外，还有另一个 重要因索，即在起动过程中，喷油器针阀的抖动对混和气形成质量冇不口j忽视的影 响。当第一次着火后，转速加速到不但切断了起动所要求的过量燃油，而且超过了 喷油器针阀抖动时的极限转速。这两种因素使分布在燃室空间的燃油大大减少，并 使混和气的

23、着火质量变坏。3暖机运转如上所述，低温下冷起动过程常办有熄火现象。因此，从起动直接转入空负 荷运转是不适当的，也就是说，在稳定的空负荷运转前首先应加速到某一转速（通 常为标准的转速）。在该转速下，运转时间进行稳定的空负荷运转，即为暧机运 转的开始。随柴油机运转时间增加，燃烧室壁温较快地增加到一个固定值，从而 一氧化碳.、甲烷、乙烯和总的碳氧化合物浓度降至某定值，此时便完成了暖机 运转。图：第二节混和气形成因素1. 喷油量地质量分布和喷油定时在冷起动条件下，燃油喷到冷的燃烧室壁上不利于形成冷起动着火所需 的易燃混和气。这里涉及到喷油量地质量分布问题。whuhn在一台缸径为 125mm,行程为13

24、0mm的单缸直喷式柴油机上做了喷油量分布试验，活得 如下结果图（1）。当压缩比为13.6,没有着火时，测定的喷油量是这样分布: 左边第一对的两行，分别表示压缩次数为17次（约10s）和（约30s）时的 总喷油量，其值分别为2.8g和其中排气中的燃油量分别为0.6g和1.6g（第三对的两行）；分布于燃烧室其他表面上的燃油量约为0.4g-0.9g （第 四对的两行）；大部分喷油量流入曲轴箱。排气屮的燃油量与分布于燃烧室空间部分的燃油有关，因此，排气屮的 燃油浓度可用来评定混和气形成。在定的压缩温度下，也可用来评定柴油机 起动性能的优劣。我们根据测得的涡流室式柴油机冷起动过程的连续各循环的示功图，计

25、 算得到一个循环后放热量冇时比该循环喷射的燃油含的能量要高，这也表明 存在燃油从一个循环滞留到下一个循环的现象。这些滞留燃油的混和气形成 机制商不清楚，不过，上述现彖提供了与冷起动时与混和气形成有关的三种 情况：（1）喷射燃油碰壁后形成的壁面油膜，可以滞留到卜个循环并形成可燃 混和气。根据tsicoemoto.等人的研究，柴油机起动转速减低和每个 循环喷油量增加，都使燃烧室的滞留燃油量增加。（2）气体中的燃油蒸气，在换气过程后，作为残余气体的一部分留在燃 烧室内。（3）滞留在各种间隙中的燃油（据m.agonzale2,100r/min和241k时总 喷油量的5%）,在下一个循环仍回流到燃烧室。

26、喷油定吋对混和气形成也有影响。图（2）表明，开始喷油的最佳 时间约为上止点前10ca（曲轴转角）。因此，对排气中的燃油浓度 最高，首次着火前的压缩次数最少（混和气最容易着火）。由此可 以看出混和气着火性能z间的内在联系。图：2、喷油贯穿度steven.g.fritz和duane.l.abata对改装的二冲程直喷式涡轮增压柴 油机进行冷起动过程后高速摄影，得到了以下几点认识：（1）冷起动时，由于燃烧室壁面较冷和柴油机转速较低，致使压缩压力、 压缩温度和气体密度内较低，从而使喷油量贯穿度较大。过大的贯穿 度会使然冇碰壁到冷的燃烧室壁而不易蒸发，这样就使燃油一空气混 和气减小，致使起动性能变差。（2

27、）冷起动时，发动机转速低，实际喷油时间要比标定转速时长的多，从 而使着火延迟期内燃油的混和气吋间变得相当长；另一方面，发动机 转速低导致喷油压力低，使油滴尺寸偏大，引起燃油在燃烧室中分布 不良；此外，喷油压力低也引起喷油器针阀反弹，可能导致燃油多次 喷射，这些对冷起动时混和气的形成及其控制带来不良影响。3、量的循环变动喷油量的循环变动导致冷起动时，每循环形成的混和气随循环变动， 从而使毎循环的燃油量也变动。4、小结（1）冷起动过程与低进气温度卜的混和气形成密切联系。成动的起动 要求适当的喷油定时；喷油适量和形成一定数量和质量的可燃混 和气。（2）混和气质量和首次着火前随排气一起排出的燃油量有关

28、。因此， 排气屮的燃油浓度可用来评定混和气形成，在某种程度上也可评 定柴油机起动性能的优劣。（3）在冷起动过程中，喷油贯穿度较大，油滴尺寸偏大，同时，还常 出现燃油以一个循环滞至下一个循环的现象。（4）在冷起动过程中，混和气的质量和数量是随循环变动的第三节柴油机的着火总的来说：柴油机从进气，喷油；混合气形成，直到开始着火的整个过程都 是为了着火作物理一化学准备。实际上，着火前的物理过程和化学过程是穿插进 行的，几乎是同时并进的。而月是互相结合，难于分割的。1. 着火前的物理过程为使有化学反应，必须先使参与反应的物质能互相均匀地相互混合，并相互 撞击。同时，需要有一定的初始能量。这就需要有进气过

29、程，喷油过程和混合气 形成过程。需要有气相混合和均质混合。为此，从油来说，从喷射过程，喷住的 破碎和雾化过程，油的吸热过程，气化过程，向空气中扩散的过程。与空气的混 合过程，以至丁形成可燃混合气，并使可燃混合气达到足够高的温度和压力的加 热过程。这些都是着火前的物理准备过程。从空气來说，从进气过程中的加热，受压缩而使温度和密度壇加。从而大大 增加空气的分子运动能量，并大大缩短了分子运动自由行程，从而增加了碰撞能 量和碰撞频率。为喷入缸内的细微油滴提供热量（油的另一部分热量从室壁吸取） 并利用空气的涡流运动和紊流运动，帮助破碎和雾化燃油，并与燃油均质气相混 合。这也是着火丽的物理准备工作。2.

30、着火前的化学准备工作（1）着火的温度条件柴油机的着火必须达到一定的温度条件，这在冷起动过程中表现得特别敏感。 这也是为热链反应捉供必需的外源供热，使反应物具冇足够的活化能以克服 姪分了化学键断裂的阻抗。柴油机喷油始点时燃烧室内的温度一般为 7001000k。图（a）是根据谢茵诺夫化学动力学理论建立的临界温度tc和临界压力 per对坯类自燃界限的影响。从图可看出：怪类着火必须冇一定的温度和压力条件，但温度条件和压力条 件可以互为补充，即压力较大时，温度可以适当降低亦能着火；而温度较高时， 压力可以适当降低亦能着火。所以，图（a）中tcr-pcr临界线内为双曲线形状。 线上方是能着火区，线下方是不

31、能着火区。而且在低于某一温度时，则不管温度 多高也难于着火。图：（2）着火的压力条件压力对着火影响本上是空气密度、分子运动自由程大小和碰撞频率多少对着 火的影响。燃烧室内混合气的密度大小意味着在一定容积内参与化学反应的分子 总数多少。反应速度与参与反应的两种分子总数乘积成正比。柴油机的着火过程屮，气缸内的温度、压力和容积三者z间是由状态方程式 互相制约的。其中压力和温度是互为促进的，即压力和温度联合影响着着火过程。（3）着火的浓度条件着火除温度和压力条件外，混合气浓度的条件也是决定性的。而且，着火所 必需的温度和压力与浓度之间也存在着固有的物理关系。图（b）给岀了坯类混 合气着火温度t与温度c

32、的关系。可燃混合气的着火只能在一定浓度范围内进 行。超出这一着火浓度极限范围，不管温度和压力多高，也难于着火。而这一 着火浓度极限范围又随着温度和压力的升高而扩人。图（c）给出了坯类混合气着火压力p与浓度c的关系。其图形与图（b）大 致相同，都是u形曲线。统称燃料的u形着火界限曲线，其中图（b）为温度一 浓度着火界限曲线，图（c）为压力浓度着火界限曲线。这些图屮着火界 限曲线内所包括区域（图中阴影区）是能着火的区域，曲线外的区域是不着火区 域。后者不符合着火所需求的温度、压力和浓度条件。着火界限曲线的底端点b 意味着能够着火的最低温度或最低压力吋的浓度值。研究坯类着火的压力界限、 温度界限和浓

33、度界限对研究低温起动、高原起动（低气压、低温）、水下起动工 作过程是大有裨益的。第四节 柴油机燃烧过程柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着木质的不同，柴油由喷射系统在压缩行程接近终了时开始直接喷入燃烧室内，供混合气形成的时间极短，很难形成均匀的混合气，燃烧室内的工质 成份随时间和地点而变化。这种不均匀的混合气是在高温、高压下多点自燃着火 燃烧的。燃烧过程是柴油机工作过程的核心部分，为便于分析可将其划分为四个阶 段，即着火延迟期（滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期。1. 着火延迟期着火延迟期又称滞燃期，以燃油开始喷入燃烧室内至由于开始燃烧而引起压 力升高使

34、压力脱离压缩线开始急剧上升。在着火延迟期内燃烧室内进行着混合气 准备的物理和化学过程。物理过程包括燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合直至在 某些局部区域形成可燃混合气，化学过程是指混合气的先期化学反应直至开始自 燃。虽然对于局部而言，物理过程和化学过程是相继进行的，但对于整体而言物 理过程和化学过程是重叠在一起的。滞燃期是柴油机着火过程和燃烧过程屮一个极其重要的吋期。它对整个燃烧 过程和柴油机各方面的技术经济指标有直接的影响。它是控制燃烧过程和改善燃 烧过程的关键。滞燃期的长短受各种复杂因素的影响。因而其统计值的离散性较大。这也是 滞燃期的一个特点。在n=10004000i7min的柴油机中，在标

35、定工况下的滞燃期 5=0.30.5ms。燃烧重柴油或劣质油的屮低速机，j=315ms。柴油机在冷起 动或高原起动时，丫 i会更大。2. 影响滞燃期的因素（1）温度对滞燃期的影响在对滞燃期的各种影响因索中，温度的影响处于第一位。温度对滞燃期的 影响是指数式的。在其他条件一定吋，温度t与滞燃j的关系为：ti = keb/t 式（1）其中k常数，与系统中的温度、压力等有关；b = e/r温度系数式中是化学滞燃期为滞燃期的主要组成部分來立式的。化学滞燃期又可分 为冷焰诱导期t |和蓝热焰诱导期丫2、3两部分，即工1=+ 丫2、3、。这两部分的反应机理不同因而各种因素对它的影响也是不同的。图（1）给出了

36、索柯立地克提供的温度对j、j和j、3的影响。由图可看出：冷焰导期随温度的升高而降低，而且在屮低温区下降得快， 到高温区下降得缓和。总z，滞燃期随温度的变化是冷焰诱导期和蓝热焰诱导期的综合。而且, 其前期主要取决于冷焰期而后期主要取决于蓝热焰诱导期丫2、3、。所以滞 燃期在低温时受温度影响大，而到高温时受温度影响变缓和。在谈到温度对滞燃期的影响吋，有必要提一下燃油的着火温度（自燃温度）。 着火温度是指在一定条件下，可燃物质在公平下的氧化剂伴随下能自行着火的最 低温度。一般资料屮给出的燃油的着火温度指在一个大气压下与空气形成理论混 合气的条件下自行着火的最低温度。如果氧化剂、压力、混合气浓度、温度

37、以及 在某种温度下持续的时间不同等，则燃油的着火温度是不同的。但是，在严格的 相同条件下，不同油品与空气的理论混合气的着火温度，还是可以作为燃油相对 比较的物理一化学特征参数。图（2）给出了苯、汽油、煤油的着火温度随压力的变化比较。可以看出： 苯的着火温度最高（所以，它可以作为汽油的高辛烷值调合剂），汽油和煤油次 之，柴油最低。燃油的这种特性对设计和改装多种燃料和混合代用燃料发动机时 是必须注意的。燃油的着火温度高低是与其各种坯类的组分含量、分子结构和链的t短以 及是否含双键和三键冇关。燃油的着火温度愈高则在其他相同条件一其滞燃期愈 长。3. 压力对滞燃期的影响在其他条件相同时，燃烧室内的压力

38、增加则滞燃期缩短图(3)给出了滞燃期 随压力的变化。气缸内压力增加后，混合气的密度增加，分子运动的平均自由行 程缩短，反应物分子间的碰撞频率增加。从而使焰前化学反应的速度增加，化学 反应所需的时间缩短。另外混合气密度增加后，从热空气到液相和气相燃油的传 热增加，但同时，饱和蒸气压力增加，汽化速度减慢。滞燃期5与压力p的关 系可以表达为ti = k|p_nlgti = k2-nlgp其屮k1,k2常数，与温度，油品以及浓度冇关n常数，n=0.41.3,多数在0.81.2压力较低时，压力对滞燃期的影响较大，而在压力较高时，压力对滞燃期的 影响变得缓和。(图3, 4)3. 压缩比对滞燃期的影响压缩比

39、的增加，使压缩压力和压缩温度同吋增加，从而对滞燃期冇双重 的影响，使滞燃期明显缩短。压缩终点压力pc和压缩终了温度tc与压缩比 q的关系为：pc=paqnl tc=taqn,d其中pa,ta-压缩始点压力和温度nl压缩多变指数nl = 1.351.384. 近期温度对滞燃期影响增加进气温度能使压缩终点温度约成止比增加。5. 进气压力对滞燃期的影响6. 喷油提前角对滞燃期的影响喷油提前角e对滞燃期t匚的影响实际使温度，压力和反应物焰前反应 时间(诱导期)对滞燃期的综合影响。由于这三方而因素对滞燃期冇明显彩响， 所以喷油提前角o是影响t ：的最发因素z-o7. 油压力，转速，负荷和循环喷油量，混合

40、气浓度油品及喷数，喷孔直径 和喷孔总面积对滞燃期都有一定影响。第五节柴油机着火困难着火是柴油机的燃烧的准备过程，是一系列反应的最终结果。此阶段的长短 和能否形成足量的火源强度以保证火焰传播，对动力设备的可靠运行和获得良好 的性能都有着重要影响。在柴油机工作过程中，燃料在压缩接近终了时才喷入气 缸，并月和大部分燃料在燃烧前尚处丁液体状态，因此燃烧前燃料所山冇的容积 可以忽略不计，故柴油机进气阀吸入的空气温度下可以看作柴油机压缩始点的气 体温度。视空气为理想气体，考虑柴油机冷启动压缩过程中气体的泄漏现象和热 量损失的存在，并假设系统内压力，温度均匀分布，则柴油机冷启动吋压缩终点 气体温度 t2 为

41、 t2/t1= a (k-1)(k'2)(l b )(k_1) 式屮：a为一定环境下柴油机冷起动压缩过程中的热量损失，owawl； k为绝热指数 k=cp/cv, cv为等容比热，cp为等压比热；b为漏气率b = (ml-m2) /ml,ml m2分别为压缩始点和压缩终点气体质量；气体压缩比a=vl/v2,vl v2分别为压缩始点和压缩终点气体容积。当不考虑柴油机冷起动过程中漏气以及热量损失时，即令a=ob=o。已知 某车辆采用195型柴油机，其压缩比圧20,漏气率b为5.8%,则柴油机在不痛环境温度卜压 缩完毕时燃起压力与温度分别如表(1)所示。设柴油机冷起动压缩过程中气体 的泄漏情

42、况为a热量损失情况为bo柴油机气缸压缩完毕时燃气能否达到着火温度时保证柴油机正常起动的主 要条件之一。由资料可知：柴油机冷起动压缩终点温度至少要达到430°c以上才 行。由表(1)可得知是否考虑柴油机冷起动压缩过程中气体得泄露情况一级热量损失将对柴油机气缸压缩完毕时燃气能否达到着火温度得计算影响很大。在不 考虑柴油机冷起动压缩过程中气体得泄漏情况一级热量损失或者只考虑柴油机 冷起动压缩过程屮气体得泄漏情况下，柴油机吸入得空气温度在40°c以上吋， 压缩终点温度均大于430°c柴油机气缸压缩完毕时燃气温度能叨叨着火温度，这 导致柴油机柴油气缸压缩完毕时燃气温度偏高，

43、绝对误差高大110°c以上；在只 考虑柴油机冷起动压缩过程中气体得泄漏情况以及热损失情况卜，柴油机吸入得 空气温度在-10°c-下时，压缩点温度均小于430°c,不能使喷入得燃料着火燃烧, 故很难满足柴油机正常启动的要求。这主要是在很低的环境温度下，较低温度的 冷却液和气缸套活塞等零件以及进入柴油机气缸的较低温度的空气将使得柴油 机在压缩过程屮的热量损失过大，其次柴油机在低温条件下，起动时转速降低， 导致压缩燃气的泄漏量增加，以上两个原因的综合将使得柴油机在较高的环境温 度下（一 10°c）进行冷起动吋，其燃压缩完毕时的终点温度达不到着火温度，而 且柴油

44、机役龄越长，这种情况越严重。吸 入 空 气 温 度 tl°c执八、 里的损 失 a%压缩终了空气温度不考虑ab考虑a考虑b考虑ab第四章冷起动下燃烧的改善如前所说，影响冷起动性能的最重要的参数是压缩温度，压缩温度是压缩比 和进气温度函数。增加压缩比和捉高进气温度，均可使燃烧室的温度上升，因而 促进起动时着火。在压缩比较低时，若通过进气预热等方法提高进气温度，使发动机能得到与 高压缩比吋同样的压缩终点温度，便也能得到相同的起动性能。作为起动吋提高 进气温度的具体措施，通常是在进气歧管内燃烧少量燃料。1. 改善柴油机的冷启动性能，可釆用下而的装置方式来提高柴油机的空气进 口温度。（1）采

45、用预热装置：在柴油机的进气管内装有电热塞或者火焰加热器来预热进气气流，提高 柴油机压缩终点温度。（2）燃烧预热：在柴油机的进气歧管内燃烧少量燃料來预热进气气流，提高柴油机压缩 终点温度。2. 采用预热方式提高冷却液温度。提高冷却液温度是减小缸内气体使给燃烧室壁的热量的重要措施。在柴油 机冷却系屮安装加热器以加热器柴油机的冷却液，使英整体升温，从而减小气缸 与活塞z间，轴承等摩擦副的摩擦与磨损，减小了柴油机冷启动时启动阻力矩。3. 进排气节流提高压缩温度的方法，除提高进气温度外，还有：（1）进行进气节流以增加进气行程中 泵吸功（2）进行排气节流以增加残余废气的数量并捉高其温度（3）增加从燃烧室壁

46、传给燃烧室内工质的热量4. 安装屯热塞以改善冷起动措施。5. 提高十六烷值和采用添加剂人们早就知道，提高燃料十六烷值可改善柴油机的起动性能。图中（1）表示燃料十六烷值和起动所需时间的关系。显然，较高的十六烷值又较好的起动性。而燃料的十六烷值过高时，虽然正常工作是的噪声会有所改善，但此油耗与排烟状况却急剧恶化。另一方面，通过在燃料中添加能提高十六烷只的添加剂，也能改善启动 性能。这些添加剂一般包括硝酸酯，过氧化物或乙瞇类等，但因都比较昂贵, 所以很难在正常工作是也使用。只限于起动时强这些添加剂导入喷油泵内。 当添加戊基硝酸酯等，一般认为时因为它们在分解猴产生了过氧化合物或者 oh基等，从而促进了着火。但当压缩温度较低时，也有不能进行这种分解的 情况。另外也冇报告指出，在裂化轻柴油中添加上述这些添加剂时并未见效。6. 加入辅助燃料通过从进气管吸入辅助燃料来确保起动性，是由来已久的方法z