柴油机的燃料与燃烧过程课件

1、 第四章 柴油机的燃料与燃烧过程发动机原理与汽车理论第一节 柴油的使用性能第四章 柴油机的燃料与燃烧过程一、柴油的着火性 燃料的着火性，系泛指燃料在燃烧过程中，其着火温度与着火落后期之间的关系特性。它标志着燃料的自燃能力。评定柴油着火性的指标是十六烷值。十六烷值高，着火性好。这意味着柴油机在一定的压缩比、转速、进气温度和冷却水温度等条件下，着火落后期短。二、柴油的挥发性 柴油的挥发性也用馏程曲线来表示，主要以50馏出温度、90馏出温度和95馏出温度作为评价柴油蒸发性的指标。50馏出温度低，说明这种柴油的挥发性较好，喷入气缸以后能够迅速蒸发与空气混合，有利于燃烧的进行，并使柴油机的冷起动较容易。

2、但50馏出温度过低的柴油通常也不被采用，因为柴油中蒸发性好的组成成分其发火性差。90和95馏出温度标志柴油中所含重质成分的数量。90和95馏出温度高，说明柴油中重质成分较多，其挥发性较差，在气缸内不易蒸发，与空气混合不均匀，导致排气冒烟和积炭增加；因此，应对90和95馏出温度有所控制，要求其值较低。一般要求柴油的50馏出温度应适宜，90馏出温度和95馏出温度应比较低。 三、柴油的粘度 柴油的粘度决定其流动性。粘度是液体分子的内聚力，它表现为液体抵抗运动的阻力。柴油的粘度低时，流动性好，柴油自喷油器中喷出的燃料容易雾化成细碎的油滴，便于和空气均匀混合。柴油的粘度对高压喷油泵柱塞副的润滑和通过柱塞

3、副的漏泄有重要影响。柴油粘度过低时，会失去必要的润滑能力，柱塞副的润滑状况变坏，加剧喷油泵和喷油器中精密偶件的磨损，增大精密运动副的漏油量，泄漏也增加。粘度过大，流动阻力大，滤清困难，喷雾不良。 四、柴油的凝点 温度降低时，柴油开始析出固态石蜡而呈混浊状态的温度称为浊点。温度继续下降，柴油失去流动性的温度称为凝点。柴油达到浊点时，虽然仍具有流动性，但流动性严重下降，石蜡结晶颗粒容易堵塞滤清器和油路会导致供油困难甚至供油中断，柴油机无法正常工作。为保证柴油机在较低的温度下能正常工作，要求柴油应有较低的凝点，凝点与浊点的温差小。选用柴油时，一般要求凝点比最低工作温度低35以上，浊点不得高出凝点7。

4、我国的柴油规格就是以凝点编号的；例如：国产0号柴油，它的凝固点为0，适合于夏季使用。20号柴油凝固点为20，适合于冬季或寒冷地区使用。 第二节 柴油机混合气的形成化学能热能燃烧机械能膨胀做功一、混合气形成的特点 与汽油机相比，柴油机的混合气形成有如下的特点。首先是柴油机的混合气形成只能在气缸内部进行；其次是混合气形成所占时间甚短，一般占1535曲轴转角，在0.00070.003秒的时间内燃油经历破碎雾化、吸热、汽化、扩散与空气混合等过程，因而混合气成分在燃烧室各处很不均匀，而且随着燃油的不断喷入在不断改变。这就迫使柴油机的过量空气系数远大于汽油机。柴油机的过量空气系数一般为1.21.5，致使气

5、缸工作容积利用率降低。二、柴油机混合气形成方式1. 空间雾化混合較高噴油压力破碎雾化燃料燃燒室吸热蒸发混合混合气优点：无进气涡流，简化进气道，充量系数较高。 缺点：供油设备的制造和调试水平要求高；最高燃烧压力和最大压力升高率较高，内燃机工作粗暴；热应力和机械应力较大；最高燃烧温度较高，NOX排放率较高。1）大、中型柴油机：缸径大，燃燒室体积大，可在无涡流或弱涡流下，依靠喷油系统提供良好的喷雾条件来实现直喷式燃烧室；2）中、小型柴油机：除依靠喷雾条件的改进，还必须依靠强烈的涡流运动分隔式燃烧室；2. 油膜蒸发混合大部分燃油燃燒室壁油膜蒸发汽化混合气混合热分层效应进气涡流压缩涡流有效利用空气1）2

6、）少部分燃油以油雾形式分散在燃烧室空间，完成着火准备，形成火源，点燃油膜蒸发混合形成的可燃混合气。 控制燃烧室的壁温和油量，可抑制燃烧前期的反应，控制燃烧过程的进展。优点： 1）着火延迟期中的可燃混合气数量少，压力升高比较低，柴油机工作柔和、噪声小；抑制燃油在燃烧前的热裂解，减少碳烟形成。 2）油膜蒸发混合方式对供油系统及其设备和喷油压力要求较低；喷孔数量少、孔径较大，喷油系统故障较少；最高燃烧压力和最高燃烧温度不太高，热应力和机械应力较低； NOX排放少；热分层效应，有利于空气的有效利用。1）对供油系统及进气系统的变化较敏感，因而燃烧过程的稳定性差；2）冷起动较困难，HC排放率较高；3）由于

7、需要强涡流匹配，螺旋进气道使充量系数下降，因而转速不能太高；4）可增压性较差。三、燃油的喷雾目的：增加蒸发表面积，增加燃料与氧气接触机会，达到迅速混合。1. 油束（喷注）的形成及特性 燃料以很高的压力和速度从喷油器的喷孔喷出，形成圆锥状的油束。缺点：3）雾化质量 喷雾细度：用油束中油粒的平均直径表示。 均匀度：油粒直径相同的程度。 多油束在燃烧室空间的分布对整个燃烧室内混合气形成的影响与喷油器喷孔的数目、分布、喷油器的安装位置等因素有关。2. 影响油束特性的因素1）喷油嘴构造结构不同，引起油束形成的内部扰动不同。（1）多孔喷油嘴：对雾化质量要求高的直接喷射式柴油机； 喷油压力、介质反压力、喷孔

8、总面积不变时，增加喷孔的数目，每个喷孔的直径减小，节流作用增大，在喷孔内的扰动增加，因此雾化质量提高； 如果加大喷孔直径，则油束核心稠密，射程加大。（2）轴针式喷油嘴：针阀头部伸入喷孔中，形状为锥形或柱形；2）喷油压力 喷油压力越大，燃油初速度越大，在喷孔中燃油的扰动程度及流出喷孔后受到的介质阻力也越大，使雾化的细度和均匀度提高，雾化质量提高。 喷油压力大，高压油管容易涨裂，喷油器容易磨损，对喷油管的制造要求越高。 喷油器说明书上的压力为针阀的开启压力，一般为1020MPa，高压油管中压力一般为50MPa。3）介质反压力 介质的密度增加，反压力增大，作用在油束上的空气阻力增加，有利于燃料雾化，

9、喷雾锥角增加，射程缩短。4）喷油泵凸轮外形及转速 凸轮形状陡峭或转速较高时，均使喷油泵的柱塞供油速度加快，节流作用加大使燃油压力增加，喷油速度增大，雾化变好，射程和喷雾锥角增加。 柴油机的燃烧过程，可以用高速摄影、光谱分析、抽气分析、展开示功图分析。 根据燃烧过程进程的实际特征，一般把燃烧过程分为四个阶段。第三节 柴油机的燃烧过程燃烧过程：着火过程和燃烧过程，从压缩末期喷油至膨胀行程燃烧终点。第阶段，滞燃期（着火延迟阶段）：喷油始点至着火始点。12段 在滞燃期，喷入气缸的燃料经历一系列的物理、化学变化过程。 （应缩短）柴油机的燃烧过程1-开始喷油；2-开始着火；3-最高压力点；4-最高温度点；

10、5-燃烧基本完成第阶段 速燃期：从着火点到压力最高点23 着火延迟期内的燃料几乎一起燃烧，而且是在活塞靠近上止点附近、气缸容积较小的情况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。 一般用平均压力升高率来表示压力升高的程度，即压力升高率决定了柴油机运转的平稳性，如果压力升高率太大，则柴油机工作粗暴，运转零件受到很大的冲击负荷，发动机寿命减短。为保证柴油机运转的平稳性，平均压力升高率不宜超过第阶段 缓燃期：压力最高点至温度最高点34 大部分燃料在此阶段燃烧。放热量占总量70%80%。 缓燃期缸内温度很高，滞燃期很短，如果燃油和空气不能充分混合，在高温缺氧条件下，燃油裂解生成碳烟，经济性下降，排气冒黑烟。

11、加速缓燃期混合气的形成，完善燃烧的先决条件，也是柴油机燃烧过程组织的一大关键。 柴油机=1.3时，30%的空气未利用，所以容积利用率低，比质量、升功率不如汽油机。第阶段 补燃期（后燃期）：温度最高点至燃料基本燃烧完毕。45 一般认为放热量达到总量95%97%结束。 柴油机特别是高速、高负荷时，过量空气系数小，混合气形成和燃烧时间更短，补燃更严重，甚至拖到排气行程。 热量不能有效利用，增加了散往冷却水的热损失，排气温度升高，零件热负荷增加，经济性和动力性降低。应缩短。第四节 影响柴油机燃烧过程的主要因素一、使用因素的影响 1燃油性质的影响 柴油的十六烷值和馏程是影响燃烧过程的重要因素。十六烷值高

12、，柴油的着火性能好，可以缩短着火延迟期。因此，选用十六烷值较高的柴油，柴油机的工作可以柔和一些，低温起动性能也较好。馏程表明柴油的蒸发性，馏程低的柴油，易于蒸发和空气混合，可以缩短着火的物理准备时间。 柴油的十六烷值和馏程要选择适当，互相配合。一般高速柴油机选用的十六烷值约为4050，馏程约为200350。如果柴油的十六烷值过高，则蒸发性不好，在高温条件下柴油分子容易裂解生成碳烟。馏程过低的柴油着火性差，则使柴油机工作粗暴。2喷油提前角的影响 喷油提前角偏大，使得燃油喷人气缸时空气的压力和温度较低，着火延迟期较长，压力升高率和最高燃烧压力增大，导致柴油机工作粗暴。喷油提前角过大，使得柴油机冷起

13、动和怠速时空气温度更低。过早的喷油会使起动困难，怠速不良。喷油提前角过大，还会使压缩负功增大，功率下降，油耗增加。 喷油提前角过小，则燃油不能在上止点附近燃烧完毕，补燃量增加，虽然压力升高率 和最高燃烧压力较低，但排气温度升高，废气带走的热量增加，散给冷却系的热量也增加，热效率明显下降；但适当减小喷油提前角，可防止柴油机工作粗暴。对于每一种运转情况，均有一个最佳喷油提前角，此时柴油机功率最大，燃料消耗率最小。正确地选择柴油机的喷油提前角要根据柴油机的型式、转速、燃料消耗率、噪声等由试验确定。柴油机喷油提前角的大致范围是1535曲轴转角。 3转速的影响 转速对着火延迟期有较大影响。它是通过压缩温

14、度和压力、喷油压力及空气扰动等因素起作用。转速升高时，由于通过活塞环的漏气损失及散热损失减小，使压缩终点的温度、压力升高，转速升高会使喷油压力提高，从而改善燃油的雾化；转速升高又使燃烧室中空气涡流增强，促进燃料的蒸发、雾化与空气混合。这些均有利于着火的物理准备与化学准备，使以秒计的着火延迟期缩短，有利于保证燃料的燃烧。但是，以曲轴转角计的着火延迟期要视具体结构而定。这要看，随转速升高减小的程度。转速升高时，可能增大，也可能减小。 一般来说，转速升高有利于混合气形成与燃烧，因此在使用中，应尽量使柴油机维持较高的转速运转。但柴油机的转速不易过高，因为在负荷一定时，随转速提高，充气效率会下降，而喷油

15、泵的循环供油量会增加，过量空气系数减小，燃烧过程所占曲轴转角可能加大，因此转速过高会导致热效率下降，排气污染加剧。为了保证燃烧效率，有时需要适当加大喷油提前角。 4负荷的影响 柴油机的负荷调节是通过改变供油拉杆的位置改变喷入气缸的柴油量的多少改变负荷，是质的调节。当负荷增加时，每循环供油量增加，由于转速一定时，进入气缸的空气量基本不变，过量空气系数减小，单位气缸容积内混合气燃烧放出的热量增加，使气缸内温度升高，着火延迟期缩短，因此，柴油机工作柔和。 随负荷的继续增大，由于每循环供油量增加，使喷油延续角增加，因而总的燃烧过程拖长；并且过量空气系数减小，不完全燃烧程度增加，这些均引起热效率下降。 负荷过大时，因空气不足，混合气过浓，燃