第三章燃烧过程及排放

三、燃烧过程的影响因素影响柴油机燃烧过程的因素主要有以下方面1.燃油品质.在燃油的性能指标中。十六烷值(CN)对燃烧过程影响最大。十六烷值高，自燃性好，则滞燃期短，燃烧平稳.但过高的十六烷值，使燃油容易在高温下裂化分解为游离碳，造成燃烧不完全，柴油机冒黑烟；反之，十六烷值低，自燃性能差，滞燃期长，燃烧过程粗暴(即燃烧敲缸)。低速机对i较不敏感，对十六烷值要求不那么高。低速机燃烧时间长，i期间喷入的燃油仅占15％～30％（高速机可达100％）,因此燃油的十六烷值要适当，当燃油品质发生变化时，应适当调整柴油机的参数。如当换用十六烷值较低的燃油时，应根据需要适当增大供油提前角。其次，燃油挥发性差，滞燃时间增长；粘度高，雾化质量差，滞燃阶段增长。加入某种添加刘(如助燃剂等)可改善燃他的燃烧性能。

2．缸内工质状态工质状态的主要参数是压缩终点的空气温度、压力和扰动，其中以温度对燃烧过程的影响为最大。压缩终点温度愈高，滞燃期愈短，柴油机工作愈平稳.气缸内的压缩温度及压力主要取决于压缩比和气缸冷却水的冷却情况，以及活塞环和气阀是否处于密封状态。同时应避免冷车起动柴油机，起动前必须进行暖缸。压缩比过小，使滞燃阶段过长，柴油机工作粗暴，整个燃烧过程后移，燃烧不完全，排温升高，机件热负荷增大，可靠性降低。当压缩比减小后，应立即调整恢复正常，否则压缩压力和温度都会降低。空气的扰动有加速燃前和燃烧过程中混合气形成的积极作用，同时也影响燃油喷射的穿透距离.3．喷油定时喷油提前角对柴油机的燃烧过程有直接影响。如提前角太大，则由于喷油时气缸内的压力和温度较低而使滞燃期延长，最大爆发压力及压力升高率增大，从而使柴油机工作粗暴.如图曲线1所示。由图中左上角喷油始点标记曲线可知，曲线1喷油提前角约为上止点前40℃A，相应的滞燃角约为30℃A；若喷油提前角过小、将因着火前缸内温度与压力已下降，而使滞燃期也增长，但活塞已下行使最高爆发压力降低，后燃增加，排气温度上升，如图曲线6。图中曲线6喷油提前角为上止点前10℃A，相应的滞燃角约为40℃A。

因此,每一种柴油机都有一个最佳的喷油提前角，使燃烧过程比较合理，既有较高的经济性和动力性，又能平稳运转。在可靠工作的前提下，经济性最好的喷油提前角（其pmax等于设计值）。(通常在上止点后10℃A—15℃A，经济性高).在管理中要定期进行测量调整，保持这一最佳的喷油提前角。增压柴油机为了限制pmax，标定工况下的供油提前角取得偏小，主要燃烧阶段适当后移。保证了可靠性，牺牲了一点经济性。同一柴油机不同负荷时有不同的最佳喷油提前角。负荷较小时，pmax较低，把喷油提前角适当加大，可使ge降低。同一柴油机燃用不同的燃油，最佳喷油提前角也不同。由柴油改烧重油时，由于重油燃烧缓慢，pmax下降，应适当加大供油提前角，提高pmax，减少后燃，可使ge降低。4．雾化质量

雾化质量好将使滞燃期缩短，柴油机工作平稳，同时燃油细粒能与空气均匀混合使燃烧完全。船用大、中型柴油机中，燃油的雾化质且主要取决于喷油设备。若喷油设备不正常，则将直接影响柴油机的燃烧质量。

5．换气质量

换气质量好，进入气缸的新鲜空气量增多，燃油燃烧时有足够的氧气与之化合，燃烧完全。影响换气质量的因素主要有气阀定时，气口(阀)、气道的清洁程度，增压系统(如增压器、空冷器等)的工作状态等。对于增压柴油机来说，换气质量要比非增压柴油机的高，故其燃烧要比非增压柴油机完全。增压度越高，增压系统的工作状态越是严重影响着进入气缸的空气量。所以，越应确保增压系统工作良好。6.运转工况柴油机转速的变化对滞燃期和整个燃烧过程都会发生影响。柴油机转速上升，活塞平均速度相应上升，气缸漏气及散热损失减少，压缩温度和压力将上升。同时，转速升高能使喷油压力提高，燃油雾化变好，加速了着火准备过程。此外，转速升高时，燃烧室内的空气扰动加剧，促使油气混合。综上所述，转速升高能提高混合气形成的速度，使滞燃时间i有所缩短。

另一方面，转速升高，曲柄每转过1˚所需的时间减少得比i更快（按比例），会使滞燃角增大。在这段滞燃角内喷入气缸的燃油增多，从而使速燃期的pmax和dp/d增大。此外，转速的升高使得以曲轴转角计的喷油过程延长，特别是燃烧过程不可能与转速的升高成比例地加速进行，后燃加剧。但这种影响将因气缸内扰动的加强而得以减轻。所以转速的影响则视发动机具体情况而定。柴油机的负荷对滞燃期i也有间接影响。当负荷增加时，每循环喷油量增加，气缸内的总发热量也随之增加，使燃烧室壁温提高，使滞燃期i稍有缩短。但是在负荷增加时，因每循环喷油量增多和喷油过程的延长，总的燃烧持续期几乎是成比例增长的，其最大燃烧压力提高，后燃加剧。至于平均压力升高率p/的变化则随机型而异，一般低增压四冲程柴油机，随着负荷增加p/有所下降，高增压二冲程柴油机则可能上升。供油规律对燃烧过程的影响比较是在相同的转速、循环供油量、滞燃阶段1～2下进行的，用第Ⅰ种规律工作的柴油机工作柔和。而用第Ⅱ种规律工作的柴油机工作粗暴。

四、改善燃烧质量的措施根据上述对燃烧过程分析可以看出，一个完善的燃烧过程应具有以下特点：控制滞燃期内的喷油量以保证柴油机燃烧柔和；燃烧在上止点附近发生，燃烧压力应迅速升高到限定的最高爆发力并基本以此不变的压力按等压过程燃烧；燃烧持续时间不应过长(通常，燃烧持续期不超过40℃A)；主燃期燃烧完全，后燃最少.

一个完善燃烧过程的特点。其燃烧放热率应先缓后急，即开始放热要适中以满足柔和运转的要求，随后燃烧加快，加速扩散燃烧阶段的放热率，使燃烧在上止点后附近(一般为40℃曲轴转角)结束，图中的实线为燃烧过程的放热率曲线，虚线为燃烧过程的总放热量曲线。从放热率曲线的形状来看，可将其分为三个阶段：第一阶段相当于放热率曲线的ab段。这一阶段的特点是放热率非常高，它对应于气缸气体压力迅速上升的阶段——急燃期。延续时间比较短，约占5˚～7˚曲柄转角；其累积放出的热量约占循环总热量的20％。这一阶段燃烧的特征是预混合燃烧，即在滞燃期内准备好的可燃混合气发火并全部燃烧完毕。

第二阶段相当于放热率曲线的bc段。这一阶段放热率比第一阶段的放热率有所降低，其延续时间约为40˚曲柄转角，所放出的热量约占全循环总热量的60％，它对应于燃烧过程的第三阶段——缓燃期。本阶段燃烧的特征是扩散燃烧。【预混合燃料已耗尽，放热率受燃料与空气混合速率的控制。由于燃料仍在继续喷入，因此燃烧放热将取决于燃料喷射过程以及燃料与空气的混合和扩散过程。一般来说，随着火焰前锋面积的扩大，燃烧速度也有所提高，因此放热率曲线出现一个驼峰。】放热规律的第一阶段与第二阶段累积已有80％的总热量放出，可以说绝大部分热量已在第二阶段结束前放出。第三阶段相当于放热率曲线上的cd段。它存在于膨胀行程，是放热过程的尾部，放热量很小。它对应于膨胀过程中的后燃期。这一阶段放出的热量约占循环总热量的20％，延续时间约为60˚曲柄转角。通过对燃烧过程的理论分析与试验表明，以下措施可改善柴油机的燃烧质量。首先，从设计方面，可采用特殊形状的燃油凸轮，保证初期喷射速度低，而后期喷射速度增加并在短时间内完成喷油；采用油膜蒸发燃烧方式以保证燃烧柔和；采用分级喷射，即同一气缸有两个油泵柱塞，初期由其中一个柱塞供油，随后两个柱塞同时供油,用变压缩比活塞以及变喷油定时等。其次,运转管理方面，注意以下几点：（1）确保换气质量良好。为了做到这一点，增压柴油机还要维持增压器有良好的工作性能，使进入气缸中的空气得到保证。应根据情况及时清洁进、排气口和进、排气通道。有气阀的柴油机应确保有正确的气阀正时。此外，还要注意活塞环和气缸套的磨损情况，以保证进入气缸内的空气不致过多的漏泄。在空气方面为燃烧过程创造有利条件。(2)燃油品质。燃油的质量应满足使用要求，应重视燃油使用前的预处理(预热与净化)质量。

(3)气缸压缩温度。保证燃油压缩发火的足够温度，如活塞压缩状态、气缸的冷却等。(4)确保喷射系统正常工作。(5)日常例行管理.（1）观看排气颜色。柴油机排气的正常烟色是隐约可见的淡灰色。若发现冒黑烟，则表示燃烧不正常。但要判断哪一只气缸不正常，则还须观察各缸排温而定。一般燃烧不正常的气缸排温要比正常的气缸高。（2）察看各缸排气温度。若某一缸排气温度低于一般平均值，则可能是由于该缸喷油量较小而使负荷不均，也有可能是喷油提前角过大。若某一缸排气温度超过平均值较多，则有两种可能：一是该缸喷油量太多而超负荷；二是由于喷油设备发生故障而出现严重后燃现象。至于究竟属于哪一种情况，还须从其它方面进行观察。（3）测量气缸最高爆发压力。用爆压表直接测出最高爆发压力值。一般来说，根据最高爆发压力值，即可大致判断出各缸供油提前角的变化。最高爆发压力值过高，则可能是喷油泵的供油提前角过大。同时，测取各缸压缩压力，可以判断各缸的压缩状态。（4）测取各缸示功图。根据示功图可计算出各缸的平均指示压力、功率，以检查各缸负荷是否均匀。同时，测取各缸的转角示功图，以便判断各缸的燃烧情况。柴油机排气冒黑烟的原因:1.柴油机超负荷.2.压缩压力不足.由于终点温度不高引起燃烧不良而冒黑烟.3.燃油喷射压力过低.启阀压力太低.4.喷油孔堵塞或滴油.5.空气滤清器堵塞,扫气压力低,进排气口结炭严重.6.喷油定时过晚.六、柴油机的热平衡燃油在气缸中燃烧所放出的热量并不能全部转化成有效功，大约只有40％一55％的热量转化为有效功，其余的45％一60％的热量为各种形式的损失。将单位时间内燃油的热量转化的有效功、废气带走的热损失、冷却介质带走的热损失以及其余热损失的热量的利用与分配情况称为柴油机的热平衡。在柴油机热平衡中各项热量的分配情况大致如下：

qe＝30％一55％；qr=25％一40％；

qw＝10％一30％；qs＝2％一10％通过对柴油机热平衡的分析可知尽量减少或充分利用qr和qw的重要性。尤其qr，不仅数量多而且因其温度较高，可利用程度较大。qw的数量也较大，但其温度较低，转化为有用功的能力较差，在利用上存在一定难度。目前国内外研究的绝热发动机即为减小qw的一种方案。第六节柴油机排气污染与净化柴油机排出的废气是主要的大气污染源之一。近代，由于大气污染日益严重，人类生存环境的日趋恶化，故对柴油机排放物严格限制。目前，对船舶柴油机的排放物也开始制订有关限制性指标。如已经实施的我国（GBn267-87）对运输、船用柴油机的排放限制中规定：当pe＞300kPa时，在ge≤214g／（kW·h）时NOX限值为29g／（kW·h）；在ge=214g／（kW·h）～268g／（kW·h）时，NOX限值为25g／（kW·h）～14g／（kW·h）；在ge＞268g／（kW·h）时，NOX限值为11g／（kW·h）。而根据最迟于1999年12月31日实施的国际海事组织《MARPOL73／78公约》中关于船舶造成大气污染的新附则【附则Ⅵ】中的规定，对船舶主机排放限制更为苛刻。其对排放限制主要有两点：其一，关于NOX限值，低速机为13g／（kW·h）；中速机为11g／（kW·h）；高速机为9g／（kW·h）。其二，关于SO2限值，使用的燃油硫分不得大于1.5%。一些经济高度发达的国家对柴油机排放的限制尤为苛刻，其处罚也尤为严厉。

一、柴油机排气污染物及其危害

1．废气有害成分柴油机排出的废气是由燃烧产物与剩余空气组成的。依其对人类的危害性可分为有害成分和无直接危害(简称无害)成分两类。无害成分为燃料的完全燃烧产物，如二氧化碳(CO2)、水蒸气(H20)、过量空气以及残余氮(N2)等。它们对生物无直接危害。有害成分又称污染物，包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化物(HC)、二氧化硫(S02)、臭氧和微粒物质(如炭烟、油雾等)。这些直接从柴油机排出的有害成分又称一次有害排放物。还有一些成分如C02，虽然不会对环境产生直接危害，但由于C02的大量聚积会形成地球气候的温室效应而成为有害。又如HC和NOx：在大气中经光化学反应后可生成新的有害物。这些统称为两次有害排放物。因而，我国有关标准把废气中有害成分及C02和炭烟等统称排放物，简称排放。2．柴油机排放物的危害

1)微粒物质柴油机排出的微粒物质主要有黑烟、蓝烟和白烟。排气中的黑烟是燃油不完全燃烧生成的炭烟。黑烟不但影响视线，对人的呼吸系统产生危害，而且由于在炭烟微粒的孔隙中吸附有SO2和多环芳香烃，有致癌的危险。研究发现，大小在0.1~0.5μm的炭烟微粒对人体的危害最大。在我国用烟度单位计量炭烟。

蓝烟和白烟往往发生在柴油机起动和低负荷运转之时，它们都是燃油或润滑油的微粒，但粒度不同。蓝烟的粒径在0.5μm以下，而白烟的粒径在1μm以上。在蓝烟和白烟排出的同时，由于有燃烧中间生成物（如甲醛等）排出，故有刺激性与臭味。

2）NOX

柴油机排气中的NOX主要是NO和NO2（故NO与NO2统称NOX）。NO的毒性不大，在低浓度时对人体无明显危害，高浓度时能造成人体和动物中枢神经系统障碍。同时NO容易在大气中氧化成剧毒性的NO2。NO2是一种棕色的刺激性气体，吸入人体后与血红蛋白作用成为变性血红蛋白，使血液的输氧能力下降。据报导，人只要处在NO2含量100ppm～150ppm的环境中0.5h～1h，就会因肺气肿而死亡。氮氧化物的另一大危害是在光化学反应下产生臭氧、醛和PAN（过氧化酰基硝酸盐）等。臭氧具有极强的氧化力，使植物变黑，橡胶发裂，人体发生肺气肿；而醛对眼睛、上呼吸道、中枢神经等都有危害。PAN的毒性介于NO和NO2之间。

3）HC未燃的碳氢化合物HC成分复杂，对人类的危害不能简单地用总浓度衡量。其中的大部分对人体健康的直接影响不明显，如其中的甲烷无毒。而醛类和多环芳香烃（如3.4苯并芘(嵌二萘)等）已确认为致癌物质。另外，HC又是形成光化学烟雾的重要物质，在阳光作用下与NOX进行光化学反应，形成一种毒性较大的浅蓝色光化学烟雾，生成的O3对人体及生物有严重影响。3，4苯并芘是由5个苯环构成多环芳烃，是1933年第一次由沥青中分离出来的一种致癌烃。难溶于水，环境中3，4苯并芘的主要来源于工业生产和生活中煤炭、石油和天然气燃烧产生的废气；机动车辆排出的废气；加工橡胶、熏制食品以及纸烟与烟草的烟气等。据报道，一包香烟内含有0．32µg的3．4苯并芘，每烧1kg煤，可产生0.2lmg;100g煤烟中含6．4mg；汽车排气中的炭黑、每1g中就有75．4µg，这种汽车每行驶1h，就排出大约300µg的3．4苯并芘。大气中致癌物质有3．4苯并芘、二苯并芘等十多种多环芳香烃。由于3，4苯并芘较为稳定，在环境中广泛存在，且与其他多环芳烃化合物的含量有一定相关性，所以都把3．4苯并芘作为大气致病物质的代表。随着城市大气污染的增加，呼吸道癌症发病率、肺癌死亡率显著增加。3，4苯并芘是一种强的环境致癌物，可诱发皮肤、肺和消化道癌症，是环境污染主要监测项目之一。

4）COCO是无色、无嗅的有毒气体。吸入人体后能与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，导致人体组织缺氧，发生恶心、头晕等，严重时窒息死亡。在柴油机的排气中CO含量较少，只在满负荷和低负荷运转时CO排出较高。

5）SO2SO2是燃油中的硫分在燃烧中的产物。SO2具有刺激性，直接损害人的眼鼻和喉粘膜,引起呼吸器官炎症。另外，SO2进一步氧化产物SO3与水分作用形成硫酸并形成酸雨，影响自然界的生态平衡。

6）臭气排气中的臭气由多种成分组成，除O3、NO2外，主要是燃油的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等。

二、柴油机排气污染物生成机理及控制措施

1．排气污染物生成机理

1）NOX

柴油机燃油仅含微量氮分，形成的NOX很少，称“燃料氮氧化物”。排气中的氮氧化物NOX主要由空气中的氮在高温下氧化生成的，称“热氮氧化合物”，其氧化反应机理（采尔道维奇Zel

dovich原理）如下：

O+N2⇌NO+NN+O2⇌NO+ON+OH⇌NO+H即氧气在高温分解时产生氧原子（O）。分子状态的氮（N2）与原子状态的氧碰撞，或氧分子与氮原子碰撞均生成NO。由对上述链锁反应的研究可知，NO的生成主要与燃烧室中氧气的浓度、反应温度以及在高温下燃气的停留时间等因素有关。

燃烧室温度升高、氧气浓度增加、燃气在高温区滞留时间增长均使NO增加。可见，参与预混燃烧的燃油量多，将因其最高的温度和最长的焰后反应时间使NO生成量增加。因此，直喷式燃烧室生成的NO浓度也明显大于分隔式燃烧室。2）HC

排气中的未燃烧碳氢化合物HC是由未燃烧燃油、分解的燃油分子或燃油燃烧的中间产物（如醛、醇等）所组成的，少部分产生于润滑油。由此，HC排放物是由可燃混合气形成条件和燃烧不良所引起的燃油不完全燃烧形成的。如喷油设备工作不正常，喷油器结构不合理等。

3）COCO是燃油不完全燃烧的产物，主要是在缺氧或过低温度下形成的。在柴油机中由于过量空气系数α较大，在预混合燃烧中产生的CO可以在随后的扩散燃烧中进一步氧化成CO2，所以柴油机排放物中的CO一般比汽油机少，不会超过规定标准。3）SO2

4)SO2是燃油中的硫分燃烧产物，其生成量主要取决于燃油的硫分。

5）微粒物质柴油机排气中的微粒物质分为黑烟、蓝烟和白烟。烟色不同，形成的机理也不同。黑烟由碳烟粒子构成，主要成分是碳元素。柴油机排气中的黑烟是燃油在燃烧过程中经历一系列物理化学变化后形成的。形成机理目前尚在探讨之中。比较一致的观点是燃油在高温区缺氧热裂成碳烟核心，此碳烟核心经历表面增长和凝聚过程最后形成碳烟粒子随排气排出。

白烟是由未经燃烧的燃油和滑油以液滴状态组成的。它们的液滴直径在1μm以上随废气排出形成白烟。白烟多在低负荷及低温起动时出现，由于此时缸内温度较低，燃烧不好。通常，正常负荷运转时不再形成白烟。蓝烟是由燃烧不完全的燃油与滑油凝结呈微粒状态而形成的，其微粒直径在0.4μm以下，这种微粒由蓝色光折射成蓝烟。蓝烟多在低负荷运转时产生，因此时缸内温度较低，燃烧不好。2．排气污染物的净化措施对柴油机排气污染物的净化措施很多。但却没有一种单项措施能够有效地降低排气污染物而不影响柴油机的运转经济性。如根据NO：的生成机理可知，欲降低NOx含量，可降低燃烧过程中的最高温度。但如此则同时降低了柴油机的经济性，而且还可能使炭烟和未燃的HC含量增加.因此，在采取降低污染物的措施时，应权衡利弊，综合治理，在降低污染物与保证满意的经济性之间采用最佳的折衷方案。

降低柴油机排气污染物可大体分成前处理、机内处理与后处理三种方案。

1）前处理前处理是对燃油或空气在进入气缸前进行预先处理，以期减少缸内过程中所产生的有害排放物。如对燃油去硫、减少芳香烃含量、精细过滤、乳化、磁化、添加添加剂；对空气的喷水、废气再循环等。目前还没有任何一种机内处理方法可以抑制硫化物生成，因此，预先去硫是减少硫化物的最可靠方法。对于使用高硫分燃油的柴油机，为了降低硫化物含量使之符合有关规定，燃油去硫（减少硫分）可能是今后优先使用的措施。应用乳化技术在燃油中掺水或在进气管中喷水均因水蒸汽的汽化潜热和比热较大，降低缸内温度，增加了缸内OH基以及因乳化油滴的“微爆”现象，提高了雾化质量从而大大降低NOX和碳烟污染物。同时乳化燃油尚可提高经济性。但可能造成气缸部件锈蚀及水污染滑油等问题。