柴油机的燃烧与排放

概述-燃油喷射技术发展里程碑概述-柴油喷射技术应用范畴概述-柴油喷射装置性能参数柴油发动机的燃烧过程1着火落后期

从燃油喷入气缸至燃油开始着火这段时间燃油进行物理准备和化学反应准备。物理准备包括着火前的燃料雾化、蒸发以及和空气的混合。燃油的雾滴大小、空气和燃油的相对速度、空气的密度和温度影响物理准备的时间长短。化学准备主要是燃油历经醛、过氧化物、碳氢自由基等中间产物的链式反应过程。这些化学放映受到温度和燃烧室内局部的空气燃料比的影响。由于化学反应速度缓慢，气缸压力和温度的变化小到可以忽略不计，因此这一阶段的压力和温度主要取决于压缩过程。柴油机的燃烧过程2速燃期从燃料开始着火到迅速出现最高压力点为止。对高速柴油机而言最高压力点一般在上止点5-6度曲轴转角出现。特点：火源迅速形成，燃烧速度迅速加快，放热速率在这一阶段终了时达到最大，放热量约占总方热量的1/3左右；气缸内的压力和温度急剧上升，燃烧最高压力达60-90kgf/cm2；燃料进一步喷入燃烧室（喷入量随着火落后期和喷油延续期而定），引起混合气浓度提高。由于速燃期内燃料迅速燃烧，气缸内压力和温度急剧上升，压力升高率（单位曲轴转角的压力升高值）较高。如压力升高率超过4-6公斤/厘米度,会对柴油机的受力部件产生冲击性气体压力符合,并伴有尖锐的敲击声，即柴油机工作粗暴。柴油机的燃烧过程3速燃期速燃期中的燃烧主要取决于着火落后期内的喷入燃烧室内的燃料的数量及其物理化学准备的情况。如着火落后期过长，而且在此期间喷入的燃料量很多，一旦着火燃烧，火焰迅速向各处传播，燃烧速率高，气缸的压力升高率增加，柴油机势必工作粗暴。因此控制着火落后期是影响柴油机燃烧过程的过程的一个重要手段。但工作粗暴的柴油机，其动力性、经济性不一定差。柴油机燃烧过程4缓燃期缓燃期是从最高压力开始到出现最高温度阶段。最高温度一般出现在上止点后20-35度曲轴转角。特点：燃烧以很快速度继续进行，到缓燃期终了，放热量占总循环放热量的70-80%；在此阶段通常喷油已经结束，由于废气增多，氧和燃料的浓度下降；温度升到最高值（达1700-2000oC），但由于活塞下运动，压力略有下降；燃烧室内中间产物的浓度迅速下降，而最终产物的浓度迅速上升。在缓燃期内。开始时燃烧很快，后来由于燃烧室内氧气减少废气增多，燃烧条件变得不利，所以后期燃烧越来越慢。柴油机的燃烧过程5缓燃期在缓燃期中某些燃料时在高温缺氧的条件下进行燃烧的，可能会燃烧不完全产生碳烟随废气排出，影响燃料经济性和排气净化。缓燃期的主要问题是燃料的燃烧速度与混合气形成速度间的矛盾。如果加强燃烧室内的空气运动，可加速向燃料供给氧气，改善混合气形成质量，就能加速燃烧，缩短缓燃期，使燃烧完全，进而提高柴油机的动力性和经济性。柴油机的燃烧过程6补燃期补燃期是从最高温度点开始的一段时间，其终点很难确定，实际上很可能一直延续到开始。一般认为放热量达到循环放热量的95-97%时就算补燃期结束。在有的高速柴油机中补燃期可能占整个混合气行成与燃烧时间的50%左右。特点：燃烧速率降低，且慢慢的停止燃烧，因此放热速率也逐渐减小到零；由于气缸工作容积增大，温度和压力降低。柴油机的燃烧过程7补燃期在补燃期中，由于气缸内的温度下降，气流运动减弱，废气量增多，燃烧条件比缓燃期更坏，形成碳烟的可能性更大，且由于补燃期在膨胀过程中燃烧，因此放出来的热量转变成有效功很少。相反却使发动机的热负荷增加，排气温度升高传给冷却水的损失增加，导致发动机的经济性和动力性下降。因此总是希望补燃期缩短。加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，是燃料与空气充分混合，并减小缓燃期的喷油量，是燃烧能在上止点附近完成。为了柴油机工作可靠(尤其是冷起动的可靠性),应该保证燃料良好的发火条件。为了柴油机工作柔和，燃烧噪音小，寿命长，速燃期内的压力升高率和最高燃烧压力不超过一定的限度，应尽可能缩短着火落后期，减小在着火落后期内形成的做好燃烧准备的混合气量。为了燃烧完全及时，提高柴油机的动力性和经济性，减少排气烟量，应改善和加速燃烧后期及缓燃期中燃料与空气的混合，提高后期的燃烧速率，减少补燃。柴油机燃烧过程小结柴油发动机燃烧过程—影响柴油机燃烧过程的因数1

压缩比在柴油机中,为了保证燃料可靠的发火燃烧,压缩过程终了的空气温度应超过柴油的自燃温度,因此要有足够高的压缩比。压缩比增加，压缩终了时的温度和压力上升，燃料的蒸发和化学反应均被加速，着火落后期缩短，因此速燃期的压力升高率降低，这对于防止柴油机的工作粗暴是有利的；同时提高压缩比对于柴油机的冷起动也是有利的。压缩比过高燃烧压力过分增加，影响发动机的寿命。压缩比根据发动的具体使用情况而定。柴油发动机燃烧过程—影响柴油机燃烧过程的因数2喷油规律喷入气缸的喷油量随曲轴转角的变化关系称为喷油规律。按喷油规律1工作，着火落后期喷入气缸的燃料量较少，速燃期内压力升高率因而较低，是柴油机工作柔和，但燃烧时间延长，热效率降低。在其他条件相同的情况下，循环供油量相同的情况下，如按喷油规律2则在着火落后期内喷入气缸的燃油量增多，速燃期内压力升高率增大，燃烧时间缩短，使柴油机功率和热效率提高，但工作较为粗暴。用调整供油规律的方法控制柴油机工作粗暴和调整热效率时非常有效的。影响柴油机燃烧过程的因数3喷油提前角喷油提前角是指由喷油开始到活塞上止点的曲轴转角。增加喷油提前角，由于燃料喷入到压力和温度不高的空气中，物理和化学准备的条件较差，着火落后期延长，导致速燃期内压力升高率增大和工作粗暴；但喷油过迟，燃烧会在膨胀过程中进行，因而压力升高率降低，最高压力降低，排气温度增加，冷却热损失增加，热效率降低。对每一种柴油机，均有一个最佳的喷油提前角。柴油发动机燃烧过程—影响柴油机燃烧过程的因数4最佳喷油提前角最佳喷油提前角必须通过试验方法制取柴油机的喷油提前角调整特性。这种特性是在转速和喷油量一定的情况下制取的。

柴油发动机燃烧过程—影响柴油机燃烧过程的因数5转速和负荷转速

当转速增加时，燃烧室内的空气流动增强，同时还提高了喷油压力，使得燃料与空气的混合得到改善，所以以时间计的着火落后期随着转速的增加而缩短，但是由于每循环所占的时间缩短更多，使以曲轴转角计的着火落后期却有所增加，这说明随着转速的提高喷油提前角应加大，是燃烧能在上止点附近完成。负荷负荷增加，会引起柴油机的温度上升，改善燃烧的准备条件，因此着火落后期短。但是由于循环供油量加大以及喷油延续角增加，会使总的燃烧时间过程延长，对于负荷变化比较大的发动机，为了使燃料能及时的燃烧掉，是发动机发出足够高的功率，要求随着负荷的加大喷油的起始时刻提前。改变喷油提前角，测得不同喷油提前角θ时的Ne和ge。根据所测数据，即可绘制Ne=f(θ)和ge=f(θ)曲线,所得功率曲线最高点或燃料消耗率曲线最低点,即对应最佳喷油提前角。混合气的形成过程1

直接喷射(空气分配喷射)活塞顶部有一个圆柱状燃烧室凹坑,喷油器设置在气缸中部,进气道围绕着进气门成螺旋状分布。吸入的空气经过螺旋状进气道时产生旋转的气流，由于凹腔直径比气缸直径小，压缩使这种螺旋运动被进一步加强,四孔喷油嘴以175-200巴的压力将燃油喷入螺旋运动的空气中。优点：*混合气形成良好；*由于良好的混合可缩短燃烧时间，发动机转速可提高；*燃油消耗低。缺点：*高压产生高的机械负荷；*发动机运转噪音大；*对燃油敏感。混合气的形成过程2M-方式(缸壁分配方式)一球型燃烧室深嵌在活塞中部,机油冷却其下方。在吸气过程中，螺旋气道在气缸中产生的旋转空气运动,压缩时几乎所有的吸入的空气被压入球形燃烧室,由此提高空气涡流的速度。单孔喷油器约将95%的燃油喷在燃烧室的壁上，喷射压力达170-200巴。燃油在壁上成薄膜状分布。约5%的燃油在空气中完全雾化，发火并开始燃烧，炽热的气体涡流将燃油分层蒸发。优点：*燃烧柔和，发动机运转噪音低；

*最高压力小；*对燃油不敏感。适用于商用发动机

混合气的形成过程31．

间接喷射间接喷射的燃烧室分成在气缸盖无冷却部位设置的燃烧腔（辅助燃烧室）和气缸内的主燃烧室两部分。燃油由轴针式喷油器喷入气缸。a.

预燃室方式预燃室为一狭长的燃烧室,经单孔或多孔喷射道与主燃烧室相连。压缩行程终了时,燃油经轴针式喷油器喷入预燃室,喷射压力为120-140巴，预燃室内的空气只够燃油部分燃烧，燃油未燃部分温度升高转变为气态。由于预燃室内气压升高，气态燃油经喷射道喷入主燃烧室，其余燃烧在主燃烧室内进行。优点：*各种转速下混合气形成良好；*发动机运转柔和；*转速高。缺点：*需用预热塞起动；*燃油消耗大。适用于轿车和商用车。b.

混合气的形成过程4涡流室方式在气缸盖内部有一球形燃烧室,它通过一条切线通道与主燃烧室相同,该通道具有较大的断面。压缩时大部分空气流入涡流室，涡流室内存在强大的涡流，燃油经轴针式喷油器喷入气缸，喷射压力为100-125巴。燃油与旋转的高温空气充分混合，涡流室中先发生燃烧，并蔓延至主燃烧室。优点：*发动机运转柔和；*混合气形成良好；*转速高。缺点：*必须辅助起动；燃油消耗大