柴油機(jī)的燃燒與排放

概述-燃油噴射技術(shù)發(fā)展里程碑概述-柴油噴射技術(shù)應(yīng)用范疇概述-柴油噴射裝置性能參數(shù)柴油發(fā)動機(jī)的燃燒過程1著火落后期

從燃油噴入氣缸至燃油開始著火這段時間燃油進(jìn)行物理準(zhǔn)備和化學(xué)反應(yīng)準(zhǔn)備。物理準(zhǔn)備包括著火前的燃料霧化、蒸發(fā)以及和空氣的混合。燃油的霧滴大小、空氣和燃油的相對速度、空氣的密度和溫度影響物理準(zhǔn)備的時間長短。化學(xué)準(zhǔn)備主要是燃油歷經(jīng)醛、過氧化物、碳?xì)渥杂苫戎虚g產(chǎn)物的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。這些化學(xué)放映受到溫度和燃燒室內(nèi)局部的空氣燃料比的影響。由于化學(xué)反應(yīng)速度緩慢，氣缸壓力和溫度的變化小到可以忽略不計，因此這一階段的壓力和溫度主要取決于壓縮過程。柴油機(jī)的燃燒過程2速燃期從燃料開始著火到迅速出現(xiàn)最高壓力點(diǎn)為止。對高速柴油機(jī)而言最高壓力點(diǎn)一般在上止點(diǎn)5-6度曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)。特點(diǎn)：火源迅速形成，燃燒速度迅速加快，放熱速率在這一階段終了時達(dá)到最大，放熱量約占總方熱量的1/3左右；氣缸內(nèi)的壓力和溫度急劇上升，燃燒最高壓力達(dá)60-90kgf/cm2；燃料進(jìn)一步噴入燃燒室（噴入量隨著火落后期和噴油延續(xù)期而定），引起混合氣濃度提高。由于速燃期內(nèi)燃料迅速燃燒，氣缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，壓力升高率（單位曲軸轉(zhuǎn)角的壓力升高值）較高。如壓力升高率超過4-6公斤/厘米度,會對柴油機(jī)的受力部件產(chǎn)生沖擊性氣體壓力符合,并伴有尖銳的敲擊聲，即柴油機(jī)工作粗暴。柴油機(jī)的燃燒過程3速燃期速燃期中的燃燒主要取決于著火落后期內(nèi)的噴入燃燒室內(nèi)的燃料的數(shù)量及其物理化學(xué)準(zhǔn)備的情況。如著火落后期過長，而且在此期間噴入的燃料量很多，一旦著火燃燒，火焰迅速向各處傳播，燃燒速率高，氣缸的壓力升高率增加，柴油機(jī)勢必工作粗暴。因此控制著火落后期是影響柴油機(jī)燃燒過程的過程的一個重要手段。但工作粗暴的柴油機(jī)，其動力性、經(jīng)濟(jì)性不一定差。柴油機(jī)燃燒過程4緩燃期緩燃期是從最高壓力開始到出現(xiàn)最高溫度階段。最高溫度一般出現(xiàn)在上止點(diǎn)后20-35度曲軸轉(zhuǎn)角。特點(diǎn)：燃燒以很快速度繼續(xù)進(jìn)行，到緩燃期終了，放熱量占總循環(huán)放熱量的70-80%；在此階段通常噴油已經(jīng)結(jié)束，由于廢氣增多，氧和燃料的濃度下降；溫度升到最高值（達(dá)1700-2000oC），但由于活塞下運(yùn)動，壓力略有下降；燃燒室內(nèi)中間產(chǎn)物的濃度迅速下降，而最終產(chǎn)物的濃度迅速上升。在緩燃期內(nèi)。開始時燃燒很快，后來由于燃燒室內(nèi)氧氣減少廢氣增多，燃燒條件變得不利，所以后期燃燒越來越慢。柴油機(jī)的燃燒過程5緩燃期在緩燃期中某些燃料時在高溫缺氧的條件下進(jìn)行燃燒的，可能會燃燒不完全產(chǎn)生碳煙隨廢氣排出，影響燃料經(jīng)濟(jì)性和排氣凈化。緩燃期的主要問題是燃料的燃燒速度與混合氣形成速度間的矛盾。如果加強(qiáng)燃燒室內(nèi)的空氣運(yùn)動，可加速向燃料供給氧氣，改善混合氣形成質(zhì)量，就能加速燃燒，縮短緩燃期，使燃燒完全，進(jìn)而提高柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。柴油機(jī)的燃燒過程6補(bǔ)燃期補(bǔ)燃期是從最高溫度點(diǎn)開始的一段時間，其終點(diǎn)很難確定，實(shí)際上很可能一直延續(xù)到開始。一般認(rèn)為放熱量達(dá)到循環(huán)放熱量的95-97%時就算補(bǔ)燃期結(jié)束。在有的高速柴油機(jī)中補(bǔ)燃期可能占整個混合氣行成與燃燒時間的50%左右。特點(diǎn)：燃燒速率降低，且慢慢的停止燃燒，因此放熱速率也逐漸減小到零；由于氣缸工作容積增大，溫度和壓力降低。柴油機(jī)的燃燒過程7補(bǔ)燃期在補(bǔ)燃期中，由于氣缸內(nèi)的溫度下降，氣流運(yùn)動減弱，廢氣量增多，燃燒條件比緩燃期更壞，形成碳煙的可能性更大，且由于補(bǔ)燃期在膨脹過程中燃燒，因此放出來的熱量轉(zhuǎn)變成有效功很少。相反卻使發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷增加，排氣溫度升高傳給冷卻水的損失增加，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性下降。因此總是希望補(bǔ)燃期縮短。加強(qiáng)燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動，改善混合氣的形成，是燃料與空氣充分混合，并減小緩燃期的噴油量，是燃燒能在上止點(diǎn)附近完成。為了柴油機(jī)工作可靠(尤其是冷起動的可靠性),應(yīng)該保證燃料良好的發(fā)火條件。為了柴油機(jī)工作柔和，燃燒噪音小，壽命長，速燃期內(nèi)的壓力升高率和最高燃燒壓力不超過一定的限度，應(yīng)盡可能縮短著火落后期，減小在著火落后期內(nèi)形成的做好燃燒準(zhǔn)備的混合氣量。為了燃燒完全及時，提高柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，減少排氣煙量，應(yīng)改善和加速燃燒后期及緩燃期中燃料與空氣的混合，提高后期的燃燒速率，減少補(bǔ)燃。柴油機(jī)燃燒過程小結(jié)柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程—影響柴油機(jī)燃燒過程的因數(shù)1

壓縮比在柴油機(jī)中,為了保證燃料可靠的發(fā)火燃燒,壓縮過程終了的空氣溫度應(yīng)超過柴油的自燃溫度,因此要有足夠高的壓縮比。壓縮比增加，壓縮終了時的溫度和壓力上升，燃料的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)均被加速，著火落后期縮短，因此速燃期的壓力升高率降低，這對于防止柴油機(jī)的工作粗暴是有利的；同時提高壓縮比對于柴油機(jī)的冷起動也是有利的。壓縮比過高燃燒壓力過分增加，影響發(fā)動機(jī)的壽命。壓縮比根據(jù)發(fā)動的具體使用情況而定。柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程—影響柴油機(jī)燃燒過程的因數(shù)2噴油規(guī)律噴入氣缸的噴油量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系稱為噴油規(guī)律。按噴油規(guī)律1工作，著火落后期噴入氣缸的燃料量較少，速燃期內(nèi)壓力升高率因而較低，是柴油機(jī)工作柔和，但燃燒時間延長，熱效率降低。在其他條件相同的情況下，循環(huán)供油量相同的情況下，如按噴油規(guī)律2則在著火落后期內(nèi)噴入氣缸的燃油量增多，速燃期內(nèi)壓力升高率增大，燃燒時間縮短，使柴油機(jī)功率和熱效率提高，但工作較為粗暴。用調(diào)整供油規(guī)律的方法控制柴油機(jī)工作粗暴和調(diào)整熱效率時非常有效的。影響柴油機(jī)燃燒過程的因數(shù)3噴油提前角噴油提前角是指由噴油開始到活塞上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。增加噴油提前角，由于燃料噴入到壓力和溫度不高的空氣中，物理和化學(xué)準(zhǔn)備的條件較差，著火落后期延長，導(dǎo)致速燃期內(nèi)壓力升高率增大和工作粗暴；但噴油過遲，燃燒會在膨脹過程中進(jìn)行，因而壓力升高率降低，最高壓力降低，排氣溫度增加，冷卻熱損失增加，熱效率降低。對每一種柴油機(jī)，均有一個最佳的噴油提前角。柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程—影響柴油機(jī)燃燒過程的因數(shù)4最佳噴油提前角最佳噴油提前角必須通過試驗(yàn)方法制取柴油機(jī)的噴油提前角調(diào)整特性。這種特性是在轉(zhuǎn)速和噴油量一定的情況下制取的。

柴油發(fā)動機(jī)燃燒過程—影響柴油機(jī)燃燒過程的因數(shù)5轉(zhuǎn)速和負(fù)荷轉(zhuǎn)速

當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，燃燒室內(nèi)的空氣流動增強(qiáng)，同時還提高了噴油壓力，使得燃料與空氣的混合得到改善，所以以時間計的著火落后期隨著轉(zhuǎn)速的增加而縮短，但是由于每循環(huán)所占的時間縮短更多，使以曲軸轉(zhuǎn)角計的著火落后期卻有所增加，這說明隨著轉(zhuǎn)速的提高噴油提前角應(yīng)加大，是燃燒能在上止點(diǎn)附近完成。負(fù)荷負(fù)荷增加，會引起柴油機(jī)的溫度上升，改善燃燒的準(zhǔn)備條件，因此著火落后期短。但是由于循環(huán)供油量加大以及噴油延續(xù)角增加，會使總的燃燒時間過程延長，對于負(fù)荷變化比較大的發(fā)動機(jī)，為了使燃料能及時的燃燒掉，是發(fā)動機(jī)發(fā)出足夠高的功率，要求隨著負(fù)荷的加大噴油的起始時刻提前。改變噴油提前角，測得不同噴油提前角θ時的Ne和ge。根據(jù)所測數(shù)據(jù)，即可繪制Ne=f(θ)和ge=f(θ)曲線,所得功率曲線最高點(diǎn)或燃料消耗率曲線最低點(diǎn),即對應(yīng)最佳噴油提前角。混合氣的形成過程1

直接噴射(空氣分配噴射)活塞頂部有一個圓柱狀燃燒室凹坑,噴油器設(shè)置在氣缸中部,進(jìn)氣道圍繞著進(jìn)氣門成螺旋狀分布。吸入的空氣經(jīng)過螺旋狀進(jìn)氣道時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氣流，由于凹腔直徑比氣缸直徑小，壓縮使這種螺旋運(yùn)動被進(jìn)一步加強(qiáng),四孔噴油嘴以175-200巴的壓力將燃油噴入螺旋運(yùn)動的空氣中。優(yōu)點(diǎn)：*混合氣形成良好；*由于良好的混合可縮短燃燒時間，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可提高；*燃油消耗低。缺點(diǎn)：*高壓產(chǎn)生高的機(jī)械負(fù)荷；*發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音大；*對燃油敏感?；旌蠚獾男纬蛇^程2M-方式(缸壁分配方式)一球型燃燒室深嵌在活塞中部,機(jī)油冷卻其下方。在吸氣過程中，螺旋氣道在氣缸中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)空氣運(yùn)動,壓縮時幾乎所有的吸入的空氣被壓入球形燃燒室,由此提高空氣渦流的速度。單孔噴油器約將95%的燃油噴在燃燒室的壁上，噴射壓力達(dá)170-200巴。燃油在壁上成薄膜狀分布。約5%的燃油在空氣中完全霧化，發(fā)火并開始燃燒，熾熱的氣體渦流將燃油分層蒸發(fā)。優(yōu)點(diǎn)：*燃燒柔和，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低；

*最高壓力??；*對燃油不敏感。適用于商用發(fā)動機(jī)

混合氣的形成過程31．

間接噴射間接噴射的燃燒室分成在氣缸蓋無冷卻部位設(shè)置的燃燒腔（輔助燃燒室）和氣缸內(nèi)的主燃燒室兩部分。燃油由軸針式噴油器噴入氣缸。a.

預(yù)燃室方式預(yù)燃室為一狹長的燃燒室,經(jīng)單孔或多孔噴射道與主燃燒室相連。壓縮行程終了時,燃油經(jīng)軸針式噴油器噴入預(yù)燃室,噴射壓力為120-140巴，預(yù)燃室內(nèi)的空氣只夠燃油部分燃燒，燃油未燃部分溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。由于預(yù)燃室內(nèi)氣壓升高，氣態(tài)燃油經(jīng)噴射道噴入主燃燒室，其余燃燒在主燃燒室內(nèi)進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：*各種轉(zhuǎn)速下混合氣形成良好；*發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)柔和；*轉(zhuǎn)速高。缺點(diǎn)：*需用預(yù)熱塞起動；*燃油消耗大。適用于轎車和商用車。b.

混合氣的形成過程4渦流室方式在氣缸蓋內(nèi)部有一球形燃燒室,它通過一條切線通道與主燃燒室相同,該通道具有較大的斷面。壓縮時大部分空氣流入渦流室，渦流室內(nèi)存在強(qiáng)大的渦流，燃油經(jīng)軸針式噴油器噴入氣缸，噴射壓力為100-125巴。燃油與旋轉(zhuǎn)的高溫空氣充分混合，渦流室中先發(fā)生燃燒，并蔓延至主燃燒室。優(yōu)點(diǎn)：*發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)柔和；*混合氣形成良好；*轉(zhuǎn)速高。缺點(diǎn)：*必須輔助起動；燃油消耗大