柴油机的燃烧.ppt

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1、第六章1、喷射油束的形态与燃烧2、柴油机的着火延迟3、柴油机的敲缸及其控制4、柴油机的排气污染与控制5、柴油机冷起动6、柴油机燃烧系统的发展喷射油束的形态与燃烧1.1、无涡流时喷射油束的形态1.2、无涡流喷射油束的燃烧1.3、有进气涡流时喷射油束形态与燃烧H.藤本和土师藤元等人试验用的高压模型燃烧室1.1、无涡流时喷射油束的形态1、在室温高压室中喷射的油束形态主流区主流区：位于油束中心部分，流动速度大，粒度大，：位于油束中心部分，流动速度大，粒度大，单位体积燃料油滴的粒数多，动量也大，形成密度单位体积燃料油滴的粒数多，动量也大，形成密度 高的主流部分。高的主流部分。混流区混流区：燃料油滴速度小

2、，粒度亦小，单位体积油滴：燃料油滴速度小，粒度亦小，单位体积油滴的粒数也小，构成雾状稍疏的混合流域，位于主流的粒数也小，构成雾状稍疏的混合流域，位于主流区的周围部分。区的周围部分。初始部分初始部分LsLs：在喷孔附近形成明显的圆锥形部分的油：在喷孔附近形成明显的圆锥形部分的油束长度。束长度。混合部分Le：是从初始部分下端到油束边界成湍流状态部分的长度穿透部分p：油束保持圆锥部分长度，即Lp=Ls+Le.稀释部分d:位于油束顶端，油滴稀疏，并可见到燃料油滴滞留状态，又可称为滞留部分贯穿距离：油束顶端到达最远的距离，又称穿透长度用示踪烟迹法测量油束周围空气的流动速度us s得知：喷射油束把周围空气

3、吸入穿透部分油束的稀释部分将其周围空气挤开，两者的流动方向是一致，但是由于油束稀释部分的成长速度大于其周围空气被挤开的速度，结果是油束稀释部分也吸进空气空气流动速度与容器内介质的压力有关，压力升高，流速减小、在高温高压室中喷射的油束2.1与室温高压室中的喷射油束比较：在高温（在高温（400-960K)400-960K)高压室中进行喷射油束试验，所得油高压室中进行喷射油束试验，所得油束形状与在室温高压室中的形状不同其差异是油束侧边外束形状与在室温高压室中的形状不同其差异是油束侧边外廓有所缩小初始温度越高，油束明晰度就越低当初始温廓有所缩小初始温度越高，油束明晰度就越低当初始温度超过度超过7507

4、50时时,就很难区分油束与它周围的介质就很难区分油束与它周围的介质.在混流区在混流区内油滴的速度比主流区的低内油滴的速度比主流区的低,单位容积内油滴的数量比主流单位容积内油滴的数量比主流区的少区的少.由于湍流扩散及燃油与周围介质的热交换由于湍流扩散及燃油与周围介质的热交换,油滴与介油滴与介质进行混合质进行混合,因此因此,促进了燃油的蒸发和同介质的混合促进了燃油的蒸发和同介质的混合.另一另一方面方面,主油束区的油滴速度较快主油束区的油滴速度较快,单位容积内油滴的数目也比单位容积内油滴的数目也比较多较多,但是该区的空气没有混流区那样多但是该区的空气没有混流区那样多.因此因此,主油束区能主油束区能够

5、伸延到接近油束的顶端够伸延到接近油束的顶端.高温高压介质中油束的贯穿距离图图6-36-3表示了高温高压表示了高温高压介质中初始压力介质中初始压力P P0 0=6.28=6.28兆帕与初始温兆帕与初始温度度T T0 0=530-800K=530-800K的情况的情况下油束的贯穿距离下油束的贯穿距离.油油束的贯穿距离与时间的束的贯穿距离与时间的关系关系,同室温高压介质同室温高压介质中喷射油束的情况一样中喷射油束的情况一样,仍近似成正比关系仍近似成正比关系.但但随介质温度升高随介质温度升高,贯穿贯穿距离缩短距离缩短.油束初始部分长度Ls，在喷射期间不论初始压力与温度如何，都近似于常数，并可得下列关系

6、式 Ls=10毫米。该式表明，介质状态对初始部分长度的影响比喷油系统的影响小。在扩散燃烧情况下，混合部分出现的火焰沿着混流区向油束顶部方向发展，并达到顶部。虽然火焰也向喷油嘴方向发展，但是在喷射期间，火焰决不可能进入初始部分。在高压与高温介质中，穿透部分的长度在高压与高温介质中，穿透部分的长度LpLp和油束的贯穿和油束的贯穿距离之间的关系与从高压室温介质中得到的关系式相同，距离之间的关系与从高压室温介质中得到的关系式相同，用下式表示：用下式表示：p p0.6L0.6L。随着初始温度的提高油束喷雾角随着初始温度的提高油束喷雾角 测量就愈困难，因为测量就愈困难，因为在混流区内的燃油蒸发使油束边界不

7、清楚。所以在高温高压在混流区内的燃油蒸发使油束边界不清楚。所以在高温高压介质中试验时将油束喷雾角规定为在油束照片中能清晰可见介质中试验时将油束喷雾角规定为在油束照片中能清晰可见的油束外缘之间的夹角，亦称为的油束外缘之间的夹角，亦称为可见喷雾角可见喷雾角。初始压力越高，油束喷雾角显越大。这种趋势同在高压初始压力越高，油束喷雾角显越大。这种趋势同在高压室温介质情况下是类似的。初始温度对油束喷雾角的影响很室温介质情况下是类似的。初始温度对油束喷雾角的影响很小。小。土师藤元等人在喷射油束燃烧研究中采用的定容燃烧室1.2、无涡流喷射油束的燃烧1、放热率与火焰特性 图图6565是根据在定容燃烧室中燃烧试验

8、时，由测得的压力是根据在定容燃烧室中燃烧试验时，由测得的压力时间图计算求得的预混合燃烧与扩散燃烧的典型放热串时间图计算求得的预混合燃烧与扩散燃烧的典型放热串d Qd Qd td t图。从图中可见图。从图中可见,当初始温度及初始压力较低时，当初始温度及初始压力较低时，喷射油束的燃烧主要是预混合燃烧；当初始温度及压力都喷射油束的燃烧主要是预混合燃烧；当初始温度及压力都比较高时，则喷射油束的燃烧还有明显的扩散燃烧阶段。比较高时，则喷射油束的燃烧还有明显的扩散燃烧阶段。在预混合燃烧中，放热率图只有一个波峰值。随着介质初在预混合燃烧中，放热率图只有一个波峰值。随着介质初始压力升高，首次可见火焰出现的早，

9、着火延迟期短，燃始压力升高，首次可见火焰出现的早，着火延迟期短，燃烧后期变为扩散燃烧，波峰降低，波峰后的放热率增高，烧后期变为扩散燃烧，波峰降低，波峰后的放热率增高，放热率图的形状渐趋缓和。随着初始压力进一步的提高，放热率图的形状渐趋缓和。随着初始压力进一步的提高，放热率图出现第二个波峰。放热率图出现第二个波峰。1.2、无涡流喷射油束的燃烧在放热率图上第二个波峰期间，油束主流区中的燃在放热率图上第二个波峰期间，油束主流区中的燃油以扩散火焰的方式燃烧，因此把它叫做油以扩散火焰的方式燃烧，因此把它叫做“扩散火扩散火焰燃烧期焰燃烧期”。出现第二个波峰的时间与喷油终止的。出现第二个波峰的时间与喷油终止

10、的时间几乎一致，火焰的亮度与范围也达到最大位。时间几乎一致，火焰的亮度与范围也达到最大位。在柴油机中扩散火焰燃烧期与黑烟生成密切相关。在柴油机中扩散火焰燃烧期与黑烟生成密切相关。在介质初始压力低的情况下，着火较迟，燃油与其在介质初始压力低的情况下，着火较迟，燃油与其周围介质之间的湍流扩散与混合更强烈，所以在预周围介质之间的湍流扩散与混合更强烈，所以在预混火焰燃烧期间放热率的最大值更高。若增大初始混火焰燃烧期间放热率的最大值更高。若增大初始压力，则扩放火焰燃烧期间的放热率最大值增高，压力，则扩放火焰燃烧期间的放热率最大值增高，这是因为着火早、主燃烧受扩散火焰燃烧控制。这是因为着火早、主燃烧受扩散

11、火焰燃烧控制。2、影响放热率图与火焰特性的因素氧气浓度影响喷油量影响喷孔数影响氧气浓度影响 图图6666示出了氧气浓度对示出了氧气浓度对放热率的影响。氧气浓度放热率的影响。氧气浓度在在0.7l1.00.7l1.0范围内变化。介范围内变化。介质的初始压力近似等于质的初始压力近似等于2.552.55兆帕，初始温度为兆帕，初始温度为768K768K。氧气浓度为氧气浓度为0.710.71时，几乎全时，几乎全是预混燃烧，当氧气浓度大是预混燃烧，当氧气浓度大于于0.810.81时，则有明显的扩散时，则有明显的扩散燃烧部分。这是因为氧气浓燃烧部分。这是因为氧气浓度越低，着火延迟期越长，度越低，着火延迟期越长

12、，燃油与其周围空气之间的扩燃油与其周围空气之间的扩散与混合就越充分，而成为散与混合就越充分，而成为预混燃烧；与此相反，则成预混燃烧；与此相反，则成为扩散燃烧。为扩散燃烧。氧气浓度影响若初始压力不变，氧气浓度越小，第一次可见火焰出现前所累积的放热总量就越大，冷焰与蓝焰就会更强烈，则预混火焰燃烧期间放热率的最大值就增大。若氧气浓度大子0.81，则在预混火焰燃烧期之后，放热率图出现一个平坦区域。在1.0情况下，即在空气中，放热率图出现明显的扩散火焰燃烧期.喷油量影响喷油量对放热率的影响，喷油量对放热率的影响，如图如图6767所示。喷油量所示。喷油量在在0.51.730.51.73克范国内克范国内变化

13、，介质的初始温度变化，介质的初始温度为为736K736K，初始压力为，初始压力为2.552.55兆帕。兆帕。喷油量影响 喷油量虽然不同，但在预混火焰燃烧期间，所有放热率图的喷油量虽然不同，但在预混火焰燃烧期间，所有放热率图的形状几乎是类似的，放热率的最大值与其出现的时间，也几形状几乎是类似的，放热率的最大值与其出现的时间，也几乎是相同的。这是由于相互之间的喷油量虽然不同，但是每乎是相同的。这是由于相互之间的喷油量虽然不同，但是每一个从喷油开始至喷油结束之前的喷射过程几乎是相同的。一个从喷油开始至喷油结束之前的喷射过程几乎是相同的。因此，在出现第一次可见火焰前，燃油与其周围空气之间的因此，在出现

14、第一次可见火焰前，燃油与其周围空气之间的扩散与混合情况基本上是类似的。故在预混火焰燃烧期间，扩散与混合情况基本上是类似的。故在预混火焰燃烧期间，平均空燃比对放热率图没有什么影响。平均空燃比对放热率图没有什么影响。喷油量对扩散火焰燃烧期是有影响的。在喷油量为喷油量对扩散火焰燃烧期是有影响的。在喷油量为0.50.5克时，克时，发光延迟期为发光延迟期为4.84.8毫秒，接近于喷油终止，在出现第一次可毫秒，接近于喷油终止，在出现第一次可见火焰时，大部分燃油已经喷入燃烧室，燃油与其周围空气见火焰时，大部分燃油已经喷入燃烧室，燃油与其周围空气间已进行了充分的扩散、混合与热交换，故放热率图上没有间已进行了充

15、分的扩散、混合与热交换，故放热率图上没有扩散火焰燃烧期。当增加喷油量时，就会出现扩散火焰燃烧扩散火焰燃烧期。当增加喷油量时，就会出现扩散火焰燃烧期，同时放热率图上就有第二个峰值。期，同时放热率图上就有第二个峰值。喷孔数影响 在喷孔总面积相同的条件下：在喷孔总面积相同的条件下：喷孔数越多，孔径就越小，喷孔数越多，孔径就越小，在混流区的油滴直径也就越在混流区的油滴直径也就越小，而油滴总数也就越多，小，而油滴总数也就越多，从而油束总面积也越大，则从而油束总面积也越大，则在第一次可见火焰出现之前，在第一次可见火焰出现之前，燃油的蒸发就更显著。结果，燃油的蒸发就更显著。结果，在预混火焰燃烧期间，喷孔在预

16、混火焰燃烧期间，喷孔数多的放热率的最大值大于数多的放热率的最大值大于喷孔数少的，如图喷孔数少的，如图6868所所示。示。：喷孔数影响在介质初始压力为2.5兆帕、喷孔数为5时，放热率图上出现第二个波峰，但在喷孔效为11时，第二波峰比较平坦。若初始压力约为4兆帕时，都出现扩散燃烧期。当喷孔数减少时，扩散燃烧期间放热率的最大值增高，这是因为在主流区的燃油较多，而油束的总面积较小之故。在燃烧的后半期，喷孔数多的完成放热较早，喷孔数少的放热缓慢，延时较长。3 油束发展、火焰传播与放热率 图图6969是在扩散燃烧中，油束发是在扩散燃烧中，油束发展、火焰传播与放热率图之间互展、火焰传播与放热率图之间互相关系

17、的模型。图中还分别绘出相关系的模型。图中还分别绘出从预混火焰与扩散火焰得到的放从预混火焰与扩散火焰得到的放热率图。热率图。喷入燃烧室内油束周围的空气，喷入燃烧室内油束周围的空气，在油束的穿透部分进入油束。在在油束的穿透部分进入油束。在初始部分，油滴速度比空气进入初始部分，油滴速度比空气进入油束的速度大几十倍。在混合部油束的速度大几十倍。在混合部分，油滴速度减慢，在油束的表分，油滴速度减慢，在油束的表层发生湍流，因而促进了油束与层发生湍流，因而促进了油束与其周围空气间的热交换与混合。其周围空气间的热交换与混合。3 油束发展、火焰传播与放热率 在混合部分与稀释部分的油束表层，首先为预混燃烧的混合在

18、混合部分与稀释部分的油束表层，首先为预混燃烧的混合气作好了准备，蒸发、吸收蒸发热，故开始时放热率减少成气作好了准备，蒸发、吸收蒸发热，故开始时放热率减少成负值。第一次可见火焰在混合部分出现，于是火焰沿着表层负值。第一次可见火焰在混合部分出现，于是火焰沿着表层的预混合气发展的预混合气发展(见图见图6969中的中的t2t2和和t3)t3)。当燃烧放热大于蒸。当燃烧放热大于蒸发吸热时，放热率图的斜率由负值转变为正值。此后，火焰发吸热时，放热率图的斜率由负值转变为正值。此后，火焰扩展的速度大于油束发展的速度，火焰超过了油束顶部，此扩展的速度大于油束发展的速度，火焰超过了油束顶部，此时发生急速的放热。在

19、预混火焰燃烧期，放热率达到最大值时发生急速的放热。在预混火焰燃烧期，放热率达到最大值的时间正好与火焰到达油束顶端的时间一致的时间正好与火焰到达油束顶端的时间一致(图图6969中的中的t4)t4)。于是，从预混火焰转变为扩散火焰燃烧，放热率由于扩散火于是，从预混火焰转变为扩散火焰燃烧，放热率由于扩散火焰而再一次升高焰而再一次升高(图图6969中的中的t5)t5)。在此期间，火焰表层的夹。在此期间，火焰表层的夹角大于在室温下测得的油束喷雾角。角大于在室温下测得的油束喷雾角。3 油束发展、火焰传播与放热率在接近喷油终点，供油量减少，放热率的增长速度也减少。在喷油终止时，主油束区燃油的燃烧放热率达到最

20、高值、并且火焰亮度与火焰扩散范围也达到最大。喷油结束后，剩余的燃油还在燃烧，但放热率减低，直到燃烧完成。1.3、有进气涡流时喷射油束形态与燃烧 1 1 喷射油束的形态喷射油束的形态 图图610610是喷入进气涡流中是喷入进气涡流中油束形态示意图。由于空油束形态示意图。由于空气涡流的存在，油束中油气涡流的存在，油束中油滴的浓度与其中心轴不对滴的浓度与其中心轴不对称，且随着涡流的增强。称，且随着涡流的增强。不对称越显著。小油滴被不对称越显著。小油滴被空气带走，形成油束前缘，空气带走，形成油束前缘，其浓度最小，油束后缘有其浓度最小，油束后缘有相当的浓度；在油束芯部相当的浓度；在油束芯部浓度最大，且距

21、油嘴喷孔浓度最大，且距油嘴喷孔越近浓度也越大。越近浓度也越大。2、油束的燃烧根据燃油和空气的分布根据燃油和空气的分布以及燃烧机理，可将空以及燃烧机理，可将空气涡流时的油束分成稀气涡流时的油束分成稀火焰区、稀熄火区、油火焰区、稀熄火区、油束芯部、油束尾部和喷束芯部、油束尾部和喷在避面上的燃油部分。在避面上的燃油部分。2、油束的燃烧稀火焰区稀火焰区 位于油束芯部和前线之间。位于油束芯部和前线之间。稀熄火区稀熄火区 该区在油束前缘的最外层，其特点是混该区在油束前缘的最外层，其特点是混合气过稀，以至不能着火和维持燃烧。合气过稀，以至不能着火和维持燃烧。油芯区油芯区 在稀火焰区着火和燃烧后，火焰向油芯在

22、稀火焰区着火和燃烧后，火焰向油芯区传播。区传播。油末尾部油末尾部 喷射过程在将近结束时，喷射压力减低，喷射过程在将近结束时，喷射压力减低，使喷射油束的最后部分通常形成较大的油滴。使喷射油束的最后部分通常形成较大的油滴。壁面上燃油壁面上燃油 壁面上燃油的燃烧取决于蒸发速率以壁面上燃油的燃烧取决于蒸发速率以及和氧的混合速率。及和氧的混合速率。2柴油机的着火延迟2.1概述2.2柴油机的着火延迟2.3影响着火延迟的因素2.4着火延迟期的计算公式2.1、概述着火延迟期P定义为点火时刻到燃烧放出1热量的曲轴转角。2.2、柴油机的着火延迟（1）加热时间 燃料的比热 燃料的比重 空气温度 油滴初始温度 油滴沸

23、点温度 空气导热系数 油滴直径1.着火前的物理过程2、着火前的化学过程柴油机的压缩压力较高，柴油机的压缩压力较高，而压缩温度达不到实现而压缩温度达不到实现高温单阶段着火所要求高温单阶段着火所要求的温度。压缩终点的气的温度。压缩终点的气体状态位于图体状态位于图613613中中网状处，是属于低温多网状处，是属于低温多阶段着火区。因此柴油阶段着火区。因此柴油机着火是多阶段着火。机着火是多阶段着火。（2）多阶段着火过程在中、低温区内是多阶段着火区。在这样温度范围内，经冷焰、蓝焰最后形成热焰而着火。图614表示多阶段着火过程的压力、火焰强度与时间的关系。615给出了冷馅过程中典型的冷焰辐射情形。图片3、

24、着火延迟期2.3影响着火延迟的因素影响着火延迟的因素很多，如柴油机的结构参数、工质状态、运转因素及燃料品质等。这里讨论几个主要因素：1、温度对着火延迟期的影响 各种柴油机试验表明，着火延迟期总是随着温度升高而缩短。温度是影响着火延迟期的主要因素。对物理延迟期，温度的影响一般表现为斜率不大的线形关系；对化学延迟期，温度的影响近似于指数关系。1、温度对着火延迟期的影响压力对着火延迟的影响理论和实践表明，着火延迟期与压力间具有下述关系：理论和实践表明，着火延迟期与压力间具有下述关系：式中式中K K为常数，与温度、燃料品质有关。为常数，与温度、燃料品质有关。n n值在值在0.41.80.41.8之间变

25、化。之间变化。由此可知，在不同温度范围内压力对着火延迟期的影由此可知，在不同温度范围内压力对着火延迟期的影响不同。响不同。3、喷油提前角对着火延迟期的影响喷油提前角对着火延迟期的影响有一个最低值喷油提前角对着火延迟期的影响有一个最低值 ，它一般发生在，它一般发生在520520度喷油提前角。其原因是：度喷油提前角。其原因是：喷油提前角喷油提前角 大于这个值时，缸内温度和压力均大于这个值时，缸内温度和压力均较低，使混合七着火前的物理过程，特别是化学较低，使混合七着火前的物理过程，特别是化学过程进行得很慢，着火延迟期增长；当喷油提前过程进行得很慢，着火延迟期增长；当喷油提前角小于这个值时，喷油始点距

26、上止点较近，尽管角小于这个值时，喷油始点距上止点较近，尽管此时缸内压力和温度较高，但在喷油持续期内缸此时缸内压力和温度较高，但在喷油持续期内缸内温度因蒸发吸热而稍下降，而压力因容积压缩内温度因蒸发吸热而稍下降，而压力因容积压缩很小增加的也不大，这样会使着火点延迟到上止很小增加的也不大，这样会使着火点延迟到上止点，反而使着火延迟期增加。点，反而使着火延迟期增加。4、转速对着火延迟期的影响提高转速能减少工质的提高转速能减少工质的泄漏量和散热时间，使泄漏量和散热时间，使缸内温度和压力升高，缸内温度和压力升高，按时间计的着火延迟期按时间计的着火延迟期缩短，按曲轴转角计的缩短，按曲轴转角计的着火延迟期增

27、长，入图着火延迟期增长，入图619619所示。所示。着火延迟期随转速增大着火延迟期随转速增大而增大。而增大。5、涡流速度对着火延迟期的影响在低速运转和压缩温度在低速运转和压缩温度较低的情况下，当气流较低的情况下，当气流运动不太强烈，涡流速运动不太强烈，涡流速度对着火延迟期有较大度对着火延迟期有较大的影响。在转速和压缩的影响。在转速和压缩温度均较高时，涡流速温度均较高时，涡流速度对着火延迟期的影响度对着火延迟期的影响较小。涡流速度过大，较小。涡流速度过大，着火延迟期缩短并不明着火延迟期缩短并不明显，甚至可能延长。显，甚至可能延长。6、空燃比对着火延迟期的影响着火延迟期随空燃比的着火延迟期随空燃比

28、的增加而缩短。但如果排增加而缩短。但如果排除缸内温度的影响，即除缸内温度的影响，即对温度进行校正后，则对温度进行校正后，则空燃比对着火延迟期的空燃比对着火延迟期的影响很小。影响很小。在空燃比一定时，雾化在空燃比一定时，雾化油滴的细度及均匀度对油滴的细度及均匀度对着火延迟期都有很大的着火延迟期都有很大的影响。影响。7、燃料及添加剂对着火延迟期的影响燃料中含直链分子结构成分越多，直链越长，其化学稳定性越弱，则着活延迟期越短；支链结构分子多，其化学稳定性最强，则着火延迟期长。着火温度低的烃类比着火温度高的烃类着火延迟期短。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短7、燃料及添加剂对着火延迟期的影响试验表明，

29、不同的添加试验表明，不同的添加剂对着火延迟期有着不剂对着火延迟期有着不同影响。其分为抑制剂同影响。其分为抑制剂和促进剂。添加剂对着和促进剂。添加剂对着火延迟期的影响，主要火延迟期的影响，主要表现在对化学延迟期的表现在对化学延迟期的影响上。起影响的本质影响上。起影响的本质在于着火过程中链反应在于着火过程中链反应受到激发还是抑制。受到激发还是抑制。2.4着火延迟期的计算公式气缸压力线脱离开纯压缩线而突然升起的瞬时终气缸压力线脱离开纯压缩线而突然升起的瞬时终点的称为点的称为压升延迟期。压升延迟期。沃尔弗压力延迟期经验公式：沃尔弗压力延迟期经验公式：p喷油时缸内空气压力T喷油时缸内空气温度曹克诚温升延

30、迟期经验公式席特凯柴油机发光延迟期经验公式：T压缩终点缸内温度p压缩终点缸内压力R=29.3深泽正经验公式适用于高喷式柴油机的着火延迟期公式为：适用于预燃式柴油机的着火延迟期公式为：为压缩比式中 谢苗若夫在阿累尼乌斯定律的基础上首先提出了计算着火延迟期的原则性公式：顾宏中教授在1980年试验的基础上总结出的经验公式 3、柴油机的敲缸及其控制3.1柴油机的敲缸 “敲缸”及爆燃，是由于火焰前锋前面被称为末端气体的自燃。末端气体是由燃料、空气和残余废气组成的，敲缸时末端气体以极高的速率放出热量，产生很大的压力升高，并以压力波的形式在燃烧室内来回传播，并通过机体向外传递噪声。“敲缸”就是指这种特定的噪

31、声。汽油机爆燃和柴油机敲缸的比较 在汽油机内正常燃烧和爆燃，是两种完全不同的现在汽油机内正常燃烧和爆燃，是两种完全不同的现象，正常燃烧是由火花或火焰点燃，而爆燃是自燃象，正常燃烧是由火花或火焰点燃，而爆燃是自燃引起。引起。柴油机内正常燃烧和敲缸之间没有本质的区别，都柴油机内正常燃烧和敲缸之间没有本质的区别，都是由自燃产生，只是着火时喷入燃油量的不同，而是由自燃产生，只是着火时喷入燃油量的不同，而引起压力升高的猛烈程度上的差别。压力升高率较引起压力升高的猛烈程度上的差别。压力升高率较低，屈正常燃烧；过高会引起敲缸低，屈正常燃烧；过高会引起敲缸(见图见图1)1)。汽油机。汽油机的爆燃通常产生在燃烧

32、后期的爆燃通常产生在燃烧后期(见图见图1a)1a)、而柴油机放、而柴油机放缸则产生在燃烧的初期缸则产生在燃烧的初期(见图见图1b)1b)汽油机爆燃和柴油机敲缸的比较汽油机爆燃是由于着火延迟期太短而引起；柴油机汽油机爆燃是由于着火延迟期太短而引起；柴油机敲缸是由于着火延迟期太长造成。敲缸是由于着火延迟期太长造成。压升率、放热率与敲缸柴油机敲缸是由于燃烧过程中压力率和初期放热率柴油机敲缸是由于燃烧过程中压力率和初期放热率过大所引起的。着火延迟期与其有密切关系。着火过大所引起的。着火延迟期与其有密切关系。着火延迟期长，着火前形成可燃混合气量就多，着火后延迟期长，着火前形成可燃混合气量就多，着火后的燃

33、烧造成压力上升，不能平稳地运转，发生振动的燃烧造成压力上升，不能平稳地运转，发生振动和敲击的噪音。但是，较长的着火延迟内燃料的蒸和敲击的噪音。但是，较长的着火延迟内燃料的蒸发和扩散进行得较充分，使其后的燃烧较完全。着发和扩散进行得较充分，使其后的燃烧较完全。着火延迟期短，速燃期内急剧燃烧的混合气量少，压火延迟期短，速燃期内急剧燃烧的混合气量少，压力升高率低。但是，在其后的燃烧中，由于后喷的力升高率低。但是，在其后的燃烧中，由于后喷的燃料向火焰中喷射，油滴初速度较低，使贯穿距离燃料向火焰中喷射，油滴初速度较低，使贯穿距离短而易在油嘴附近燃烧，造成局部氧气不足和油束短而易在油嘴附近燃烧，造成局部氧

34、气不足和油束与氧气扩散，混合条件不佳所以很难完全燃烧。与氧气扩散，混合条件不佳所以很难完全燃烧。3.4、防止敲缸的措施增大油滴直径和减少油滴数目，使总油滴表面积减增大油滴直径和减少油滴数目，使总油滴表面积减少，因而蒸发和反应面减少。少，因而蒸发和反应面减少。在进气行程中吸入一定量雾化的燃料，在压缩行程在进气行程中吸入一定量雾化的燃料，在压缩行程中进行焰前反应，可缩短着火延迟期，防止发生敲中进行焰前反应，可缩短着火延迟期，防止发生敲缸。缸。采用辅助喷射系统，可降低高增压柴油机所产生的采用辅助喷射系统，可降低高增压柴油机所产生的很大的压力升高率和最高燃烧压力。很大的压力升高率和最高燃烧压力。采用膨

35、胀室采用膨胀室排气节流排气节流外源点火外源点火控制燃料喷射率控制燃料喷射率4柴油机的排气污染与控制4.1柴油机排气中的有害物质以及控制 柴油机主要有害排放物是NOx和微粒，除低负荷工况外，CO和HC排放均很小。柴油机尾气中含有大量有害成分，主要为CO、各种碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx(NO与N02)等。此外还有各种颗粒(如碳烟、油雾、润滑油和油料添加剂粒子)和少量硫化物。这些有害成分不仅污染环境，而且严重危害人体健康，特别是碳烟颗粒表面常附着S02及其它一些致癌物质，因此应对柴油机排气进行严格控制。4.2、排烟的组成与特征 柴油机的排烟包括柴油机的排烟包括白烟白烟（白色蒸汽云）、（白色蒸汽

36、云）、蓝烟蓝烟（蓝色烟雾）（蓝色烟雾）和和碳烟碳烟（黑烟）。（黑烟）。其中白烟和蓝烟类似油状物质。白烟是在低温条件下柴油机其中白烟和蓝烟类似油状物质。白烟是在低温条件下柴油机起动和怠速运转时，由燃油微粒形成的。这些微粒几乎未经起动和怠速运转时，由燃油微粒形成的。这些微粒几乎未经燃烧就被排山。当柴油机正常运转时就不会产生这种白色蒸燃烧就被排山。当柴油机正常运转时就不会产生这种白色蒸气云。气云。蓝烟是由未燃烧或部分燃烧，以及热分解的燃油和窜入缸内蓝烟是由未燃烧或部分燃烧，以及热分解的燃油和窜入缸内而又未燃烧的润滑油微粒组成。白、蓝烟都是液体微粒，两而又未燃烧的润滑油微粒组成。白、蓝烟都是液体微粒，

37、两者之间没有成分上的差异，只是由于粒子直径不同，在光散者之间没有成分上的差异，只是由于粒子直径不同，在光散射作用下产生的颜色不同而已。射作用下产生的颜色不同而已。碳烟通常在高负荷时发生，其中含有比重大，颗粒细微的碳碳烟通常在高负荷时发生，其中含有比重大，颗粒细微的碳粒。碳烟中还含有被含碳物凝聚和吸附的有机物。粒。碳烟中还含有被含碳物凝聚和吸附的有机物。碳烟的生成机理碳烟生成的主要原因是燃烧时燃料和空气混合不均匀造成的；尤其是在高温缺氧的情况下，最容易形成碳烟。碳烟形成受以下几个因素影响：1、过量空气系数2、混合气均匀程度3、气缸内温度4、燃料成分碳烟的生成机理有关碳烟形成的机理目前正在研究之中

38、，当前已有有关碳烟形成的机理目前正在研究之中，当前已有多种论述，主要有：（多种论述，主要有：（1 1）燃料分子以脱氢的形式）燃料分子以脱氢的形式发生分解，生成碳微粒而凝集成固体碳；（发生分解，生成碳微粒而凝集成固体碳；（2 2）与）与此相反，认为在火焰中最初有些燃料分子聚合成大此相反，认为在火焰中最初有些燃料分子聚合成大的分子或是油滴，它们起脱氢反应而变成碳粒子，的分子或是油滴，它们起脱氢反应而变成碳粒子，（3 3）折中前两种说法，认为在高温火焰下，能产）折中前两种说法，认为在高温火焰下，能产生部分分解及脱氢反应的一些中间生成物，而这些生部分分解及脱氢反应的一些中间生成物，而这些中间产物边聚合

39、边进一步脱氢逐渐变成固体碳粒。中间产物边聚合边进一步脱氢逐渐变成固体碳粒。现在都还不能圆满地解释生成碳粒的这一复杂过程，现在都还不能圆满地解释生成碳粒的这一复杂过程，但多数人认为第但多数人认为第(3)(3)种论述种论述“乙炔学说乙炔学说”能较正确解能较正确解释碳粒的形成。释碳粒的形成。4.4、柴油机排气中的有害物质的控制柴油机排气有害成分中NOx为最多，碳烟又是柴油机具有代表性的、危害权很大的燃烧产物。因此，降低排气有害物质，对柴油机来说主要是对碳烟和氮氧化物进行控制。通常可采用很多方法，然而这些方法在不同程度上会影响燃烧性能；并且要同时降低碳烟和氮氧化物的措施往往是相互矛盾的，故应权衡利弊，

40、综合考虑，合理采用。4.4、柴油机排气中的有害物质的控制（1 1）燃油品质）燃油品质 提高燃料的十六烷值，使着火延迟期缩短，在高温提高燃料的十六烷值，使着火延迟期缩短，在高温火焰中直接接触液态燃料的机会增多，从而加快脱氢反应，火焰中直接接触液态燃料的机会增多，从而加快脱氢反应，碳烟有增加的倾向。当十六烷值相同时，芳香烃燃料比烷碳烟有增加的倾向。当十六烷值相同时，芳香烃燃料比烷烃燃料更容易产生碳姻，高沸点的双环芳香烃更甚。这是烃燃料更容易产生碳姻，高沸点的双环芳香烃更甚。这是因为芳香烃在高温缺氧区更容易产生脱氢反应，使碳烟生因为芳香烃在高温缺氧区更容易产生脱氢反应，使碳烟生成量增加。成量增加。与

41、此相反，十六烷值较高的燃料，可获得铰低的与此相反，十六烷值较高的燃料，可获得铰低的NONO生成量。图生成量。图633633是十六烷值分别为是十六烷值分别为4040、5252和和5656三种燃料三种燃料实测的结果。十六烷值低的燃料着火延迟期较长，所以在实测的结果。十六烷值低的燃料着火延迟期较长，所以在循环早期燃烧时，能产生较高的气体温度，使稀火焰区形循环早期燃烧时，能产生较高的气体温度，使稀火焰区形成较多的一氧化氮。成较多的一氧化氮。十六烷值对一氧化氮的影响含钡燃料的平均有效压力与碳烟的关系4.4、柴油机排气中的有害物质的控制（2）燃料添加剂燃料添加剂对减少碳烟具有显著效果。特别是可油溶的含有钡

42、族之类金属的添加剂更为有效。（3）燃油渗水柴油渗水并通过微量乳化剂，形成暂时稳定的水油乳化液，对降低NO和碳姻的排放有明显的效果。燃料中含水对排气烟度也有很大影响。4.4、柴油机排气中的有害物质的控制（4）喷射正时迟后喷油正时降低了初始放热率，使燃烧最高温度降低和缩短者火延迟期，因而减少了NO的生成量。这是当前柴油机对N Ox净化的主要措施。但是在直接喷射式柴油机中会增加烟度，因此为了抑制碳烟等不利影响，可通过提高喷油率和采用促进燃料蒸发及与空气混合的措施。4.4、柴油机排气中的有害物质的控制（5）废气在循环将柴油机排出的部分废气再返回到缸内，对降低NOx有明显效果。NO浓度下降几乎与废气再循

43、环百分数成比例，当废气再循环量达到15%时，NO则减半。对于碳烟，因废气再循环降低了燃烧室中氧气的浓度，造成局部缺氧的燃烧，使碳烟几乎成倍的增长。4.4、柴油机排气中的有害物质的控制6 6、燃烧方式、燃烧方式5、柴油机冷起动柴油机冷起动时混合气形成和着火冷起动过程大致分为三个阶段；即首次着火前的运转；从首次着火至柴油机升速阶段的运转；至温度大致保持不变的暖机运转。1、首次着火前的运转在低温下决定柴油机起动的主要因素有两个：一是要有足够高的压缩温度，二是有易燃的混合气（包括空气与燃油的混合和先期反应）。2、首次着火至柴油机升速阶段的运转除了在起动过程中引起除了在起动过程中引起着火的只是喷油量中一

44、着火的只是喷油量中一部分外，还有另一个重部分外，还有另一个重要因素，即在起动过程要因素，即在起动过程中，喷油器的抖动对混中，喷油器的抖动对混合气形成质量有着不可合气形成质量有着不可忽视的影响。这两个因忽视的影响。这两个因素使分布在燃烧空间的素使分布在燃烧空间的燃油大大减少，并恶化燃油大大减少，并恶化了混合气的着火质量。了混合气的着火质量。3、暖机运转如上所述，低温冷起动必然伴随有熄火现象。因此，如上所述，低温冷起动必然伴随有熄火现象。因此，从起动直接转入空负荷运转是不适当的。也就是说，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在稳定的空负荷运转前首先

45、应加速到某一转速(通常通常为标定转速为标定转速)，在该转速下进行稳定的空负荷运转，在该转速下进行稳定的空负荷运转，即为暖机运转的开始即为暖机运转的开始(第三阶段第三阶段)。随柴油机运转时。随柴油机运转时间增加，燃烧室壁温较快也增加到一个固定值。从间增加，燃烧室壁温较快也增加到一个固定值。从而，一氧化碳、甲烷、乙烯和总的碳氢比合物浓度而，一氧化碳、甲烷、乙烯和总的碳氢比合物浓度降到某定值，此时便完成了暖机运转阶段降到某定值，此时便完成了暖机运转阶段5.2、柴油机工作参数与冷起动性能之间的关系1、转速与冷起动性之间的关系增加拖动柴油机的平均转速，通常会使压缩压力及压缩温度提高。拖动转速过高，有时起

46、动性反倒会变坏。拖动转速越快，压缩温度越高，着火可利用的时间也越短，所以有时出现不着火现象。1、转速与冷起动性之间的关系当要求的压缩温度和实际的压缩温度、可利用的着火延迟时间和要求着火延迟时间一致时，就能立即着火。否则，对于低拖动转速就需经过相当长的连续拖动时间，使压缩温度升高到所要求的值时才能着火；而在高拖动转速时，着火可利用的时间小于需要的着火延迟时间，则不能实现着火。2、喷油定时与冷起动性的关系起动性最佳的喷油定时起动性最佳的喷油定时的着火延迟期也最小。的着火延迟期也最小。喷油定时过迟或过早，喷油定时过迟或过早，则难以起动或起动后又则难以起动或起动后又熄火。实践证明，正常熄火。实践证明，

47、正常运行的最佳喷油定时对运行的最佳喷油定时对于最佳冷起动来说一般于最佳冷起动来说一般都偏早。都偏早。3、喷油量与冷起动性能之间的关系最有利起动喷油量，通常为全负荷的最有利起动喷油量，通常为全负荷的1.521.52倍。倍。起起动时增加喷油量，可使气缸内相继循环的燃料积存动时增加喷油量，可使气缸内相继循环的燃料积存量增多，改善了活塞和气缸之间的气密性，这就提量增多，改善了活塞和气缸之间的气密性，这就提高了实际压缩比。此外，气缸内积存的燃料增加，高了实际压缩比。此外，气缸内积存的燃料增加，被压缩时会引起焰前反应而促进喷射燃料的着火。被压缩时会引起焰前反应而促进喷射燃料的着火。在起动期间如果先多量喷射

48、几次后再减少喷油量、在起动期间如果先多量喷射几次后再减少喷油量、着火就更容易。这表明喷油量过多后会使喷雾的汽着火就更容易。这表明喷油量过多后会使喷雾的汽化潜热增加，这将对起动性能有不利的影响。化潜热增加，这将对起动性能有不利的影响。4、低温与起动性能的关系在低温下柴油机不但起动困难，而且已起动但尚未达到正常运转状态的柴油机，其排气中有浓度较大的白烟或蓝烟。当循环温度过低时，通常不能使压缩终点时的空气温度达到着火的水平。图647表示环境温度为-15和-25时的起动过程在这样低温下，即使电热塞经充分预热，着火后也不能立即起动。在200300转分之间需要起动电机拖转一段时间，使柴油机转速逐步升高，而

49、当转速超过300转分后，迅速加速，完成起动。其原因是低温时机油粘度大，柴油机各滑动面有较大的摩擦阻力，以致柴油机的摩擦阻力矩大于着火力矩。5.3、柴油机冷起动性能的预测与改善措施柴油机冷起动性能的预测预测冷起动性能时，首先根据环境温度和选定的拖动转通，用图648推测出压缩温度。亦可根据发动机设计参数计算出压缩温度，但需考虑传热损失和漏气损失。根据喷油定时和拖动转速，计算出可利用的着火时间，然后用图650确定冷起动所要求的压缩温度。柴油机冷起动性能的预测 由要求的压缩湿度和推测的压缩温度，计算出需要的压缩温度增量，再利用图649可以估计出着火前必须经过的循环次数。最后就能估算出在选定的拖动转速下

50、，为实现着火所需的连续拖动时间。2、提高冷起动性能的措施1 1、增大压缩比和提高、增大压缩比和提高进气温度进气温度增大压缩比和提高进气增大压缩比和提高进气温度，均可使气缸内的温度，均可使气缸内的温度增加，因而有利于温度增加，因而有利于起动时的着火。起动时的着火。2、装置电热塞电热塞对冷起动性能的电热塞对冷起动性能的效果，在很大程度上取效果，在很大程度上取决于电热塞和喷雾的相决于电热塞和喷雾的相对位置。对位置。3、燃料的十六烷值及添加剂的效果提高燃料十六烷值可改提高燃料十六烷值可改善柴油机的起动性能早善柴油机的起动性能早已为人们所知。在燃料已为人们所知。在燃料中加添加剂也可以提高中加添加剂也可以