汽车性能与使用技术第4章

第四章柴油机的燃料与燃烧第一节柴油的性质第二节柴油机混合气的形成与燃烧第三节改善柴油机燃烧过程的措施第四节柴油机的排放与噪声柴油的品质和使用性能的好坏，对燃烧有重要影响。影响柴油品质和使用性能的主要因素有：柴油的自燃性、蒸发性、黏度和凝点。车用柴油机都使用轻柴油1．柴油的自燃性在无外源点火的条件下，燃料空气混合气能自行着火的性质叫自燃性，使其自行着火的最低温度叫自燃温度。柴油的自燃性用十六烷值来衡量，十六烷值高，自燃性好。自燃性好的柴油，能使燃烧过程的滞燃期缩短，柴油机工作柔和。但十六烷值过高，会造成燃油刚喷出喷孔就围绕喷油器燃烧，形成高温裂解，排气冒黑烟，经济性下降。车用柴油机十六烷值一般在40～50范围内。柴油机转速越高，可用来混合和燃烧的时间相对越短，因此，要求柴油的自燃性好，一般用十六烷值较高的柴油。在柴油中加入添加剂可以提高其十六烷值第一节柴油的性质下一页返回2．柴油的蒸发性柴油的蒸发性直接影响可燃混合气形成的速度，对燃烧过程也有一定的影响。规范中一般给出50%馏出温度和90%馏出温度，50%馏出温度越低，柴油中所含轻馏分越多，蒸发性越好，可以更快地形成可燃混合气，适应高速柴油机燃烧时间极短的要求。但馏程过低，会造成燃料蒸发过快，在滞燃期内形成的混合气量过多，速燃期燃烧的混合气量过大，柴油机工作粗暴。轻柴油的全馏程约为433～638K柴油的蒸发性也会影响柴油机的冷启动，50%馏出温度越高，则相应的柴油机冷启动时间也就延长。柴油的馏分因机型的需求而异。涡流室、预燃室柴油机对馏分的敏感性低，可用有较宽馏分和较重馏分的柴油，高速直喷式柴油机需要较轻和较窄馏分的柴油。第一节柴油的性质上一页下一页返回3．黏度柴油的黏度决定其流动性。黏度低，流动性好，柴油从喷油器喷出时雾化性好。但黏度过低会失去必要的润滑能力，会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。黏度过大，流动阻力大，滤清困难，喷雾不良4．凝点柴油的凝点是指其失去流动性的温度。柴油在接近凝点时，由于流动性差，使供油困难，喷雾不良，柴油机无法正常工作。因此，凝点的高低是选择柴油的主要依据《GB252-2000轻柴油》标准中，对其质量水平只设一个档次。轻柴油按凝点分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号和-50号共七个牌号，各牌号适用的工作范围如表4-1所示第一节柴油的性质上一页返回柴油机的燃烧是影响柴油机动力性、经济性和排放特性的关键因素。控制柴油机燃烧的首要因素是缸内可燃混合气的形成，其次是着火延迟和着火后的火焰传播等。一、柴油机混合气形成的基本方式1．混合气形成特点柴油黏度大，不易挥发，必须提高喷油压力，才能实现柴油可靠雾化。柴油机根据各缸工作顺序，在接近压缩行程终了时，由喷油器将柴油以一定压力、定时、定量喷入气缸，与高温高压的流动空气混合，形成可燃混合气，自行着火燃烧柴油机混合气的形成时间极短，直接喷入气缸的燃油很难与空气进行良好混合，形成的混合气不均匀。其突出特点是边喷油、边雾化、边混合、边燃烧，喷油与燃烧重叠进行，而混合气的品质还与燃烧室结构及气缸中的空气运动有密切关系。因此，柴油机混合气形成和燃烧过程极为复杂。第二节柴油机混合气的形成与燃烧下一页返回2．混合气形成方式根据柴油机燃烧室结构的不同，混合气的形成方式可分为空间雾化和油膜蒸发两种。1)空间雾化混合方式。喷油器将燃油以一定压力、一定射程和一定雾化质量喷入燃烧室的整个空间，在整个燃烧室形成油雾，并从高温空气中吸热蒸发、扩散，与高温高压空气混合，形成可燃混合气如图4-1所示，为得到均匀的混合气，要求燃烧室内的空气有一定的运动，形成进气涡流和压缩涡流，孔式喷油器喷雾要细，喷注射程和形状与燃烧室结构相匹配。吹散的油雾与气缸内高温高压的旋转空气流混合，形成均匀的可燃混合气，但气缸内的涡流运动强度要合适。2)油膜蒸发混合方式。喷油器将大部分燃油喷射到燃烧室的壁面上，形成一层油膜，油膜在强烈的空气涡流作用下，受热蒸发气化，与流动的空气混合，形成较均匀的可燃混合气。因为燃烧时逐层蒸发、逐层气化、逐层混合、逐层燃烧，同时参与燃烧的混合气量不太多，柴油机工作柔和。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回通常车用柴油机工作时，两种混合方式兼而有之，分别以其中一种混合方式为主要形式。二、喷雾的形成燃料在流经喷孔射出时，被撕碎成微粒群的过程称为燃料喷雾燃油在高压下高速流过喷油嘴的喷孔时，将发生分裂、雾化、周围空气掺入等现象，最后形成油束与燃烧室中的空气混合。从喷孔射出的油雾称为油束或喷注。油束的中心是主油束区，其中的油粒密度大，前进速度快，油束外围是混流区，为分裂和蒸发后的小油粒、燃油蒸气与周围空气的混合过渡区。经过一级雾化后，气缸中空气的动力作用将油束撕裂成片、带、泡或大颗粒的油滴。经过二级雾化，空气动力作用将片、带、泡或大颗粒的油滴再粉碎成细小的油滴。为使柴油机每次喷射的燃料得到完全燃烧，必须使燃料分子与适量的氧分子进行化合，满足这一条件最常用的方法就是将燃油分散成细小的微粒，以增加与空气中氧分子的接触机会。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回喷雾质量由喷雾特性表示，它综合了喷雾的细微度和均匀度两个指标。喷雾的细微程度用油粒直径的大小表示，喷雾中，直径小的油粒越多，表示喷雾越细将燃油分散成细小微粒，可以增加燃料与空气的接触面积。油粒大小的均匀性，表示油粒直径的变化范围。油粒尺寸变化范围大，表示均匀性差。三、柴油机混合气的燃烧过程高速柴油机混合气的燃烧过程如图4-2所示，根据燃烧过程的特点，把整个过程分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段，常用缸内压力与曲轴转角的关系(p-θ)图进行分析讨论1.滞燃期(着火延迟期)从开始喷油到混合气着火形成焰心这一段时期，称为滞燃期，如图4-2中I阶段所示第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回在滞燃期内，燃料不断喷入气缸，但柴油尚未着火。在这段时期内，柴油要经过雾化、蒸发、扩散和与空气混合的物理过程，以及与空气中氧分子进行化学反应的化学过程。其循环放热很小，可忽略不计，缸内气体压力和温度变化仍取决于压缩行程进行的程度。滞燃期愈长，其间喷入气缸的燃料量愈多，形成的可燃混合气也就愈多。一旦着火，则下一阶段(急燃期)的燃烧愈急剧，导致缸内压力迅速升高，造成柴油机燃烧过程噪声较大，部件承受的机械负荷也较大柴油机的十六烷值是影响滞燃期的最重要的因素。十六烷值愈高，滞燃期愈短2。速燃期(急燃期)从气缸内着火开始，到出现最高燃烧压力为止这一段时期称为速燃期，如图4-2中II阶段所示。速燃期是混合气燃烧的重要时期，直接影响发动机的动力性、经济性和排放性。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回在速燃期内，混合气着火后，形成多个火焰中心，各自向四周传播，使混合气迅速燃烧，放出大量热量，使气缸内温度、压力迅速升高。当活塞处于上止点附近时，气缸容积小，燃烧速度加快，速燃期结束时，缸内最高压力为6～9MPa混合气燃烧过程中的压力升高程度，通常用整个速燃期的平均压力升高率来衡量，即：式中，△P为速燃期终点和始点的气体压力差，kPa；△θ为速燃期终点和始点的曲轴转角差，°CA若压力升高率过大，会对机件产生冲击波式的撞击，运动件的冲击负荷增加，运转不平稳，燃烧噪声增大，即所谓的工作粗暴。气缸内的高温、高压还会导致NOx的含量增加。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回但压力升高率太小，则热效率降低，发动机动力性下降。通常缩短着火延迟期和控制参与燃烧的柴油数量，是保证柴油机工作柔和，减轻振动的有效措施。一般压力升高率控制在每度曲轴转角不大于400～600kPa3．缓燃期从气缸内压力达到最高点，到燃气温度升到最高点为止这一段时期称为缓燃期，如图4-2中III阶段所示在此期间，虽然喷油过程已结束，但气缸内部分未燃烧的混合气及着火后喷入的部分燃油与空气混合后继续燃烧，使气缸内温度达到最高。但由于是在气缸容积加速增大的情况下进行的，因此气缸内气体压力迅速下降。在缓燃期中，燃烧产物不断增多，氧气及柴油浓度不断下降，所以缓燃期的后期，燃烧速度显著减慢。缓燃期结束时，放热率达70%～80%。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页下一页返回在温度和压力较高的缓燃期内，如果混合气形成不利使局部空气不足，燃油容易裂解、聚合形成炭烟(炭黑)。如果空气足够、温度较高，炭烟还能在后来的燃烧中遇到空气而进一步燃烧，减少炭烟的排放。因此，柴油机必须在过量空气系数大于1的条件下工作。4。后燃期从燃气温度达到最高点到燃烧基本结束为止这一段时期称为后燃期，如图4-2中IV阶段所示。由于柴油机的燃烧时间短，混合气又不均匀，因此燃烧速度受到限制，燃烧时间拖长后燃期中，气缸内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，燃烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，反而使零件热负荷增大，排气温度升高，易使发动机过热。因此，后燃期应尽量缩短。第二节柴油机混合气的形成与燃烧上一页返回一、影响柴油机燃烧过程的因素影响柴油机燃烧过程的因素很多，根据各影响因素的特点，大致可分为燃料、结构和使用三个方面。1．燃料的影响(1)燃料性质的影响。车用柴油机都使用轻柴油，柴油的自燃性、蒸发性、黏度和凝点对燃烧过程有着重要影响。柴油的十六烷值大，发火性好，容易自燃柴油的辛烷值越高，抗爆性越好，越不容易发生爆燃。柴油的蒸发性越强，就越容易气化，与空气混合形成的混合气质量越好，燃烧速度快，且易于完全燃烧。但蒸发性过强，会出现供油气阻或断油现象，造成供油不足，混合气过稀，燃烧性能下降。柴油的黏度越低，流动性越好，喷油时雾化性好。但黏度过低会加剧喷油泵和喷油器中零件的磨损。柴油黏度过大，使流动阻力大，雾化不良，混合气燃烧不完全，废气中微粒增加，排气冒黑烟第三节改善柴油机燃烧过程的措施下一页返回柴油在接近凝点时，流动性差，喷雾不良，造成柴油机无法正常工作。(2)混合气成分的影响。柴油机混合气成分对火焰传播速度和燃料的燃烧过程都有重要影响。1)发动机怠速或低负荷运转时，喷油量减小，进入气缸的空气量变化不大，混合气变稀，火焰传播速度降低，燃烧缓慢，使燃烧过程进行到排气行程终了，后燃增多，发动机功率下降，油耗增多。2)发动机大负荷运转时，喷油量增加，混合气浓，火焰传播速度提高，滞燃期缩短，火焰传播速度快，发动机功率增大。大负荷工况时，因混合气较浓，燃烧不完全，排气冒黑烟，HC、CO和微粒的含量增加。而且在各种混合气成分中，以供给最大功率混合气时最易爆燃。3)当使用最大功率混合气时，火焰传播速度最快，从火焰中心形成到火焰传播到末端，混合气的火焰传播时间缩短，使爆燃倾向减小，因气缸内压力、温度较高，压力升高率较大，又使爆燃倾向增大。第三节改善柴油机燃烧过程的措施上一页下一页返回2．结构因素的影响(1)压缩比的影响。一般情况下，柴油的压缩比都比汽油机大，因此，在柴油机的燃烧过程中，气缸内的压力比汽油机高。不同压缩比对滞燃期的影响如图4-3所示。压缩比较大的柴油机，压缩终点时的温度和压力都比较高，使燃烧的滞燃期缩短，工作比较柔和。同时，压缩比的增大，还能提高发动机工作的经济性，并能改善启动性能。但压缩比过高，会造成燃烧最高压力会过大，爆燃严重，使曲柄连杆机构承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命(2)燃烧室的影响。燃烧室的造型和喷油器的布置确定了混合气的形成方式。根据这两个特征，柴油机的燃烧室基本上分为两类，直接喷射式燃烧室和分开式燃烧室。1)直接喷射式燃烧室。直喷式燃烧室布置在活塞顶与缸盖形成的统一空间内，燃油直接喷人这一空间，与空气进行混合和燃烧。车用柴油机常用的直喷式燃烧室有ω形燃烧室和球形燃烧室。第三节改善柴油机燃烧过程的措施上一页下一页返回ω形燃烧室分为回转体ω形燃烧室和非回转体ω形燃烧室两种类型。回转体形燃烧室如图4-4所示，燃烧室的断面形状呈ω。这种燃烧室的混合气形成是以空间雾化混合为主，燃油从多孔喷嘴喷出，大部分喷到燃烧室空间，并组织一定强度的进气涡流及挤气涡流，以加速混合气的形成。喷注的射程、燃烧室直径d和涡流强度要良好配合