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柴油混合气形成和燃烧

2009-08-17 07:58:00 薛文祥

    柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油,其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不同。

    特点:缸内进行,即在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内,时间短,难以形成均匀的混合气,燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化;柴油本身粘度大,蒸发性不好;混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧,且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。

    一、燃烧过程

    柴油机燃烧过程非常复杂,为了便于分析和揭示燃烧过程的规律,通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段,即着火延迟期(又称为滞燃期)、速燃期、缓燃期和补燃期,如图所示。 

柴油混合气形成和燃烧

    (一)着火延迟期 

    从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。着火延迟期内,燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。

    物理准备过程:燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合;

    化学准备过程:混合气的先期化学反应直至开始自燃。

    特点:压力没有偏离压缩线。

    影响着火延迟期长短的主要因素是:喷油时缸内的温度和压力越高,则着火延迟期越短。柴油的自燃性较好(十六值较高),着火延迟期较短。燃烧室的形状和壁温等。

    喷油提前角:开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。

    (二)速燃期 速燃期:从开始着火(即压力偏离压缩线)到出现最高压力

    特点:压力急剧上升,压力达到最高(有可能达到13MPa以上)

    一般用压力升高率λp〔kPa/(º)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。

    λp=△p/△θ

    式中:△p—速燃期始点和终点的气体压力差(kPa); △θ—速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差(CAº)。

    特点:压力升高率很高,接近等容燃烧,工作粗暴;达到最高压力(6~9MPa);继续喷油。

    压力升高率过大,则柴油机工作粗暴,燃烧噪音大;同时运动零件承受较大的冲击负荷,影响其工作可靠性和使用寿命;

    压力升高率大,燃烧迅速,柴油机的经济性和动力性会较好;压力升高率应限制在一定的范围之内,柴油机的压力升高率一般应不大于0.4~0.5MPa/(º)曲轴。与汽油机相比,柴油机的压力升高率较大。

    控制压力升高率的措施:减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量,如:缩短着火延迟期的时间;减少着火延迟期内喷入;减少可能形成可燃混合气的燃油。

    (三)缓燃期

    缓燃期为图中的CD段,即从最大压力点至最高温度点。

    当缓燃期开始时,虽然气缸内已形成燃烧产物,但仍有大量混合气正在燃烧。

    特点:喷油过程基本结束,燃烧速率下降(氧气、柴油浓度减小,废气增多);压力开始下降(气缸容积不断增大),温度达到最高。最高温度可达2000K左右,一般在上止点后20º~35º曲轴转角处出现。

    (四)补燃期

    从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点很难准确地确定,一般当放热量达到循环总放热量的95%—99%时,可认为补燃期结束。

    补燃期内燃油的燃烧可称为后燃,由于燃烧时间短促,混合气又不太均匀,总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下,因过量空气系数小,混合气形成和燃烧的时间更短,这种后燃现象就更为严重。

    在补燃期中,由于活塞下行了相当的距离,气缸内容积增大很多,缸内压力和温度迅速下降,故燃烧速度很慢,所放出的热量很难有效利用,还使排气温度升高,导致散热损失增大,对柴油机的经济性不利。此外,后燃还增加了有关零件的热负荷。因此,应尽量缩短补燃期,减少补燃期内燃烧的燃油量。

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