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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。 

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    (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。

●  柴油机混合气的形成

一、柴油机混合气的形成的特点

    柴油机所用的燃料(柴油)粘度较大,不宜挥发,必须借助喷油设备(喷油泵和喷油器等)将柴油在接近压缩行程终了的时刻,通过高压以细小的油滴形式(油滴直径在之间)喷入气缸,与高温高压的热空气混合,经过一系列物理化学准备,然后着火燃烧。故柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气。

    柴油机可燃混合气的形成时间极为短促,这就给柴油机中柴油与空气的良好混合和完全燃烧带来很大困难。而且喷油与燃烧重叠,出现边燃烧,边喷油,边混合的情况。因此混合气形成过程很复杂。

    柴油机由于难以实现喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合,因此要求空气对燃料的比例一般比汽油机大。过量空气系数通常在标准工况下都大于1,一般在1.15~2.20范围内。 

二、柴油机可燃混合气的形成方式 

    柴油机混合气形成方式从原理上来分,有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。

    1.空间雾化混合

    将燃油喷向燃烧室空间,形成雾状,雾状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散,与空气形成混合气。为了使混合均匀,要求喷出的燃油与燃烧室形状配合,并利用燃烧室中空气的运动与其混合,如下图(a)所示。

    2.油膜蒸发混合

    将大部分燃油喷到燃烧室壁面上,形成一层油膜,油膜受热汽化蒸发,在燃烧室中强烈的涡流作用下,燃油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气,如下图(b)所示。这一混合方式中起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。

柴油混合气形成和燃烧

●  影响燃烧过程的因素

    一、柴油的性质

    (一)柴油的自燃性

    十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标,对燃烧过程也有一定影响。十六烷值越高,着火性越好。着火性好的柴油,使着火延迟期缩短,柴油机工作柔和。但是十六烷值过高,燃料分子量加大,使燃油蒸发性变差、粘度增加,导致燃烧不完全,排气冒黑烟,燃油经济性下降。因此,国产柴油的十六烷值规定为40~50之间,不必要过分增大。

    (二)柴油的蒸发性

    柴油的蒸发性用馏程表示。馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度,通常以馏出50﹪的温度来评定。馏程低,说明这种燃轻馏分多,蒸发性好,有利于混合气形成,改善了燃烧过程。但是,馏程过低,燃料蒸发过快,则在着火延迟期内形成的混合气量过多,柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200℃~300℃。

    二、影响燃烧过程的运转因素

    1.负荷

    柴油机的负荷调节方法是“质调节”,即空气量基本上不随负荷变化,而只调节循环供油量。负荷增大,循环供油量也增大,过量空气系数减小,单位容积内混合气燃烧放出的热量增加,使缸内温度上升,缩短着火延迟期,从而降低了柴油机的工作粗暴。如图为负荷对着火延迟期的影响。

柴油混合气形成和燃烧

    在中、小负荷工况下,燃烧热效率的变化一般不大,但随负荷增大,循环供油量加大,过量空气系数减小,燃烧过程延长,都可能使燃烧效率下降。

    2.转速

    转速升高时,由于散热损失和活塞环的漏气损失减小,使压缩终点的温度和压力增高;转速升高也会使喷油压力提高,改善燃油的雾化,这些都使得以秒为单位的着火落后期缩短,而以曲轴转角为单位的着火延迟期则有可能缩短,也可能延长,如图给出了转速对着火延迟期影响的实例。

柴油混合气形成和燃烧

    一般来说,转速过高或过低时,都会使燃烧热效率降低。转速过高时,燃烧所占的曲轴转角加大,充气效率下降,热效率下降;转速过低时,空气涡流减弱,喷油压力下降,使混合气质量变差,热效率也会下降。

    3.供油提前角(或喷油提前角)

    供油提前角过大,喷油时气缸内温度、压力较低,着火落后期较长,压力升高率和最大爆发压力增大,导致柴油机工作粗暴,NOx的排放量增加。过早燃烧还会增加压缩负功,降低柴油机的经济性和动力性。

柴油混合气形成和燃烧

    供油提前角过小,则燃油不能在上止点附近及时燃烧,对柴油机的经济性和动力性也不利,微粒的排放也会增加。过迟燃烧还会使燃烧温度升高,散热损失增加。

    对于每一种工况,均有一个最佳的供油提前角,此时在负荷及转速不变的前提下,功率最高,有效燃油消耗率最低。但为了兼顾降低NOx的排放量和燃烧噪声的需要,一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角。

    由图可见,NOx的排放量和燃烧噪音随供油提前角变小而下降,故实际中常将推迟喷油作为减小NOx的排放量和燃烧噪音的有效措施加以采用,但这往往也是以有效燃油消耗率和微粒的排放量上升为代价的。

    在不同转速和负荷下,最佳的供油提前角也不同。当转速增加时,由于喷油延迟角增大以及燃烧过程所占的曲轴转角可能增大,为保证燃油在上止点附近及时燃烧,需要适当加大供油提前角。一般直喷式燃烧室最佳供油提前角随转速的变化比分隔式燃烧室的大。

    汽车柴油机中的供油提前角调节装置,就是用于实现最佳供油提前角随转速的变化调节的。当负荷增加时,由于循环供油量增大以及燃烧过程变长,也需要适当加大供油提前角。对于最佳供油提前角随负荷的变化调节,则较难实现。只有在柴油机电控喷射系统中,才能真正实现最佳供油提前角随各种工况变化的准确调节。

    4.废气再循环(EGR)

    废气再循环已得到了较多的实际应用(主要在轿车柴油机中),它是指将一部分已燃的废气再次引入燃烧室内参加燃烧。废气再循环可能由简单的机构来控制,也可以与电控喷射系统相结合,实现更精确、更理想的控制。通过废气再循环降低了燃烧过程中的工质温度,从而有效的控制了NOx的生成,降低了NOx的排放量。

    但由于它实际上降低了过量空气系数,会对完善、及时的燃烧产生不利的影响,从而也会使碳烟的排放量增多,柴油机经济性变差,特别是在高速、高负荷的工况下更是如此。因此,仅在低速、低负荷的一定范围内,才在进气中掺入一定量的废气。

    三、结构方面的因素

    1.压缩比

    压缩比较大时,压缩终点的温度和压力都比较高,使着火延迟期缩短,发动机工作比较柔和。不同压缩比对着火延迟期的影响如图所示。同时,压缩比的增大,还能提高发动机工作的经济性和改善起动性能。

柴油混合气形成和燃烧

    如果压缩比过高,燃烧最高压力会过分增大,曲柄连杆机构会承受过高的负荷,影响发动机的使用寿命。

    2.活塞材料的影响

    铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高,可以缩短着火延迟期,因此在其他条件相同时,采用铸铁活塞的柴油机工作比较柔和。

    3.喷油规律的影响

    喷油规律是指单位时间(或转角)的喷油量即喷油速度随时间(或转角)而变化的关系。从减轻燃烧粗暴性考虑,比较理想的喷油规律是“先缓后急”即在着火延迟期内喷入气缸的油量不宜过多,以控制速燃期的最高燃烧压力和平均最大压力升高率,而着火燃烧后,应以较高的喷油速率将燃油喷入气缸,停油应干脆迅速,喷油延续角不宜过大,目的是使燃烧过程尽量在上止点附近进行,以获得良好的性能。

    如图表明了喷油规律对燃烧过程的影响。图中gf为每循环喷油量,两种喷油规律的喷油提前角θfj及着火延迟期τi均相同。

柴油混合气形成和燃烧

    曲线1所示的喷油规律是开始喷油很急,在着火延迟期中喷入气缸的燃油较多,因此平均压力升高率和最高燃烧压力都较大,工作较粗暴;

    而曲线2所示的喷油规律基本满足“先缓后急”的要求,当喷射持续角保持不变时,燃烧比较柔和。

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