柴油机燃烧过程.ppt

燃烧过程 燃烧 自压缩行程末期燃油喷入气缸 直到在膨胀中燃烧结束的整个燃烧过程中 缸内燃袖经历了以内部混合形成可烧混合气 以压缩发火方式形成自燃发火 以及火焰扩散形成燃烧的全部过程 一 可燃混合气的着火自行着火是一个复杂的物理 燃油的喷射 雾化 蒸发和混合 与化学 焰前氧化反应 变化过程 燃烧过程必须经历可燃混合气自行着火 自燃 和稳定燃烧 火焰的传播 两个阶段 如果个别火焰中心在传播途中遇到不合适的可燃混合气 如浓度过浓或过稀 则火焰传播中断 燃烧过程二 燃烧过程滞燃阶段I 自喷油始点A至着火点B 速燃阶段2 自着火点B至最高压力点C 缓燃阶段3 自最高压力点C至最高温度点D 后燃阶段4 自最高温度点至燃烧终点 1 滞燃阶段 A B 燃油从A点喷入气缸 这时虽然气缸中空气的温度一般高于在当时压力下燃油的燃点 但燃油并不能立刻燃烧 从A点至B点 气缸内的压力基本与压缩线重合 直到B点因压力急剧上升才离开压缩线 B点是发火点 因此从A点至B点称为燃烧过程的滞燃期 在滞燃期中 燃油进行着一系列发火前的物理和化学准备 燃抽在滞燃期内没有产生明显的燃烧 焰前氧化反应的放热量与物理准备的吸热量基本相等 因此气缸内的压力和温度基本与压缩压力和温度相同 滞燃期气缸内的压力和温度取决于压缩终点的状态 滞燃期内形成的可燃混合气的数量决定了后续速燃期燃烧的急剧程度 当滞燃期结束时 滞燃量将立即全部投入燃烧 而且这时活塞接近上止点 气缸容积很小 致使气缸内压力偏离压缩线并迅速达到最高爆发压力 滞燃期的长短可用滞燃角度 CA 表示 亦可用滞燃时间来表示 应愈短愈好 但过短时也会发生不正常燃烧 2 速燃阶段 B C 从气缸内燃油发火燃烧到出现最高压力为止的这段时期称为速燃期 柴袖机的发火点一般在上止点前几度曲轴转角 而最高爆发压力点约为上止点后lOCA一l5CA 特点是气缸中的压力迅速上升至最高爆发压力 一是由于燃烧急剧进行 二是由于活塞的位移极微 在速燃期中 不但烧掉了滞燃期形成的可燃混合气 还烧掉了速燃期喷入气缸并已完成了燃烧准备的部分燃油 燃烧近乎在等容状态下进行 评价速燃期的重要参数是平均压力增长率 它表示本阶段内气缸内相应于单位曲轴转角的平均压力增长量 平均压力增长率小 则柴油机工作柔和 燃烧平稳 无敲击声 大则粗暴 常伴有敲击声 一般 0 4MPA速燃期的燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃油与空气混合速度的办法来加以控制 故亦称不可控燃烧期 由于速燃期的可燃混合气主要是滞燃期喷入气缸的燃油所准备的 所以应通过滞燃期来影响速燃期 力求缩短滞燃期 减少滞燃量 控制可燃混合气的形成量 滞燃期对燃烧质量起决定作用 控制滞燃期是影响燃烧过程的重要手段 此阶段亦称预混合燃烧阶段 3 缓燃阶段 C D 从气缸内工质出现最高压力到出现最高温度这段燃烧期称为缓燃期 最高温度一般出现在上止点后2OCA一35CA 在缓燃期中燃烧速度仍然很快 工质温度可迅速上升至最高温度 约1700C一2000C瞬时温度 在缓燃期中由于燃烧室内已充满燃烧产物和正在燃烧的火焰 燃油油滴喷人气缸即行蒸发燃烧 但此时由于活塞已离开上止点下行 气缸容积迅速扩大 故燃烧燃油量虽多而工质压力却缓慢下降 近似于等压燃烧 该燃烧期的燃烧速度取决于喷入气缸的燃油分子寻找氧分子的速度 故亦称扩散燃烧阶段 此阶段燃烧室中的废气和燃烧中间产物增多而氧分子变少缓燃期的主要矛盾是油气得到氧分子的速度赶不上燃烧速度的需要而发生不完全燃烧 此燃烧期的长短主要取决于负荷大小 亦称可控燃烧期 速燃期和缓燃期构成了燃油明显燃烧时期 故统称为主燃期 4 后燃阶段 D E 后燃是燃烧过程在膨胀行程中的继续 其原因有二 一是在缓燃期中难免有一部分燃油因遇不到足够的氧分子而来不及燃烧或燃烧不完全 二是部分燃烧产物在高温下发生逆化学反应 这些燃烧产物只能在活塞下行 气缸内温度下降后才能重新进行燃烧 因此完全消除后燃现象是不可能的 但应设法使之减轻 后燃期的终点很难确定 随柴油机负荷和燃烧过程进行的情况而异 一般在上止点后8OCA一lOOCA 后燃期因气缸内温度开始下降 活塞下行 工质膨胀比减小 致使燃油燃烧的热效率较低 后燃期的存在使排气温度提高并由此使柴油机机件的热负荷增加 后燃现象愈短愈好 缩短后燃期的措施是加强燃烧室内的空气运动 改善混合气的形成 一般柴油机在低负荷运转时后燃期将缩短 低速机的后燃期短于高速机 喷油器雾化不良 滴漏 气缸漏气 换气不良 喷油太晚等 均使后燃增加 燃烧过程的影晌因素 1 燃油品质 十六烷值高 自燃性好2 缸内工质状态 压缩终点的空气温度 压力和扰动3 喷油定时 过大 将因喷油时刻缸内工质状态不利于着火 使滞燃期增长 最高爆发压力过高 燃烧粗暴 过小 将因着火前缸内温度与压力己下降 而使滞燃期也增长 但活塞己下行使最高爆发压力降低 后燃增加 排气温度上升 4 雾化质量5 换气质量6 运转工况 转速和负荷 柴油机的排气污染与净化 1 排放限制 MARPOL73 78公约 关于NOx限值 低速机2000r min 为9 84g kW h 其二 关于SO2的限值 限制使用的燃油硫分不大于1 5 2 废气有害成分有害成分 包括一氧化碳 CO 氮氧化物 NO 碳氢化物 HC 二氧化硫 SO2 臭氧和微粒物质 如炭烟 油雾等 无直接危害 简称无害 成分 二氧化碳 C02 水蒸气 H20 过量空气以及残余氮 N 等 3 危害 4 生成机理 2 排气污染物的净化措施 能过降低燃烧过程中的最高温度 可降低NO化合物的生成 但同时降低了柴油机的经济性 而且还可能便炭烟和末燃的HC含量增加 降低柴油机排气污染物可大体分成前处理 机内处理与后处理三种方案 1 前处理前处理是对燃油或空气在进入气缸前进行预先处理 以期减少缸内过程中所产生的有害排放物 如对燃油去硫 减少芳香烃含量 精细过滤 乳化 磁化 放添加剂及对空气喷水 废气再循环等对硫化物处理燃油去硫可能是今后优先使用的措施 前处理 应用乳化技术在燃油中掺水或在进气管中喷水均因水蒸气的汽化潜热和比热较大 降低了缸内温度 增加了缸内OH基以及因乳化油滴引起的 微爆 现象 提高了雾化质量从而大大降低NO物和炭烟污染物 同时乳化燃油尚可提高经济性 但可能造成气缸部件锈蚀及水沾污滑油等问题 废气再循环 EGR 是将排气管中的一部分废气引入进气管与新气混合后再进到气缸中 用废气中的N2和CO2抑制缸内的燃烧 降低燃烧室中的温度 从而减缓了NO生成速度 有效地降低了NO排放浓度 但EGR在高负荷时由于减少了供氧量 使炭烟排放增加 同时使柴油机的油耗率增加 功率下降 2 后处理 后处理是对排出的废气在进入大气环境前进行处理 使废气中有害成分的含量进一步降低 后处理主要包括炭烟等微粒后处理 如水洗涤法 静电除尘法以及微粒过滤法等 以及催化反应法 如使用各种氧化催化剂和还原催化剂使排气中的CO和HC进一步氧化成CO2和H2O等 后处理属于一种控制污染物的补救措施 3 机内处理 机内处理是通过改进柴油机的缸内过程 特别是改进燃烧过程以控制排气污染物的含量 主要措施有 1 推迟喷油并适当提高喷油速率 推迟喷油将降低燃烧时的最高温度 同时又缩短了氮 氧在高温下的停留时间 从而抑制了NO生成 但同时将增加排气中的黑烟以及HC 而且经济性 动力性亦降低 补救措施是适当提高喷油速度使喷油终点大致不变 2 研制和使用低污染的燃烧室 分开式燃烧室因其副室最高温度低 主室存在强烈的气体涡流 所以其污染物如NO化合物 HC 炭烟等排量均较低 但其经济性较差 直喷式柴油机则相反 经济性好但污染物排量较大 因而发展一种污染物排量低的直喷式燃烧室是十分迫切的 目前己发展了几种具有如此特点的中小型柴抽机直喷式燃烧室 3 机内处理 3 增压空气中冷 在增压柴油机中采用空冷器不但是提高功率的措施 而且因其降低了缸内温度 增加了进气量 所以也是全面有效降低排放污染物的措施 4 提高喷射质量 保证良好的混合 保证可燃混合气的质量是降低排放污染物的重要措施之一 对直喷式燃烧室 燃油的喷射质量是保证良好混合的关键 如采用高压 1OOMPa 14OMPa 多孔喷射 采用二级喷射以控制预混燃烧等 对分开式燃烧室关键因素是主 副室的容积比和结构等 对喷射要求不高 5 利用有关可变控制机构和微机进行最佳控制 柴油机的排气污染物随运转工况而有较大变化 使用此种控制机构可在不同的工况下自动调整有关参数 如气阀定时 喷油定时和喷油速率 废气再循环率等 以实现排放物的最佳控制 试题1 对柴油机燃烧的四个阶段理解不正确的是 A 滞燃期气缸内的压力和温度取决于压缩终点的状态B 速燃期因气缸内压力最高 所以活塞位移最大C 缓燃期的长短主要取决于负荷大小 亦可称可控燃烧期D 后燃期的终点随负荷和燃烧的进行情况而异2 在柴油机燃烧的四个阶段中缓燃期是指 A 自燃油喷射始点到发火点之间B 自压缩终点到发火点之间C 自最高压力点到最高温度点之间D 自燃油喷射始点到最高温度点之间 3 柴油机燃烧排出的废气主要成分由CO2 H2O N2 O3 NOX CO HC SOX和碳烟微粒组成 其中应采取措施消除或减少污染的有害成分是 A CO2 N2 NOX SOX和碳烟微粒B NOX CO HC SOX和碳烟微粒C NOX SOX和碳烟微粒D N2 O2 NOX HC SOX和碳烟微粒4 为了降低柴油机排中有害成分给环境造成的污染 对柴油机本身采取了一些改造措施 在下述措施中做法错误的是 A 采用二次喷射 可以降低NOX生成量B 燃油渗水可以有效地降低排气中的NOXC 采用部分废气再循环 可以降低NOX生成量D 增加喷油提前角可以减少后燃 从而降低NOX生成量 柴油机采用分隔式燃烧室是降低柴油机废气中有害成分含量的一种措施 其机理是 主燃烧室强烈的燃油 空气混合作用 避免了高温缺氧 使CO HC产量降低 主燃烧室中火焰的高峰较低 不利于Nox形成 副燃烧定中燃油 空气能得到进一步的混合 使CO HC产量降低 副燃烧室中火焰的高峰较低 不利于Nox形成A B C D 船舶推进装置的传动方式 按传动功率方式的不同 1 直接传动 运转中螺旋桨和主机始终具有相同的转向和转速 1 维护管理方便 2 经济性好 3 工作可靠 寿命长 缺点是 整个动力装置的重量和尺寸大 要求主机有可反转性能 非设计工况下运转时经济性差 微速航行受到限制 船舶推进装置的传动方式 2 间接传动除经过轴系外 还需经过某种特设的中间环节 离合器或减速器等 的一种传动方式 可分为只带齿轮减速器 只带滑差离合器 同时带有齿轮减速器和离合器三种形式 1 主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的根制 2 轴系布置比较自由 3 在带有正倒车离合器的装置中 主机不用换向 使主机结构简单 管理方便 整个装置操纵灵活 机动性能好 4 有利于多机并车运行及设置轴带发电机主要缺点是结构较复杂 传动效率低 船舶推进装置的传动方式 3 特殊传动通常指可调螺距螺旋桨传动 电力传动 Z型推进 液压马达传动和同轴对转螺旋桨传动等 1 可调螺距螺旋桨传动 优点 在部分负荷下能有较好的经济性 能适应船舶阻力的变化 充分利用主机的功率 主机或减速齿轮箱不必设换向装置 结构简化和轻便 可提高船舶的机动性和操纵性 有利于驱动辅助负载 缺点 机构比较复杂 整个装置制造 安装及维修修养困难 造价高 桨毂尺寸较大 在设计工况下效率比定距桨低 船舶推进装置的传动方式 2 电力传动推进装置 1 机组配置和布置比较灵活 方便 舱室利用率高 2 便于遥控 机动性好 3 发电主机转速不受螺旋桨转速限制 4 正倒车具有相同功率和运转性能 并具有良好拖动性能缺点是 能量经过两次转换 损失多 传动效率低 由于增加了发电机和电动机 便装置总的质量 尺寸增大 而且造价和维修费用较高 船舶推进装置的传动方式 3 Z型传动螺旋桨可绕垂直轴作360度回转 当起动一个电动机带动蜗轮蜗杆10装置运动时 蜗轮带动旋转套筒16在支架17中回转 同时使螺旋桨13绕垂直轴12在360度范围内作平面旋转运动 1 操纵性能好 2 可以省掉舵 尾柱和尾轴等结构 使船尾形状简单 船体阻力减少 3 可以使用重量轻体积小的中高速柴油机 而不需要单独的减速齿轮装置 主机不需要有换向机构 可以延长柴油机使用寿命 由于结构上的原因 使传递功率受到一定限制 因而仅适用于小型船舶 特别是用于港作船和在狭窄航道中航行的船舶 题1 调距桨船舶机动性好 体现在 1 换向极为迅速 2 无级调速 3 反向推力大 A 1 2B 1 3C 2 3D 1 2 32 在由齿轮传动装置 联轴器 离合器 制动器及润滑 冷却和操纵系统组成的间接传动推进系统中 对传动设备的作用理解错误的是 A不仅能传递扭矩 还能减振和消除螺旋桨的冲击作用B可随需要将主机转速改变为负荷所需要的转速C传动设备可使调距桨的船舶实现螺旋桨的倒顺转D不仅可以分配主机功率 也能汇集主机的功率 中间齿轮减速箱和联轴器作用有汇集 对多机单桨 或分配 对单机带双桨或轴带发电机 主机功率 把主机转速改变为所需要的转速 便主机和螺旋桨离合 使不可反转主机所带的螺旋桨实现正倒转 减振和消除螺旋桨对主机的冲击作用 一 中间齿轮减速箱三种类型 减速齿轮箱 倒顺减速齿轮箱 并车齿轮箱 它们起减速 倒顺 离合 并车 分车等作用 1 减速齿轮箱1 单级减速齿轮箱 只有一对减速齿轮的齿轮箱输入与输出轴不在同一直线上但在同一垂直平面上的减速齿轮箱 称为垂直异中心减速齿轮箱 将输入轴与输出轴不在同一直线上 但在同一水平面上的减速齿轮箱称为水平异中心减速齿轮箱 传动轴系的布置和中心线状态检查 2 两级或多级减速齿轮箱相对于同样速比的单级减速齿轮箱 齿轮强度可提高 可传递更大的扭矩2 离合倒顺减速齿轮箱3 并车传动减追齿轮箱 二 联轴器1 刚性联轴器 主要用于中间轴之间 申间轴与推力轴之间及中间轴和尾轴之间连接 它有固定法兰式 可拆法兰式和液压联轴器之分 2 弹性联轴器 主动轴与从动轴之间设有橡胶或弹簧之类的弹性元件 便扭转方向上具有弹性作用 这种联轴器称弹性联轴器 目的 1 改变轴系的自振频率 衰减振动 降低扭振的振幅 使柴油机在使用范围内不出现危险的共振转速 2 在带有齿轮减速装置的中速柴油机为主机的轴系中 在柴油机和减速齿轮装置之间加装弹性联轴器可改善齿轮装置的工作条件 减少交变扭矩对齿面的冲击作用 延长齿轮使用寿命 3 补偿轴系在安装中产生的误差和安装后由船体变形产生的误差 避免齿轮的齿面接触不良和轴承过载等所引起酌故障 保证推进系统正常运转 常用的有橡胶弹性联铀器和金属板簧弹性联轴器 1 间接传动所用的减速设备有单级减速齿轮装置 双级减速齿轮装置 液力减速传动装置 电力减速器 电磁离合器等 传动效率最高的是 A 单级减速齿轮装置B 液力减速传动装置C 电力减速器D 电磁离合器2 在推进装置传动轴系中用于各轴段的联轴节种类很多 按功能分为二类 A 固定式联轴节和万向式联轴节B 刚性联轴节和弹性联轴节C 金属弹簧联轴节和固定式联轴节D 非金属弹簧联轴节和可移式联轴节 用于轴系各轴段连接的液压联轴节 其扭矩的传递是依靠 A 在轴套与轴之间形成的空间里充满了压力油 扭矩靠此油压来传递B 轴套与轴装配过盈的弹性变形产生的正压力 使其接触表面上产生磨擦力与磨擦力矩 扭矩就是靠磨擦力矩传递的C 保证轴套与轴之间足够的间隙 靠运动产生的动力油压来传递扭矩D 轴套与轴采用键连接 紧压配合的磨擦力来传递扭矩 补充内容 增压器 根据驱动增压器所用的能量 增压可以分为三种形式 1 机械增压 2 废气涡轮增压 3 复合增压 根据两种增压器的不同布置方案 可分为串联增压和并联增压 废气涡轮增压的两种基本形式 1 定压涡轮增压 进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态 柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上 涡轮就装在排气总管后面 涡轮前排气管的压力基本上是恒定的 排气总管实际上成了一个集气箱 具有稳压作用 正因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮 所以这种增压方式涡轮工作稳定 效率高 这种增压方式的柴油机要另设辅助泵来满足低负荷时的扫气要求 2 脉冲涡轮增压 进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态 在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连 排气管短而细 由于排气管容积相当小 因此排气阀和排气口开启后 排气管中的压力因废气冲入而迅速提高 瞬间将接近气缸的压力 此后 由于气缸和排气管的压差迅速减小 废气进入排气管的流速降低 加上排气管中的废气不断流入涡轮 排气管中的压力又随之下降 形成了脉冲压力波 这就是涡轮中利用的脉冲动能 脉冲增压系统不仅排气管应短而细 而且弯头要少 通道要光滑 成流线形 并使涡轮尽量靠近排气口 脉冲增压既利用脉冲能外 40 50 还能较好地利用废气的定压能 故废气的能量利用增多 这有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡 此外 扫气阶段正好是排气管中的低压阶段 扫气箱与排气管间压差较大 有利于扫气 即使柴油机低负荷时也是如此 但由于涡轮在不稳定工况下工作 效率较低 在换气质量较好的二冲程直流扫气柴油机上 采用脉冲增压可不设辅助压气机 在不同的增压压力情况下采用不同的增压方式 当增压压力在0 13 0 20MPA时 采用脉冲增压能更多地利用废气能量当增压压力在0 20 0 25MPA时 由于脉冲增压在废气能量利用方面的优点不实出了 而在结构布置 效率等方面的缺点实出了 所以用定压增压 柴油机废气涡轮增压系统 一 单独增压系统在船用四冲程柴油机上得到最广泛的应用 在二冲程柴油机上 这种增压只适用于采用脉冲增压且扫气质量较好的直流扫气式柴油机 二 串联增压系统 采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作 采用串联增压系统使柴油机起动容易 低负荷性能好 当涡轮增压