汽车发动机原理课件：燃烧过程的影响因素

一、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合对柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往相互之间是矛盾的。例如，为提高柴油机经济性，应使燃油完全燃烧，希望有较大的过量空气系数，但这将导致汽缸工作容积利用率，即升功率降低，动力性变差。要保证在上止点附近的迅速燃烧以提高动力性和经济性，但这又可能会使压力升高率和最大爆发压力都较高，工作平稳性变差，燃烧噪声增大，也会降低工作可靠性和使用寿命。此外，降低柴油机废气中的有害排放量往往是以柴油机经济性的降低、制造成本的提高作为代价的。降低柴油机废气中的各种有害排放量的要求，特别是柴油机废气中的两种主要有害排放物(微粒和NOｘ

)的控制，往往也会产生矛盾。同时，针对车用柴油机工作范围宽广的特点，希望不仅是在某一工况，而是在各种转速、负荷的工况下，都能有较好的性能。燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的良好配合，是满意的柴油机混合气形成和燃烧过程的基本保证。在燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合中，一般应兼顾各方面的要求，并根据具体使用情况有所侧重，寻求一个较理想的折中方案。例如，半开式燃烧室的活塞顶部凹坑喉口直径的大小要与油束射程、涡流强度互相配合，如凹坑喉口直径过小、油束射程过大而涡流强度较弱时，就会有过多的燃油直接喷到燃烧室壁上，难以很好地形成混合气与燃烧，这一般称为“穿透过度”。反之，如凹坑喉口直径过大、油束射程过小而涡流强度较强时，就会使喷到燃烧室壁上的燃油过少甚至没有，则燃烧室外围的空气就得不到充分地利用，这一般称为“穿透不足”。不论是直喷式燃烧室还是分隔式燃烧室，都应尽量避免燃烧室内不能很好地形成混合气的死角，例如，活塞顶部的让阀坑、第一道活塞环上部活塞与缸套间的容积、分隔式燃烧室中安装电预热塞附近的部位，还包括孔式喷油器头部的压力室等。燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合，目前仍以大量试验、反复改进为主要手段来进行的。近年来，一方面燃烧室内部的测试有较大发展，通过激光测量、高速摄影和缸内取样等，深入了解混合气形成和燃烧过程，从而寻求最佳的配合。另一方面，应用计算机对柴油机的工作过程进行模拟计算也已得到应用，燃烧模型也从简单的零维模型发展为三维模型，这也将成为设计改进工作的有力工具。二、运转因素对燃烧过程的影响１.燃料性质燃油的十六烷值是衡量燃油自燃性的指标，对燃烧过程也有一定影响。图5-24表示喷油时刻相同，使用不同十六烷值的燃料对燃烧过程的影响。在其他条件相同的情况下，十六烷值高的燃料，燃油自燃性相对较好，着火延迟期短，着火后压力上升平缓，最大爆发压力低，从而使燃烧噪声和NOx的排放量也都可降低。十六烷值与着火延迟期之间并非直线关系，实际上，只是当十六烷值低于50时，对着火延迟期才有显著影响，自50增至70时，着火延迟期变化很小。为使柴油机工作柔和，燃料的十六烷值应为40~50。十六烷值提高到超过需要值是没有益处的。另外，燃料的馏程、黏度、表面张力及蒸发性对燃烧过程也有影响。馏程低的柴油，蒸发性好，可缩短着火延迟期。黏度和表面张力影响燃料喷雾的细微度。蒸发性影响形成可燃混合气的速度。燃料雾化细微可提高空气利用率，使燃烧完全。一般直喷式燃烧室比分隔式燃烧室对燃油的性质更为敏感。２.转速发动机转速变化时，充量的数量和涡流运动、发动机热状态、喷油压力、燃料的喷雾品质以及在供油齿杆位置不变时每循环供油量等都改变了，这些都影响燃烧过程，在不同发动机中，它们的影响也是不同的。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延迟期缩短，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，图5-25给出了转速对着火延迟期影响的实例。当转速增加时，为了保证燃烧在上止点附近迅速完成，应适当加大供油提前角，现代车用柴油机的供油提前角调节装置，就是实现这一功能的。一般来说，转速过低或过高时，都会使燃烧效率降低。转速过低时，空气运动减弱，喷油压力下降，使混合气质量变差，转速过高时，燃烧过程所占的曲轴转角加大，充气效率下降，也会给燃烧效率带来不利的影响。３.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。柴油机若转速保持不变而负荷增加，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，引起缸内温度上升，有利于混合气的形成，使着火延迟期缩短，柴油机的工作柔和。负荷对着火延迟期的影响如图5-26所示。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。４.供油提前角供油提前角(或喷油提前角)对柴油机的燃烧过程，进而对其性能有很大影响。供油提前角过大，柴油在汽缸压力和温度较低的状态下进入汽缸，使着火延迟期延长(图5-27)，同时在着火燃烧后，活塞仍在上行，使速燃期的压力升高率和最大爆发压力都较高，增加了压缩负功，工作较粗暴，NOx的排放量也会由于燃烧温度的升高而增加，柴油机的经济性和动力性降低，起动困难，起动时冒黑烟，怠速不稳定。供油提前角过小，则会使燃油不能在上止点附近及时燃烧，补燃量增加，也对柴油机的经济性和动力性不利，微粒的排放量增加，排气温度升高，散热损失大大增加。对于每一种工况，柴油机均有一个最佳的供油提前角，此时在负荷不变的前提下，有效燃油消耗率最低。图5-28所示为不同喷油提前角的示功图。最佳的供油提前角和发动机转速、压缩比、燃料性质、燃烧室型式、喷油规律及增压度等因素有关。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。图5-29给出了一直喷式柴油机在不变的中等转速和中等负荷下，喷油提前角变化对发动机各种性能的影响。５.废气再循环(EGR)废气再循环(EGR)是指将一部分已燃的废气再次引入燃烧室内参加燃烧，从而降低燃烧过程中的工质温度，有效地控制NOx的生成量，降低NOx排放。废气再循环可以由简单的机构来进行控制，也可以与电控系统相结合，实现更精确、更理想的控制。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，从而也会使炭烟的排放量增多，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。６.压缩比和增压度柴油机为了保证燃料可靠地着火燃烧，要求具有足够高的压缩比。压缩比提高，使压缩终点工质的温度和压力增大，因而改善了燃料液滴与空气间的传热，促使喷入的燃料加速雾化与蒸发，缩短了着火延迟期，使速燃期压力升高率降低，柴油机工作柔和，还能改善冷起动性能。但压缩比也不能过高，否则使曲柄连杆机构负荷过高，影响发动机寿命。柴油机采用增压后，进入汽缸的空气密度增大，进气压力和进气温度升高，压缩终点工质的温度和压力均随之提高，使着火延迟期缩短，有利于降低燃烧噪声和机械负荷，柴油机工作柔和。空气密度对着火延迟期的影响如图5-30所示。三、柴油机供油系统对燃烧过程的影响１.供油系统供油系统应确保柴油按时、按质、按量喷入汽缸，以保证柴油机的燃烧完全、及时，获得良好的动力性、经济性、工作平稳性及低噪声、低污染。所谓按时，就是在整个转速范围内，均能按最佳喷油提前角喷油，按质，就是燃料喷雾质量高，并能和燃烧室结构相匹配，按量，就是根据负荷的要求准确地喷射定量的燃料，且各缸内的喷油量保持均匀一致。(1)喷油泵。目前大多数汽车柴油机都采用柱塞式喷油泵，但是随着微电子技术的迅速发展和柴油机排放标准的实施以及降低燃料消耗率的要求，电控喷油泵产品已于20世纪80年代初期问世。电控喷油泵能使柴油机在各种变工况下都能在最佳的供油提前角和供油量状态下进行，从而获得发动机的低排放，以及更好的动力性和经济性。(２)喷油器。如前所述，车用柴油机主要采用孔式喷油器和轴针式喷油器两种形式，其中孔式喷油器主要用于直接喷射式柴油机，喷孔的数目和方向取决于各种燃烧室对喷雾质量的要求，轴针式喷油器主要用于对喷雾要求不高的分隔式柴油机，轴针的形状不同，形成的油束也不同，它对燃烧过程有很大影响。鉴于高喷油压力和高喷油速率的发展趋势，一般的喷油器在低速工况区易产生不均匀喷油，从而引起柴油机在低速工况下工作不稳定、游车(发动机在运转中，转速不稳定，超过允许的转速波动率，作周期性的游动)和敲缸等现象。这主要是由于针阀升程大所致。如果按低速小负荷工况的要求，减小针阀升程和改变开启压力即可消除此不均匀喷油，但这就难以满足高速大负荷工况的要求。可见一般的喷油器难以同时兼顾高、低速工况。国外某些公司开发了双弹簧喷油器并应用于重型汽车柴油机上，取得了很好的效果。其构造和压理如图5-31所示。它的喷油过程分为两个阶段。第一阶段适于低速低负荷工况。其针阀开启压力P01由弹簧1调整决定。当油管压力大于或等于针阀开启压力P01时，针阀开启，并随压力上升升程加大，直至升程为e。该阶段的特点是喷油器针阀开启压力低，升程小，可避免不均匀喷油现象，保证柴油机稳定工作。第二阶段适于高速、大负荷工况。针阀的第二开启压力P02由弹簧1和2的合力决定。当油管压力大于或等于P02时，针阀再次上升直至最大升程L。该段由于喷油器是在相应的大于或等于P02的高开启压力和小于或等于L的大升程下喷油的，能满足柴油机功率特性的要求。(３)泵喷油器。近年来在重型车用柴油机中，泵喷油器也有应用。泵喷油器把喷油泵和喷油器合为一体，置于汽缸盖上原喷油器的位置，省去了高压油管，用类似于驱动配气机构的方法，由凸轮通过摇臂来驱动泵喷油器，同时完成泵油和喷油作用，易于实现较高的喷油压力，减小了不正常喷射现象产生的可能性。图5-32所示为BKM公司研制的电控蓄压式泵喷油器。它通过改变公共通路的油压来改变蓄压器的油压，从而达到调节喷油量的目的。其最高喷油压力可达160MPa，喷油持续期为0.0012s(15°曲轴转角)。该泵喷油器具有喷油压力与转速无关的特点，因此可获得低速工况的高喷油压力，有利于柴油机获得良好的低速性能。２.喷油规律对喷油规律的要求，须与燃烧室结构形式、气流运动及运转工况结合起来考虑。对于分隔式燃烧室，希望喷入的燃料主要在主燃烧室内燃烧，要求喷油规律急喷急断。对于直喷式燃烧室，希望着火延迟期内的喷油量少一些，只要能形成着火条件即可，以控制速燃期内的压力升高率。着火燃烧以后，中、后期的喷油量要多、要急，以缩短燃料喷射的持续时间，使燃料尽量在上止点附近完成燃烧。因此要求喷油规律是先缓后急。图5-33为几种典型的喷油规律图。图5-33a)表示采用高速凸轮，喷油速率大，曲线变化很陡，喷油延续时间短，柴油机经济性和动力性好。但由于开始喷油时喷油速率大，在着火前大量燃料已喷入汽缸，有可能在着火前形成大量的可燃混合气，造成柴油机的压力升高率dp/dφ高，工作粗暴，燃烧噪声大。图5-33b)所示的喷油规律是，开始喷油时喷油速率很大，同样使柴油机工作粗暴，燃烧噪声大，后期曲线下降平缓，喷油速率变小，喷油延续时间长，结果使燃