船舶柴油机燃油喷射与燃烧.ppt

,第二节 燃油的喷射和雾化液体燃油是不能直接燃烧的，只有当其蒸发成油气并与空气混合成可燃混合气后才能燃烧。在柴油机中，燃油由喷油泵经喷油器在压缩行程末期喷入气缸，经雾化、蒸发并与高温空气混合成可燃混合气，才能发火燃烧。研究表明，可燃混合气的形成质量是影响燃油燃烧的重要因素，受到燃油喷射、空气涡流和缸内热工状态的影响。一、燃油喷射系统1、燃油喷射系统的类型及要求（1）急压和定压喷射系统急压喷射系统又称直接作用式或柱塞泵式喷射系统，其构造比较简单，但在低转速、低负荷下喷油质量和各缸供油均匀性较差；定压喷射系统又称间接作用式或蓄压式或共管式或共轨式系统，其优缺点与急压系统相反。,（2）按有无VIT分有调喷器和无调喷器系统。柴油机喷油正时的调节是通过“喷油提前角调节器（VIT机构）”来实现的，称有调喷器系统。（3）按系统的油量调节方式分喷油泵控制式和喷油器控制式；按喷油泵油量调节方式分阀控制式和柱塞控制式系统。近年来出现的电子喷射系统是对喷油器进行电子控制（RT-flex）或对喷油泵进行电子控制（MEC），以实现燃油正时、定量调节，前者属于定压式（蓄压式）喷油系统，后者仍为直接喷射式。直接作用式喷射系统：泵控制式、泵-喷油器式、分级喷射式、分配式；间接作用喷射系统：液压伺服系统、高压泵系统、电子喷射系统。,根据柴油机的工作特点，对喷射系统有如下要求：（1）喷射时间（定时）：在整个负荷和转速范围内，应具有最佳的喷射定时，包括最佳的喷油提前角及喷油持续角。且应能进行总调和单调。（2）循环喷油量（定量）：循环喷油量应根据柴油机的负荷变化及时准确地相应变化（总调）；在柴油机负荷不变时，各缸循环喷油量应保持均等（即可单调）。（3）喷射质量（定质）：喷油压力应足够高以保证良好的燃油雾化质量，以及能与燃烧室形状、空气运动相匹配，以利于可燃混合气形成。另外还应有最适宜的喷油规律以满足燃烧过程的要求。此外，还要求喷射系统工作稳定可靠，无泄漏，便于管理等。,2、几种主要喷射系统（1）柱塞泵式喷射系统现代船用柴油机最基本的喷射系统（2）泵-喷油器式喷射系统又称泵喷嘴式，取消高压油管，喷油泵和喷油器结合为一体，采用顶置凸轮控制。优点：减小柱塞与喷油孔之间高压燃油容积，基本上消除了由于燃油的可压缩性和高压油管的弹性在喷射过程中所引起的压力波动，使喷油泵的供油正时与喷油器的喷油正时更接近，消除二次喷射。应用：高速小型柴油机。,（3）蓄压式喷射系统系统由普通的喷油泵、高压油管和蓄压式喷油器组成。喷油泵经高压油管向喷油器供油时，高压燃油将单向止回阀压下，燃油储存在蓄压室内。喷油泵供油结束时，高压油管压力下降，单向阀复位。同时，在蓄压室的燃油压力作用下，针阀上升，喷射开始。当蓄压室燃油压力降低到针阀关闭压力时，针阀落座，喷射结束。这样，柴油机在低速时仍能保持较高的喷射压力和较短的喷射持续期。,这种喷射系统的喷油设备有多种形式，但其共同特点是在喷射过程发生之前，实现喷射能量的积蓄。由喷油泵产生的高压燃油不直接作用在喷油器上，而是预先贮存在一个高压蓄压器中保持恒定高压，喷油器的启闭可由其他控制单元控制。优点：喷射压力高，喷射持续期短；喷射压力波动小，有利于消除压力波动对喷射的不利影响；柴油机的喷射压力与柴油机转速无关，在低速运转时，仍能保持较高的喷射压力和较短的喷射持续期。（4）电控喷射系统电子控制喷射的本质：控制燃油喷射始点、喷射持续时间和喷射压力，以实现爆压的合理控制，降低油耗和有害排放量，改善起动、换向、加速和怠速性能；适应燃用多种重质燃料和不同环境的需要。电控喷射的核心：微处理机。转速和转角作为输入信号，手控或温度和压力作为附加输入信号；输出信号用以自动修正喷射正时与喷油压力，以实现在变工况、变使用条件下的最佳运转。,电子喷射系统的主要优点：（1）优化燃烧质量：在调节喷油正时的同时，也改变喷射压力，并使喷射压力在高负荷时比传统喷射系统显著降低，在低负荷时则显著升高，确保燃油有效雾化和燃烧，燃油消耗率降低，也降低排放。（2）可实现预喷、主喷、后喷，喷油器可实现按不同负荷投入工作（全部、单独或轮流），使燃烧室内热负荷均匀。（3）适用多种燃油通过控制装置输入一个简单信号，对不同品质的燃油给出不同的喷射始点和喷射压力特性，使燃油燃烧时有较好的放热规律，以利于降低油耗和减轻磨损。（4）适应不同环境温度用电子控制喷射始点，可通过提高爆压来修正环境温度的不利影响，使柴油机适应不同环境温度的能力提高；,（5）转速微调化控制装置把电子信号直接传输到电液驱动喷油器中，使转速调节迅速而准确。电控喷射可以使柴油机的最低稳定转速降至标定转速的1/6。相应的最低运转转速随之降低，有利船舶以微速顺利通过困难航道。（6）操纵灵敏化该装置主要是控制气缸起动阀和喷油器的动作，起动、停车、正车或倒车均由操纵机构的位置来确定，可取消机械式起动、换向机构。用操纵杆将名义转向和转速输入柴油机，各种动作指令脉冲一触发，实际的运转程序便可自动进行。,Electronically Controlled EnginesThe ME engine with fully integrated control of（1）Fuel injection timing and pressure profile喷油正时和喷油压力控制（2）Exhaust valve actuation排气阀液压伺服器控制（3）Starting air valves主起动阀控制（4）Start and Reversing sequences起动和换向程序控制（5）Governor function 电子调速器,From MC-C to ME-CThe Mechanical Differences,ME System,The system provides:Pressure,timing,rate shaping,main,pre-&post-injection,RT-flex：采用电子控制的共轨式燃油喷射和排气阀驱动系统，取消传统的凸轮、凸轮驱动机构、燃油泵、排气阀驱动泵、换向伺服泵，克服了机械驱动的局限性，具有非常大的灵活性，可保证全工况下的无排烟和低耗油率，更低的稳定运转转速，更少的维修和运行成本，可适应不同品质的燃油。,主机轴带伺服油泵和共轨泵，电子控制器独立控制3个喷油器的供油始点、终点和供油持续期。可根据不同工况、不同燃油品质调整各个喷油器和各缸的燃油喷射量，达到全工况的低油耗、低排放、低维修费和高可靠性。,二、燃油的喷射过程1、喷射过程分析1）喷射延迟阶段（从供油始点至喷油始点）造成延迟的主要原因：油的可压缩性、高压油管的弹性、系统的节流作用；主要影响因素：（1）高压油管的特性参数（长度与直径）：随长度增加或直径减小，延迟时间加长；（2）喷油器启阀压力：启阀压力（克服弹簧力而使针阀打开的最低燃油压力）越大，延迟时间加长；（3）柴油机工况（转速越高，延迟时间越长）；（4）泵出油阀和喷油器针阀结构特点（节流越严重，延迟越厉害）,2）主要喷射阶段（喷油始点至供油终点）过程的长短取决于柴油机负荷大小，注意燃油压力大于启阀压力。3）尾喷（燃油滴漏）阶段（供油终点至喷油终点）喷油压力不断迅速下降，喷油质量变差，雾化不良，会产生滴漏等不正常喷射现象，应力求使喷油器断油迅速，使此阶段短些。其影响因素与延迟阶段相同。,2、喷射过程的压力波原因：高压系统的压力剧变；燃油的可压缩性和惯性；高压油管的弹性。危害：造成异常喷射；改变喷油规律。3、喷油提前角和喷油持续角供油提前角：泵供油始点相对于曲柄上止点的曲柄转角，可调可检查，习惯上称喷油提前角；喷油提前角：喷油器喷油始点相对于曲柄上止点的曲柄转角，不可调和不可检查，但对燃烧过程有直接影响。泵喷油提前角=5-30CA；喷油持续角=10-35CA；不同的柴油机其 和有最佳值，一般大型低速二冲程机 和都小（因过程时间长），小型高速四冲程机 和都大（因过程时间短）；高增压机 和都大（多喷油）；部分负荷与转速下运转时应增大（以提高爆压），减小（减少供油量）；环境低温或采用劣质油或技术状况恶化时增大；,三、供油规律和喷油规律,1、供油规律和喷油规律喷油泵单位凸轮轴转角或单位时间的供油量（供油速率）随凸轮轴转角的变化规律，称供油规律。喷油器单位凸轮轴转角或单位时间的喷油量（喷油速率）随凸轮轴转角的变化规律，称喷油规律。直接影响燃油燃烧过程的喷油规律，从图中可见，供油提前角大于喷油提前角9；供油持续角小于喷油持续角4；曲线形状不一样；这是由于油的可压缩性，高压油管弹性等所引起。,通过喷油规律曲线可分析判断：（1）喷油始终点和喷油持续角是否合适；（2）有无二次喷射、断续喷射等不正常喷射现象；（3）喷油规律是否符合理想燃烧过程和放热规律要求。,2、喷油规律的影响因素1）凸轮形线和有效工作段（1）在柱塞有效行程和供油始点相同下，形线陡者油压上升快，喷油延迟角和喷油持续角越小；（2）有效工作段不同，柱塞运动速度不同，喷油规律不同，有效工作段选在高速段以提高喷油速率减少喷油持续角，提高雾化质量。,2）柱塞直径和喷孔直径（1）在不改变柱塞行程而增大柱塞直径时，供油速度增大，喷油延迟角和持续角均减小，使初期喷油速率提高，经济性提高，但燃烧易粗暴；增压机随增压度提高，喷油量增大，为了不使喷油持续时间延长，加大柱塞直径，但为了防止工作粗暴又减小供油提前角（柱塞有效行程缩短）。（2）喷孔数不变时，喷孔直径减小，节流作用增强，喷油阻力提高，从而喷油持续时间延长，喷油速率下降（每度转角喷油量小），油管压力提高，易引起重复喷射，但雾化质量较好；3）高压油管尺寸（1）高压油管越长，喷油延迟角越大，喷油持续角不变，从而实际喷油提前角变小；（2）高压油管内径越小，流阻越大，喷油延迟角越大。多缸机各高压油管应按等尺寸原则，以保持喷油规律一致，不等时越长者供油提前角应调大。,4）柴油机负荷与转速：（1）转速和正时不变时，负荷越高，喷油始点不变，而终点改变，即柱塞有效行程加长，油量越大；（2）负荷和正时不变时，转速越高，喷油延迟角和持续角均增大，喷油速率下降。,四、异常喷射及其消除方法正常喷射特点：每循环中，针阀只启闭一次，针阀升程曲线呈梯形，高压油管剩余压力基本相同。1、重复（二次）喷射：喷油泵供油结束，喷油器针阀落座后又重新被油压抬起，使燃油喷射继续进行。大型低速机或高压油管较短者表现为针阀尚未完全落座而重新开启。不设出油阀的喷油泵可防止重复喷射。出现区域：高负荷高转速；根本原因：压力波的反射,危害：喷射持续角增大，但在压力低下进行喷射，使雾化质量变差，燃烧恶化，后燃严重，机体发热，排气温度升高，冒黑烟，降低经济性和可靠性。管理上引起的原因：（1）喷油器喷孔部分堵塞；（2）喷油泵出油阀减压作用削弱；（3）换用内径和长度较大或刚度不够的高压油管；（4）喷油器启阀压力降低。消除方法：（1）高压油管、喷孔直径及孔数不变时，试用小内径的高压油管流阻增大，喷油延迟角增大；（2）在不改变高压油管时，适当加大喷孔直径或孔数；（3）适当增加启阀压力；（4）适当增加等容卸载出油阀的升程或弹簧刚度或减压卸载能力；（5）试取消喷油器上的缝隙式滤器。,2、断续喷射（波动喷射）：在喷油泵一次供油期间，喷油器针阀周期性（断续）启闭；出现区域：低负荷低转速下，对燃烧过程无明显危害，原因：供油泵供油量小于喷油量与充填针阀上升空间油量。3、不稳定喷射（不齐喷射）和隔次喷射喷油泵持续工作，而各循环喷油量不断变化（不均），严重时导致隔次（间歇）喷射；出现区域：低速低负荷下。危害：柴油机转速不稳定，可能造成自动停车。2、3、管理上的原因：喷油泵与喷油器偶件过度磨损一般先出现断续喷射，再出现不稳定喷射，然后出现隔次喷射，最后可能自动停车。,4、滴漏：由于流出速度和压力均很低，燃油雾化不良，易使燃油集结在喷孔处形成结炭，堵塞喷孔。原因：针阀座至喷孔间容积过大，以及出油阀减压卸载能力不强，使高压油管中的油压下降缓慢，造成针阀不能迅速落座。措施：提高出油阀减压卸载能力或提高针阀落座速度（增大针阀弹簧预紧力）。五、最低稳定转速使各缸都能均匀发火的最低转速；低速机：不大于30%额定转速；中速机：不大于40%额定转速；高速机：不大于45%额定转速。,六、燃油雾化,1、雾化过程：燃油在很大的压差下（几10MPa）以高速（200m/s）喷入气缸，由于喷孔的节流作用以及缸内空气的阻力（背压）作用，使燃油产生紊流、扰动被分裂成细小油滴并在燃烧室内进一步扩散和细化形成许多油滴组成，外形似圆锥体（烛焰）的油束（喷注）。雾化可加速油粒吸热汽化创造发火和燃烧的必要条件；雾化质量和喷油规律是判断喷射质量好坏的两大因素。,2、油束质量标准1）射程L：标志油束前端在空气中的贯穿深度（贯穿距离）；L小，则油束不能布满燃烧室全部容积，距喷油器远处空气不能充分利用；L大，则部分油喷在燃烧室低温壁面，使燃烧不完全，易积炭；2）锥角：标志油束的紧密（疏密）程度或扩散程度；大，则扩散能力强，油粒细，分布散，与空气接触面大，有利于混合气形成；大小与喷油器结构有关。,3）雾化细度：油粒平均直径d，d小，则细度好；低速机d=20-30m；高速机d=10-20 m。4）雾化均匀度：油粒直径的变化范围或油粒直径的相同程度；（1）最小直径-平均直径；越小，则均匀度越好；（2）各种直径油粒的百分数x：当d的油粒为80%为最佳。3、影响雾化质量的主要因素（1）喷油压力：油压越高，则L越大，越大，d越小，x越大，雾化质量越好；但油压过高时，L过大，d过小，使燃烧过程粗暴，冒烟和结炭，同时油管承受不了，喷孔易磨损。（2）喷孔直径：减小时，越大，细度越好，但L越小；增大时，越小，细度越差，但L越大；因此要合适，与燃烧室匹配。喷孔长径比越大，L越小，所以不论是喷孔堵塞或磨损都不好。（3）燃油品质：粘度和密度越大，越小，L越大，雾化质量降低；（4）喷射背压：背压越高，越大，细度越好，但L越小。,第三节 可燃混合气的形成喷入气缸的燃油经受热以后蒸发形成气态油气，并在燃烧室空间扩散与空气中的氧分子均匀混合并完成燃前的初氧化等一系列物理、化学过程，称为可燃混合气的形成。柴油机的可燃混合气在气缸内完成属于内部混合，汽油机则属于外部混合。一、混合理论（可燃混合气形成方法）1、空间雾化混合1）理论依据：油雾化后在燃烧室空间进行受热、汽化、扩散与空气均匀混合，喷入的油不能接触燃烧室壁面，一旦附在炽热的壁面上将造成热分解和炭化，从而引起冒烟和结炭。2）分类（1）油雾法：依靠燃油的良好雾化-大中型中低速机（2）涡动法：依靠空气强烈扰动-中小型高速机,3）条件（1）喷射的燃油应与燃烧室形状相适应；（2）足够的空气压力、温度和扰动；（3）不能喷射到燃烧室壁面上大型低速机因气缸热负荷高，气缸热状态好，又有足够混合时间，同时采用高压多孔喷射，雾化质量好，因此不依赖空气的扰动，但进气口的倾斜加强了空气扰动，有利于雾化混合。2、油膜蒸发混合1）依据：油直接喷射到燃烧室表面（活塞顶），利用空气强烈涡流作用使表面展开较薄油膜层，然后受热后层层蒸发成油气，进而扩散与空气混合。其认为空间雾化混合一旦发火，燃烧易粗暴。2）条件：形成薄油膜（先决条件）；壁面温度高和空气扰动（必要条件）。应用于小型半开式燃烧室的高速机（对空气涡流要求较高）。,3、影响可燃混合气形成的因素（1）燃油喷射质量（雾化质量和喷油规律）；（2）燃烧室型式（空气是否涡动）；（3）气缸条件压缩压力Pc：非增压机3-4MPa，增压机4-9MPa，影响喷射背压和空气密度。在压缩比变小、气缸漏气、气缸盖漏气、气阀漏气、扫气或增压空气压力不足及配气正时不佳时，Pc减小，将影响混合气形成。压缩温度Tc：800-1000K（600-700C），与工况、冷却条件、换气质量、燃烧质量有关；过低，不利于油粒蒸发，过高，空气密度降低，都影响混合气形成；空气扰动：二冲程依靠气口形状，四冲程依靠燃烧室形状（产生压缩涡流）及进气道的型式（造成进气涡流，导气屏或螺旋进气道）。在气口、气阀脏污、气缸漏气、燃烧室结炭时将导致空气扰动的削弱。,二、气缸内空气涡流的形式与作用气缸内空气绕气缸轴线有规律地流动称空气涡流（旋流）。为了形成空气的涡流，通常必须采取专门措施：1、进气涡流：在空气进入气缸的过程中借助于它所具有的动能形成绕气缸中心线旋转的运动称进气涡流。四冲程机常采用带导气屏的进气阀、切向进气道、螺旋进气道；二冲程采用具有切向倾斜角的进气口。,2）挤压涡流：在压缩行程中，当活塞接近上止点时，活塞顶部环形空间的空气被挤入活塞顶中部的凹坑容积中，称挤压涡流（挤流）。在活塞下行时凹坑容积内的气体又向外流向环形空间而产生膨胀流动（逆挤流）。在实际工作中，由于活塞环漏气及空气的粘性、传热损失等挤流对混合的作用不明显，而逆挤流对混合与燃烧的影响则较为明显。,3）压缩涡流在压缩行程中，气缸中空气被活塞挤压经过通道进入涡流室中，形成强烈的有规律的旋转运动，称压缩涡流。其燃烧室（涡流室式燃烧室）为主、副（涡流室）两室。,4）燃烧涡流利用在预燃室中部分燃油燃烧产生的能量，使预燃室中的混合气高速喷入主燃室造成主燃室空气的强烈涡动称燃烧涡流。其燃烧室（预燃室式燃烧室）分为主、副（预燃室）两室。2、空气扰动的作用（1）燃前促进油束分散，扩大混合范围；（2）燃后因燃气与油气的温差和密度差而对流，起促进热混合作用，消除富油区和贫油区。,三、燃烧室,分类：直接喷射式（开式和半开式）；分隔（开）式（涡流室式和预燃室式）要求：有利于油气混合；能量损失小；起动性能好；工作平稳。1、开式燃烧室-中低速机缸盖或活塞顶可以是平顶、凸顶或凹顶，主要考虑有利于雾化，图中b、c、d为浅坑式活塞顶A-适用于二冲程弯流扫气；B-浅盅形，适用于二冲程直流扫气；C-浅盘形，适用于大中型四冲程；D-浅w型，适用于大中型四冲程及多排气阀二冲程直流扫气。,1）特点（混合气形成特点）（1）基于空间雾化混合；（2）以雾化为主，对喷射系统要求高，采用多孔小孔径喷油器，喷油压力高，因孔径小，对燃油净化处理要求高。2）优点（1）经济性和起动性好，因形状简单，结构紧凑，相对散热面积小，散热损失小；（2）无需组织气流运动，能量损失小；3）缺点；（1）压力升高速度和Pz高，工作易粗暴；（2）燃烧室热负荷和机械负荷高；（3）为降低热负荷，过量空气系数大（1.6-2.2）；（4）排烟中NOx较多（5）对转速和油品质量敏感。,2、半开式燃烧室-高速机，由余隙容积和凹坑容积组成。1）深坑型：w、倒w、半球型、形等特点及优点：（1）混合气形成一方面利用一定的喷雾质量，同时又利用中强度的进气涡流及挤压涡流和压缩涡流，也属空间雾化混合，也可能存在油膜混合；（2）与开式相比，对喷射系统要求有所降低，常采用3-4孔的多孔喷油器，喷孔直径稍大；（3）由于利用进气涡流加强混合气形成，从而使空气利用率大大提高，过量空气系数可稍小；（4）保持了较好的经济性和起动性；缺点：Pz较高、噪音较大，烟色稍差。,2）M型（球型）-以油膜蒸发混合为主，同时利用了强进气涡流和压缩涡流，即燃油大部分喷在壁面上，小部分（5%）在空间作为引燃火源。靠此火源点燃从壁上蒸发的而形成的可燃混合气。其燃烧过程称M燃烧过程。,（1）特点：对喷射系统要求稍低，可用单孔或双孔喷油咀；（2）优点：工作柔和、轻声、无烟、性能指标好；空气利用率最好、过量空气系数最小（1.1）、经济性也较好。（3）缺点：冷起动比较困难，因为空间雾化燃油少，起动时燃烧室壁温低，壁面上蒸发混合的燃油少，对起动不利；对增压适应性差，因增压后，供油量增加，油膜变厚，影响混合气形成速度；大缸径应用困难，因缸径增大后，供油量也需增加，F/V小，使油膜变厚，也影响混合气形成速度。,3、涡流室式燃烧室,燃烧室分隔成主室、副室；涡流室在气缸盖上，两者切向通道连接。空气在压缩形成中，进入涡流室形成涡流，油喷入部分着火燃烧，经小孔进入主室完全燃烧。,1）特点：（1）对喷射系统要求不高，因为主要靠空气扰动（压缩涡流）形成可燃混合气（空间雾化涡动法）；（2）喷油咀单孔且孔径较大（轴针式），启阀压力较低（12-15MPa）；（3）过量空气系数较小（1.2-1.3）；（4）压缩涡流随转速增加而强烈；2）优点：燃烧柔和，工作平稳，排气中有害气体少；对燃油及雾化要求不敏感。3）缺点：起动困难，油耗大，热损失和节流损失大，因此需设电热塞，保温块。,4、预燃室式燃烧室,燃烧室分隔为主室、副室（形成燃气涡动），单孔或多孔联接，也采用单孔喷油器，也是空间雾化涡动法。部分燃气在预燃室燃烧后带着混合气经小孔喷雾进入燃烧室形成燃烧涡流，不需要压缩涡流。优缺点同涡流室式燃烧室。,第4节 燃油的燃烧一、发火机理燃油燃烧理论：热爆说、链锁反应说、链锁反应热爆说（谢苗偌夫）。根据化学反应动力学及链锁反应理论：燃油发火燃烧是从低温（Tc小于1200K）开始，燃烧后才产生高温的。而且发火燃烧过程是一系列化学反应的链锁过程，发生着一系列的相变，即发火时处于低温多相着火区。在链锁反应过程（烃的多阶段发火过程）：1、燃油CH基在Tc下与O2接触产生不完全的氧化过程，先产生活性较大的碳氢基R过氧基ROO 过氧化物ROOH和甲醛HCHO；此不完全氧化过程中积累大量发光的、活动的甲醛而产生微光，形同火舌，不灼手也不引起可燃混合物燃烧称之为冷焰，此阶段P不变，T略上升。,2、冷焰过程中产生大量的甲醛、乙醛，一氧化碳、过氧化物以及自由基（分子）等，使链反应继续进行，又产生新的过氧化物。当过氧化物达到一定的临界浓度时产生爆炸性分裂而产生一种兰色火焰称之为兰焰。兰焰是自燃过程第二阶段，此阶段中燃油分子氧化程度已较深并发出较多的热量，但仍未形成氧化的最终产物（CO2和H2O）。3、兰焰在工质中传播，氧化反应继续进行，醛类氧化产生一些新的活性核心和CO。这些生成物积累到一定浓度并上升到一定温度时，CO+O2成为爆炸性火焰，称之为热焰。热焰产生大量热量，形成燃烧的火焰以后由一个或几个这种着火点起，燃烧向整个燃烧室空间的可燃混合气传播扩散，使全部燃油发生燃烧并放出全部热能，燃烧速度取决于可燃混合气质量。柴油机中的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。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。,4、发火条件合适的温度和油气浓度，一定的空气扰动。燃油喷入气缸后分散成大小不同的油粒，油粒与空气有相对运动；各点处的温度也不同，各油粒具备的物理与化学条件不同；相邻油粒形成的混合气相互干扰、渗透；在油束外围直径很小的油粒附近，虽因其蒸发快而使浓度适当，但其温度较低或化学准备不足而不会着火；油束核心处又因浓度太大也不会首先着火。首先着火的部位是在油束核心与外围之间混合气浓度适当（通常该局部1）和温度适当处。由于在缸内符合此要求的部位不止一处，可能是多点同时着火，而且各循环的着火也不尽相同。当火核形成之后，火焰既向四周传播形成稳定的燃烧。传播路径与速度仍然取决于可燃混合气形成的状态以及空气的扰动。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，同时其他部分的混合气可能形成火焰核心并向四周传播。,二、燃烧过程分析（分段燃烧理论）研究燃烧过程最简便、最实用的方法是p-和T-。1、滞燃期（喷油始点A-着火点B）在此阶段燃油喷入（低速机15-30%，高速机80-100%），进行发火前的物理和化学准备，初氧化的放热量和物理过程的吸热量相等，P、T不变与压缩线重合，无明显燃烧，但此过程中形成可燃混合气的数量影响着速燃期的质量。,此阶段长短用i、i度量，i=i/6n一般随转速提高，滞燃时间缩短，滞燃角延长。滞燃时间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，因此滞燃时间对燃烧过程起决定性影响。滞燃时间越长，积累的可燃混合气越多，一旦发火，则压力急剧上升，工作粗暴，严重时出现燃油敲缸，轴承受冲击负荷，可靠性和寿命下降，应力求减小滞燃时间。但滞燃时间也不能过短，否则油喷入未能贯穿燃烧室而集中在喷孔附近燃烧，易造成不完全燃烧，严重时部分油分子高温热裂产生炭烟。i=0.001-0.005s,2、速燃期（发火点B-Pz点C）由滞燃期准备好的燃油发火燃烧，同时在此阶段喷入的部分已完成燃前准备的油也燃烧，发火点在TDC附近，Pz点在ATDC10-15CA，因容积变化小，接近等容过程，由于空气量充足而激烈燃烧，压力急剧升高到Pz。,评价燃油燃烧是否柔和（粗暴）的重要参数-平均压力增长率P/（1）P/小的柴油机工作柔和，燃烧平稳，无敲击声；（2）P/过大，易粗暴，燃油敲缸（原因滞燃时间过长，滞燃期内喷入油量过大，可燃气体过多）。评价速燃期的重要参数：（1）压力升高率-单位曲轴转角的压力升高值dp/d；（2）某一段曲轴转角内的平均压力升高率P/（3）整个速燃期的平均压力升高率m=pz-pc/z-bm最常用，其决定了燃烧过程的柔和性；m大者，爆燃，工作粗暴，常伴有敲击声，但经济性较好。理想的燃烧过程应使平均压力升高率不超过0.4MPa/CA，最高爆发压力发生在上止点后1015CA。,高速机因滞燃油量大，形成无控制燃烧状态，易粗暴，造成敲缸；速燃期的燃烧速率无法控制，因混合气形成速度无法控制，称不可控燃烧期。由于速燃期的可燃混合气主要是滞燃期内喷入气缸的燃油所准备的，为了使柴油机工作平稳，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性作用，控制滞燃期是影响燃烧过程的重要手段。速燃期也称预混合燃烧阶段。,3、缓燃期（C-Tz点D）燃烧室内充满着燃烧产物和燃烧火焰，油一旦喷入（约40-60%），低速机即蒸发燃烧，但活塞已越过TDC，燃气膨胀，使容积急剧增大，压力下降，P/下降，燃烧速率降低，同时因氧气减少，接触机会降低，易发生不完全燃烧（油分子热裂）而冒黑烟，影响经济性和排气污染。最高温度一般出现在上止点后2035CA。,缓燃期也称扩散燃烧阶段，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。为使之完全燃烧，就应加强空气运动来加强接触机会，此过程取决于负荷大小，称可控燃烧期，其质量对柴油机的危害是不完全燃烧。速燃期和缓燃期燃烧掉的燃油总量占8090%，构成燃烧的主要部分，常将其称为主（显）燃期。,4、后燃期（D点-E，ATDC80100CA）是燃烧过程在膨胀过程中延续，因氧气不足，由气缸内温度低，使得燃烧不完全，热效率下降，排气温度上升。热负荷大，但后燃不一定冒黑烟，应力求减少后燃。措施：加强空气扰动；柴油机低负荷时后燃期短，低速机后燃期短于高速机（因燃烧时间长）。燃油雾化不良、喷油器滴漏、气缸漏气、换气不良、喷油过晚等，均使后燃加剧。,三、燃烧过程的影响因素1、燃油品质1）十六烷值：对燃烧过程影响最大（主要影响化学准备时间）CN大，滞燃时间短，燃烧平稳，但CN过大时，游离炭多，工作粗暴；CN小，自燃性能差，滞燃期长，燃烧过程粗暴（燃烧敲缸）。2）馏程-挥发性：主要影响物理准备时间，挥发性好，滞燃时间短，既有利于缩短着火前的物理准备时间，也有利于着火前的化学准备。对于CN过小者可采用适量添加剂以改善燃烧性能，如助燃剂、十六烷值增长剂。2、缸内工质状态（Pc、Tc、空气扰动）其中Tc影响最大，Tc高则滞燃时间短，工作平稳。Pc、Tc取决于进气压力温度、气缸密封、传热条件、压缩比等；扰动对燃前燃后混合气形成起促进作用。,3、喷油正时喷油提前角过大时，喷油过早，使滞燃时间延长，一旦燃烧发生于堆积油量多处，则易粗暴；喷油提前角过小，喷油过晚，使滞燃时间延长，工作粗暴，但由于发火点发生在TDC之后，因气缸容积增加而使Pz变小，Tz变小，又因后燃严重可能冒黑烟。因此，喷油正时有最佳值。,4、雾化质量：雾化质量差时，滞燃时间长，工作易粗暴；在启阀压力太低，滴漏、喷孔部分堵塞时，可能引起不完全燃烧。5、换气质量：换气质量好则滞燃时间短，可促进燃烧完全。当配气正时不好、气口气阀脏污、漏气（包括气缸密封不好）、扫气压力低等原因而使换气质量变差时，将使滞燃时间延长，燃烧不完全。6、运转工况（转速与负荷）：转速高时，相对漏气量及散热损失减少，Pc、Tc增大，喷油压力升高，雾化质量好，空气扰动强，从而使滞燃时间缩短，但滞燃角增大；当滞燃角增大速率大于滞燃时间减小速率时，将使P/增大，同时喷油持续角增大，加重后燃。,负荷（间接影响）大时，循环供油量增大，燃烧室温度升高，Tc上升，滞燃时间缩短，但燃烧持续期延长，后燃加剧，高增压二冲程机P/增大，低增压四冲程机P/降低。四、改善燃烧质量的措施通过对放热规律的计算和理论分析，可以认为较理想的燃烧过程是先缓后急，避免出现预混合燃烧阶段的放热高峰。因为放热高峰的出现，一方面会引起压力平均升高速度的增大导致较大的冲击负荷和燃烧噪声；另一方面由于放热率高导致温度升高，在有过量空气存在的情况下，排气中的氧化氮含量增多。但降低预混合阶段的放热率，可能引起燃油消耗率的升高。为解决这一矛盾，必须加速扩散燃烧阶段的放热率，使上止点后的放热越来越快，并快速终止燃烧，尽可能缩短燃烧周期。此外，应尽量减少尾部燃烧（后燃）阶段，因后燃对于柴油机冒黑烟和耗油率升高有明显的影响。,开始放热时刻、放热规律和放热持续时间是燃烧过程中三个重要因素，对柴油机性能的影响主要表现在热效率和最高燃烧压力两方面。着火点越提前，热效率越高，热负荷越低，而机械负荷较高。但着火点提高到某一角度后，热效率反而降低，不同类型柴油机均存在一个最佳着火时刻。燃烧持续时间越短，热效率越高，机械负荷也高，一般燃烧持续角为40较合适。先缓后急的理想燃烧过程使开始燃烧时放热适中，以达到柔和运转的目的，随后的燃烧要加快使燃油尽量在上止点附近燃烧，以满足经济运转的要求。为了使柴油机的工作性能良好，应该很好地控制燃烧过程。合适的燃烧放热规律要求合适的喷油规律与之配合，即喷油也要先少后多。但是在柴油机中用喷油规律来控制燃烧规律较难实现，不过放热开始时刻和放热持续时间可由喷油时刻和喷油持续时间在一定程度上予以控制。,为了保证柔和燃烧和减少污染要求降低P/和Pz，但为了提高热效率则要求燃烧压力尽可能快的升高到Pz并保持定压燃烧。因此，常是矛盾的。例如：为了降低机械负荷，要求在上止点以前少燃烧燃油，但这样做会引起燃烧过程后延，后燃加重，热负荷增加，经济性变差。1、从设计方面：1）采用特殊形状燃油凸轮，保证初期喷射速度低，后期喷射速度快并在短时间内完成喷射；2）采用油膜蒸发燃烧方式的燃烧室，以保证燃烧柔和；3）采用分段喷射（同一缸有两个油泵），先是一个喷油后二个同时喷油；4）采用变压缩比活塞；5）采用可变喷油正时。,2、管理方面1）保证换气质量：增压系统、配气正时、活塞状态等；2）燃油品质：购买时保证品质，使用前预处理；3）气缸热状态：活塞环密封、阀密封、冷却度；4）确保喷射系统正常工作：定时、定质、定量；5）注意排气烟色、排气温度、定期测Pz和示功图分析计算调整；排气温度及排气烟度均可用来评价燃烧过程，排气温度高着重表示后燃增加；烟度增大着重表示不完全燃烧加剧。排气烟色：淡灰色（1）黑烟：燃油分子在高温缺氧下发生热裂分解后发生脱氢反应所致，由此产生的炭粒若能遇到含氧充足的空气且能燃烧便会消失，否则与其它燃烧产物或炭粒接触发生凝集，最后排出缸外；,冒黑烟主要原因：燃烧不完全（1）超负荷或变工况时，缸内燃烧缺氧时；（2）雾化不良、燃油滴漏时或燃油质量不好或过好时；燃油质量不好时，粗大油粒外围受热汽化而燃烧，未能汽化的油粒被火焰包围发生热裂分解形成炭粒。（3）换气质量差时；（4）喷油过迟或后燃严重时；后燃主要原因：（1）雾化不好；（2）喷油过晚；（3）超负荷；（4）换气质量差。2、兰烟：大量润滑油燃烧；柴油机尚未预热或低负荷时燃烧室温度偏低，燃烧条件恶劣，燃油未经燃烧的极微小气体颗粒随排烟排出；3、白烟：水蒸汽（燃烧室漏水或油中有水）；未经燃烧的滑油或燃油液体微粒。在冷起动时发火不良使燃油液体微粒排出或缸套过度磨损造成滑油上窜所致。,六、柴油机热平衡,燃油总热量=有效功相当热量（30-55%）+排气损失热量（25-40%）+冷却损失热量（10-30%）+其它热损失（热辐射损失、不完全燃烧损失、机械损失等，2-10%）可回收利用的是排气热量和冷却水热量。此外，现代高增压柴油机压气机后空冷器前空气温度超过180，空冷器冷却水热量应考虑回收。,第五节 柴油机的排气污染与净化我国船用柴油机排放限制规定（GBn267-87）：当Pe300KPa时，ge214g/KWh，NOx 29g/KWh；ge=214268 g/KWh，NOx=2514g/KWh；ge 268 g/KWh，NOx 11g/KWh；MARPOL73/78公约附则VI-防止船舶造成大气污染规则n130r/min时，NOx 17g/KWh；130 n 2000时，NOx 179.84g/KWh；NOx 45n*(-0.2）n2000r/min时,NOx 9.84g/KWh;（9.8）燃油中含硫量S%4.5%(m/m)，特殊保护区域（波罗地海）1.5%，排放率小于6g/KWh.,一、柴油机排气污染物及其危害1、废气中有害成分：无害成分：CO2（温室气体）、H2O、过量空气及N2；有害成分：气态排放物（CO、NOx、HC、SOx）和微粒物质PM（炭烟、油雾等）一次污染物：上述由柴油机直接排出的污染物；二次污染物：一次污染物NOx、HC排入大气后经光化学反应等化学变化生成的新污染物，如：光化学烟雾中的臭氧O3、过氧酰基硝酸盐（PAN）等。有些污染物，如NO2、醛，既可在柴油机排气中找到，也可由光化学反应产生，因此既可归入一次污染物，也可作为二次污染物看待。我国有关标准中把废气中有害成分及CO2和炭烟等统称为排放物，简称排放。,2、柴油机排放物的危害1）微粒物质：主要有黑烟、蓝烟和白烟。“微粒”一词被定义为除纯水以外，单个颗粒直径大于0.002m的任何固态或液态微颗粒或亚微颗粒。柴油机排气中所含微粒物质主要由碳、碳氢化合物、铅化物和含金属元素的灰分等组成。含金属元素的微粒主要来自燃油和润滑油的添加剂以及运动件摩擦所产生的磨屑等。以未燃燃油和润滑油为主的液态颗粒，常在冷起动时在排气管内凝聚，当直径较大时表现为白烟，直径较小时为蓝烟；柴油机排出的固态微粒主要成分为碳，常称为碳烟或碳粒，表现为黑烟。PM对人类健康的危害性与微粒大小及其组成有关。微粒越小，停滞于人体肺部、支气管的比例越大，对人体的危害越大，其中直径小于0.1m的微粒对人类健康危害最大，0.11m的微粒对能见度危害最大。例如，直径小于0.1m的微粒在空气中做随机运动，它可以通过呼吸器官达到肺部并附在肺细胞组织中，某些还会被血液吸收。,直径介于0.11m的微粒有兼做随机运动和沉降运动的特点，它能经呼吸道深入肺叶并粘附在肺叶表面的粘液中，随后在几小时内被绒毛所清除。较大的微粒（大于0.5m）不能深入呼吸道，常到鼻、喉处被阻住。柴油机排气微粒粒径分布的峰值通常在0.1m左右，处于能在大气中长期悬浮的尺寸范围内，对人体健康造成很大威胁。柴油机的微粒排放量比汽油机高的多，约高出3050倍。碳烟（黑烟）是燃油不完全燃烧生成的炭烟，主要由直径为1.110 m的多孔性碳粒构成，并在其表面凝结或吸附含氢成分-未燃烃和SO2，其影响视线，对人的呼吸系统产生危害，吸附SO2和多环芳香烃时有致癌危险。含氢成分大多可用有机熔剂萃取，称可溶性有机物，萃取后剩下的碳烟称干碳烟。我国用烟度计量炭烟。蓝烟和白烟发生于柴油机起动和低负荷运转之时，为燃油或滑油微粒，但粒度不同；蓝烟粒径在0.5m以下，而白烟粒径在1 m以上，它们排出时由于燃烧中间生成物（如甲醛等）排出，有刺激性与臭味。,2）NOx：NO和NO2。高浓度的NO能造成人体和动物中枢神经系统障碍，NO2为棕色刺激性剧毒气体，吸入人体后与血蛋白作用成为变性血红蛋白，使血液输氧能力下降。人在100-150ppmNO2环境中0.5-1h,就会因肺气肿而死亡。在光化学反应 产生臭氧、醛和PAN（过氧化