柴油機(jī)的著火過程

1、第6章 柴油機(jī)的著火過程第1節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)理論一分子運(yùn)動和碰撞 柴油機(jī)的著火過程是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，化學(xué)過程是激烈的熱鏈化學(xué)反應(yīng)，要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，必須經(jīng)過它們分子之間的相互碰撞，并且符合碰撞要求才可實(shí)現(xiàn)。燃燒化學(xué)反應(yīng)中分子運(yùn)動和碰撞的基本理論歸納如下： A.參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，分子必須相互碰撞。B.分子的碰撞是雜亂無章的。C.合適的方向上碰撞才有可能起化學(xué)作用。D.運(yùn)動能量超過最低能量。E.最低能量稱為活化能。F.溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越大。G.壓力與密度越大，碰撞頻率越高，反應(yīng)速度加快。二活化絡(luò)合物理論活化絡(luò)合物理論（過渡態(tài)理論）的基本內(nèi)容是：進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時候，分子不僅需要相

2、互撞擊，還需要適當(dāng)能量，在適當(dāng)?shù)姆轿簧献矒簦员惬@得形成一個不穩(wěn)定，過度的，瞬態(tài)活化絡(luò)合物。活化能E就是把初態(tài)反應(yīng)物提高到絡(luò)合物所需能量。反應(yīng)關(guān)系表達(dá)為：反應(yīng)物活化絡(luò)合物終產(chǎn)物三.鍵能及其在化學(xué)反應(yīng)中的作用。 物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子間或離子間產(chǎn)生的相互結(jié)合或相互作用的稱為化學(xué)鍵?？煞譃殡x子鍵，共價鍵，和金屬鍵等幾種類型。正負(fù)離子通過靜電引力形成的化學(xué)鍵為離子鍵。物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子或者原子團(tuán)通過共用電子對形成的稱為共價鍵。由自由電子及排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力組合而成金屬鍵。物質(zhì)起化學(xué)變化時，需要從外界吸收能量，達(dá)到破壞原子間或者離子間所必須吸收的能量，這種能量稱為鍵能。第2節(jié) 著火前燃料的

3、物理化學(xué)過程（焰前反應(yīng)）一。著火的分類和含義 按照火源性質(zhì)，分為壓縮自然和外源點(diǎn)火。按化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)分為熱式著火，鏈?zhǔn)街?，和熱鏈?zhǔn)街稹ｆ準(zhǔn)街鹜ㄟ^支鏈反應(yīng)而自身積累活性中心并積聚能量。按著火階段分，有高溫單階段著火和中低溫多階段著火。多階段著火指歷經(jīng)冷焰，藍(lán)焰到熱焰的幾個階段著火。2 著火前的物理過程必須先將反應(yīng)物質(zhì)（空氣和烴類）能互相充分氣相混合，并相互撞擊，同時，需要一定的初始能量。這就需要有進(jìn)氣過程，噴射過程，噴注的破碎和霧化過程，以至形成可燃混合氣，并達(dá)到足夠溫度和壓力的過程。這些都是著火前的物理準(zhǔn)備過程。3. 著火前的化學(xué)準(zhǔn)備工作（1）著火的溫度條件 外源供熱，獲得熱鏈反應(yīng)所必需的

4、能源，是反應(yīng)物具有足夠的活化能以克服烴分子化學(xué)鍵斷裂的阻抗。（2） 著火的壓力條件壓力影響本質(zhì)上是空氣密度，分子運(yùn)動自由程度大小和碰撞頻率對著火的影響。 （3）著火的濃度條件 混合氣濃度對著火的影響也是決定性的?？扇蓟旌蠚獾闹鹬荒茉谝欢ǖ臐舛确秶鷥?nèi)進(jìn)行，超出極限范圍，不管溫度和壓力多高，也難于著火。 第3節(jié) 柴油機(jī)的滯燃期及其影響因素一滯燃期 滯燃期（AB）段：在壓縮過程末期，在上止點(diǎn)前A點(diǎn)噴油器針閥開啟，向氣缸噴入燃料，這時氣缸中空氣溫度高達(dá)600，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃料在當(dāng)時壓力下的自燃溫度，但燃料并不馬上著火，而是稍有滯后，即到B點(diǎn)才開始著火燃燒，壓力才開始急劇升高，氣體壓力曲線開始與純壓縮曲線

5、分離。從噴油開始（A點(diǎn)）到壓力開始急劇升高時（B點(diǎn)）為止，這一段時間稱為滯燃期。在滯燃期內(nèi)，噴入氣缸的燃料經(jīng)歷一系列物理化學(xué)變化過程，包括燃料的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散與空氣混合等物理準(zhǔn)備階段以及著火前的化學(xué)準(zhǔn)備階段。 二影響滯燃期的因素1.溫度對滯燃期的影響處于第一位。滯燃期分為冷焰誘導(dǎo)期和藍(lán)，熱焰誘導(dǎo)期。冷焰誘導(dǎo)期隨溫度的升高而降低。溫度越低，冷焰誘導(dǎo)期愈長，而且冷焰光越強(qiáng)藍(lán)，熱焰誘導(dǎo)期也越長。2壓力對滯燃期的影響。其他條件相同時，燃燒室內(nèi)的壓力增加，則滯燃期縮短。壓力越大，混合氣密度增加，分子平均自由程縮短，反應(yīng)物分子碰撞頻率增加，反應(yīng)速率加快。3. 壓縮比對滯燃期的影響。壓縮比增加，使得

6、壓縮壓力和壓縮溫度同時增加，對滯燃期雙重影響，滯燃期明顯縮短。4. 進(jìn)氣溫度對滯燃期的影響。增加進(jìn)氣溫度能使壓縮終點(diǎn)溫度約成正比增加。滯燃期隨進(jìn)氣溫度升高而下降。5. 進(jìn)氣壓力對滯燃期的影響。氣缸內(nèi)溫度和壓力隨進(jìn)氣壓力的增加而增加，因而滯燃期縮短。6. 噴油提前角對滯燃期的影響。噴油提前角對滯燃期的影響是溫度，壓力和反應(yīng)物焰前反應(yīng)時間對滯燃期的綜合影響。滯燃期隨噴油提前角的增加而急劇增加。7. 噴油壓力對滯燃期的影響。噴油壓力升高，則滯燃期縮短，但是縮短的量不大，因?yàn)閲娪蛪毫Ω變?nèi)的溫度，壓力這兩個主要因素的影響較小。8. 轉(zhuǎn)速對滯燃期的影響。轉(zhuǎn)速n增加后，每個循環(huán)缸內(nèi)漏氣和散熱的時間減少，因

7、而漏氣量和散熱量減少，缸內(nèi)熱力狀態(tài)提高，縮短滯燃期。9. 負(fù)荷和循環(huán)噴油量的影響。每循環(huán)的噴油量增加和發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加后，會使整個壓縮過程的熱力狀態(tài)提高，滯燃期會有些下降，但不明顯。10. 混合氣濃度對滯燃期的影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)增大時，缸內(nèi)混合氣濃度變稀，滯燃期增加。11. 噴孔數(shù)，噴孔直徑，和噴孔總面積對滯燃期的影響。在同樣循環(huán)噴油量下，噴孔數(shù)目越多，噴孔直徑越小，滯燃期縮短。第五節(jié) 滯燃期對燃燒過程和柴油機(jī)性能的影響滯燃期對燃燒過程和柴油機(jī)性能有著極為重要的影響，要控制燃燒過程和柴油機(jī)的各種性能，其重要手段之一就是通過改變滯燃期來實(shí)現(xiàn)?；旌蠚獾男纬煞绞讲煌?，則滯燃期對燃燒過程的影響程度也不

8、同。霧化混合型燃燒的滯燃期對燃燒過程和發(fā)動機(jī)性能的影響最大，而油膜混合型燃燒的滯燃期對燃燒和性能的影響較小。一，滯燃期對燃燒過程的影響1. 滯燃期對最高燃燒壓力的影響滯燃期越長，則滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的油愈多。著火經(jīng)歷的準(zhǔn)備時間越長，以至于氣缸內(nèi)累積起來的，達(dá)到可燃程度的燃料量越多。從而使得在速燃期一爆而起的預(yù)混合燃燒的燃油量增多，放熱量增加，放熱速度和加速度增加，放熱峰值加高，最后導(dǎo)致最高燃燒壓力和最高燃燒溫度隨著滯燃期的增加而升高。2. 滯燃期對最大壓力升高率的影響最大壓力升高率隨著滯燃期的延長而迅速增長。若是著火性能差的燃料，在噴油提前角過大，或進(jìn)氣溫度和壓力過低時，最大壓升率可能超過1MP

9、/CA，這對保證零部件強(qiáng)度來說是不允許的。3. 滯燃期對示功圖圖形的影響當(dāng)噴油提前角不同時，即噴油時氣缸內(nèi)的溫度和壓力不同時，則噴油提前角大時，示功圖圖形大。最大壓力升高率高。有時甚至發(fā)生燃燒壓力震蕩，如圖峰值區(qū)域有毛刺即是。4. 滯燃期對放熱規(guī)律的影響滯燃期較長導(dǎo)致滯燃期內(nèi)存在的，做好了物理-化學(xué)準(zhǔn)備的可燃混合氣量較多，導(dǎo)致預(yù)混合燃燒的放熱峰值較高，相應(yīng)的，其擴(kuò)散燃燒的放熱曲線稍低。所以，其預(yù)混合燃燒放熱峰值較低，相應(yīng)的，其擴(kuò)散燃燒階段的放熱曲線稍高。二，滯燃期對平均有效壓力和功率的影響 各種柴油機(jī)有著自己的最佳滯燃期，長于或者短于這個滯燃期時，平均有效壓力均降低。滯燃期過短，最高燃燒壓力在

10、上止點(diǎn)前過早出現(xiàn)，從而壓縮過程中消耗的負(fù)功過大，散熱損失增加。反之，示功圖的位置在上止點(diǎn)后過遲出現(xiàn)，燃燒過程推遲。第7章 柴油機(jī)的燃燒和放熱過程柴油機(jī)的燃燒過程有廣義和狹義兩方面，廣義，包括工質(zhì)的準(zhǔn)備過程，工質(zhì)的流動過程，燃燒的時空條件，燃燒的進(jìn)程以及燃燒產(chǎn)物的形成排出。狹義，燃燒始點(diǎn)（著火）至燃燒終點(diǎn)的燃燒進(jìn)程。第1節(jié) 燃燒過程的分段和始終點(diǎn)的確定柴油機(jī)燃燒過程中的放熱速度（即燃燒速度）是極不均勻的，存在多處折點(diǎn)，因此，根據(jù)燃燒進(jìn)程中的各個特點(diǎn)，科學(xué)的進(jìn)行分段，對正確認(rèn)識燃燒，無疑是有裨益的。分段原則是，各段既有確切的物理數(shù)學(xué)含義，又能用現(xiàn)代的儀器測量出各段的明顯標(biāo)志，并且符合燃燒進(jìn)程的各階

11、段。一 按燃燒速度分段分為滯燃期，速燃期，緩燃期，后燃期，四個階段。1滯燃期，從噴油始點(diǎn) 到著火始點(diǎn)，稱為滯燃期，滯燃期是燃料在氣缸內(nèi)進(jìn)行物理-化學(xué)準(zhǔn)備的過程。2速燃期，從著火始點(diǎn)，到氣缸壓力最高值所在曲軸轉(zhuǎn)角，稱為速燃期。速燃期特征是在滯燃期內(nèi)混好的可燃混合氣全部急劇燒完。一般在1220度曲軸轉(zhuǎn)角。3緩燃期，是它從最高燃燒壓力所在曲軸角位到最高燃燒溫度所在角位。在緩燃期內(nèi)，燃燒速度比速燃期要低，但仍保持相當(dāng)?shù)闹怠?后燃期，后燃期是從出現(xiàn)最高燃燒溫度開始直到燃燒終點(diǎn)。后燃期內(nèi)氣缸內(nèi)新鮮空氣大為減少，而燃燒產(chǎn)物充滿缸內(nèi)零散的未燃燃油與新鮮空氣相遇和反應(yīng)的條件較差。燃燒緩慢進(jìn)行，甚至直到排氣開始。

12、二 按燃燒時可燃混合氣制備情況分分為滯燃期，預(yù)混合燃燒期，擴(kuò)散燃燒期，后燃期。主要適用于高速柴油機(jī)的燃燒過程。1滯燃期，從噴油始點(diǎn)到著火始點(diǎn)，稱為滯燃期。2預(yù)混合燃燒期的起點(diǎn)是著火點(diǎn)，終點(diǎn)是放熱規(guī)律圖形中兩個峰值中間的谷點(diǎn)。其物理意義是，在滯燃期內(nèi)和部分預(yù)混合燃燒期內(nèi)已經(jīng)混合好了的可燃混合氣全部燒完，使放熱率達(dá)到很高的值。3擴(kuò)散燃燒期的起點(diǎn)就是預(yù)混合燃燒期的終點(diǎn)，其終點(diǎn)可視為整個燃燒的終點(diǎn)。擴(kuò)散燃燒期內(nèi)燃燒的特點(diǎn)是：燃油邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。擴(kuò)散燃燒期對柴油的經(jīng)濟(jì)性，排煙，排污至關(guān)重要。第二節(jié) 燃燒的進(jìn)程一，焰區(qū)的溫度及其計算焰區(qū)的溫度比氣缸內(nèi)的平均溫度高得多，該圖表明，燃料滴的火焰圈內(nèi)，近

13、中部區(qū)的溫度最高，在大氣溫度下燃燒時為15001700C。而向外延伸時，火焰溫度迅速下降。這主要與所在部位的混合氣濃度有關(guān)。向液滴方向，則濃度過大；向外圍方向，則濃度過稀，上述溫度場形態(tài)上大致也適用于柴油氣缸內(nèi)油滴周圍火焰區(qū)的溫度場形態(tài)。當(dāng)然，其溫度絕對值比此高得多。第3節(jié) 放熱規(guī)律計算及有關(guān)參數(shù)的確定和誤差影響一，傳熱系數(shù)的確定及對放熱規(guī)律的影響內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃?xì)庀蚋左w壁面?zhèn)鳠嶂饕菍α鱾鳠?，其次是輻射傳熱。輻射傳熱量大約是燃?xì)庀蚋妆诳倐鳠崃康?0%30%。其中最大值適用于增壓強(qiáng)化柴油機(jī)。由于是以對流傳熱形式來表達(dá)整個傳熱狀態(tài)，而把油蒸發(fā)吸熱以及輻射傳熱放在傳熱系數(shù)中統(tǒng)一考慮，所以傳熱系數(shù)在相

14、當(dāng)程度上是經(jīng)驗(yàn)型的。二，比熱容和比熱容比的確定及對放熱規(guī)律的影響比熱容是單位物質(zhì)作單位溫度變化時所吸收或者放出的熱量。氣體的比熱容吸熱或者放熱的具體條件不同而各異。所以內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程中比熱容與工質(zhì)的過程或者狀態(tài)有關(guān)。三，燃燒室壁溫的確定及其對放熱規(guī)律的影響燃燒室壁溫隨時間和空間的不同而不同。不同部位可以相差5080。為了計算方便，視壁溫為常數(shù)，即取平均壁溫。如果選擇的平均壁溫高于實(shí)際值，則燃?xì)庀蚋妆诘纳崃勘日鎸?shí)值減少，從而使放熱率和放熱百分率的計算值偏低。但是總的來說，影響并不明顯。四，上止點(diǎn)誤差對放熱規(guī)律的影響上止點(diǎn)的精確測定是極為重要的。如果上止點(diǎn)比真實(shí)的上止點(diǎn)加1CA，即由360CA

15、移至359CA，則示功圖的正功（膨脹功）增加，同時負(fù)功（壓縮功）減少。這就使放熱規(guī)律曲線和放熱百分率曲線明顯提CA高。反之，如上止點(diǎn)減1CA，即360CA改為361CA，則上述兩線明顯下降。上止點(diǎn)誤差1CA，則放熱峰值可差1015%；放熱百分率可相差79%。第4節(jié) 各種柴油機(jī)放熱規(guī)律圖形的比較與分析一，放熱規(guī)律圖形與燃燒系統(tǒng)，供油系統(tǒng)以及混合氣形成方式有密切的關(guān)系，而后三者又取決于柴油機(jī)的缸徑，轉(zhuǎn)速，燃燒室型式，增壓和強(qiáng)化與否，沖程數(shù)以及用途等。所以，各種柴油機(jī)的放熱規(guī)律圖形有明顯差別，甚至迥然相異。根本原因是其燃燒進(jìn)程和放熱速度隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化不同。1渦流室柴油機(jī)的放熱規(guī)律圖形 如圖渦流室

16、內(nèi)首先燃燒放熱，在渦流室內(nèi)放熱率達(dá)到一定峰值時候，主燃燒室才開始放熱，兩室開始放熱時差約為（23）CA，在渦流室內(nèi)放熱達(dá)到一定峰值突然降落是因?yàn)闇u流室內(nèi)的燃?xì)鉀_向主燃燒室，大量的可燃?xì)怏w移至主室放熱。此后副室剩余燃?xì)膺M(jìn)一步燃燒，形成第二峰值。主室內(nèi)的最大放熱率值幾乎達(dá)到與副室放熱值的同等水平。副室放熱在50CA 左右時首先終止，而主室放熱一直持續(xù)到（7080）CA。預(yù)燃室內(nèi)的通道面積比比渦流室的通道面積比小得多，以致燃?xì)庠陬A(yù)燃室滯留的時間比在渦流室內(nèi)滯留的時間稍長；其次，預(yù)燃室內(nèi)的容積比比渦流室內(nèi)的容積比要小得多。所以剩留在預(yù)燃室內(nèi)的可燃?xì)怏w量也少得多，致使其第二峰值升不高。預(yù)燃室內(nèi)的第一峰值

17、下降之時正是主室放熱升起之時。 第五節(jié) 放熱規(guī)律的影響因素1. 噴油提前角的影響 在負(fù)荷和轉(zhuǎn)速一定的條件下，噴油提前角越大，則第一放熱峰值越高第二放熱值卻越低。放熱規(guī)律曲線越向上止點(diǎn)偏移。這是因?yàn)閲娪吞崆敖窃酱?，滯燃期越長，在滯燃期內(nèi)預(yù)混合好的可燃混合氣越多，因此一旦著火，燃燒迅猛，放熱速率很高。2. 渦流強(qiáng)度的影響 渦流強(qiáng)度大，使混合氣加速形成，導(dǎo)致參加預(yù)混合的燃燒的燃料量有所增加，最終反映出第一峰值提高，第二峰值下降。整個放熱規(guī)律略向上止點(diǎn)偏移。3. 噴孔數(shù)目和直徑的影響 噴孔面積一定時，不同的數(shù)目和直徑，一方面影響噴注在燃燒室內(nèi)的合理分布以及是否相互干擾，另方面影響噴注的貫穿距離和霧珠細(xì)

18、微度。4. 噴油壓力的影響 噴油壓力越高，則滯燃期越短，而且這種縮短的程度隨噴油提前角的加大而更為明顯。噴油壓力大，著火較早，滯燃期內(nèi)預(yù)混合燃料少，第一峰值較低。5. 油泵柱塞直徑的影響 在同樣的柱塞速度下，則柱塞直徑大的噴油泵，其噴油速率較大，在相同時間內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的燃油較多，則參加預(yù)混合燃燒的燃料量較多。以致到第一放熱峰值也較高。6. 噴油規(guī)律的影響 當(dāng)噴油率高，噴油規(guī)律初始曲線陡峭，噴油持續(xù)期短時，則相應(yīng)的放熱峰值也高，放熱規(guī)律初始曲線也陡峭，主要放熱期也短。反正，則相應(yīng)的放熱峰值較低，放熱規(guī)律初始上升線段較平緩，主燃期內(nèi)的放熱持續(xù)期也較長。7. 油品對放熱規(guī)律的影響 不同品質(zhì)的燃料可以

19、以它們的芳烴含率和十六烷值CN來表征。芳香烴少和十六烷值高的柴油，其著火性能好，滯燃期短，在同樣的噴油提前角時，其著火早，放熱峰值離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，而放熱峰值較低。含芳香烴多和十六烷值低的柴油，其著火較難和晚。因而滯燃期長，在滯燃期內(nèi)積存的混合氣多，一旦著火，燃燒猛烈。 高原環(huán)境下大功率柴油機(jī)燃燒性能分析及功率恢復(fù)研究 作者姓名 高榮剛 學(xué)科專業(yè) 動力機(jī)械及工程 指導(dǎo)教師 徐宇工 教授 學(xué)院 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院 二零一二年六月 高原地區(qū)大氣壓力低，環(huán)境溫度變化大,環(huán)境條件惡劣,對柴油機(jī)性能的影響主要有:功率下降、油耗上升，后燃嚴(yán)重、熱負(fù)荷增大、排放惡化、增壓器渦輪易超速、增壓器效率

20、下降，熱負(fù)荷增大等。因此，針對上述問題開展高原環(huán)境下柴油機(jī)燃燒性能分析及功率恢復(fù)的研究,具有重要的理論意義和工程實(shí)用價值。為改善柴油機(jī)高原性能，以某大功率柴油機(jī)原機(jī)型燃燒系統(tǒng)為基礎(chǔ),重點(diǎn)針對燃燒室廓形、喉口半徑、油束夾角以及渦流比等參數(shù)開展了優(yōu)化研究，最終優(yōu)化出了在平原環(huán)境下能提高功率,高原環(huán)境下能一定程度恢復(fù)功率的燃燒系統(tǒng)參數(shù)。 經(jīng)過分析論證，選擇了為某大功率柴油機(jī)匹配可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高原功率恢復(fù)的目標(biāo)。經(jīng)過仔細(xì)研究，結(jié)果表明,在匹配了可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)后,柴油機(jī)高原動力性能得到了明顯提升，海拔4km高原環(huán)境下柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速工況的功率較平原環(huán)境時下降幅度均不到4%，已恢復(fù)至接近平原環(huán)境時的

21、水平，能夠很好的滿足車輛在高原地區(qū)行駛的動力需求。一 高原環(huán)境對大功率柴油機(jī)總體性能的影響規(guī)律研究1大氣壓力對柴油機(jī)動力性以及經(jīng)濟(jì)性的影響由圖可知，隨著大氣壓力的降低，隨著大氣壓力的降低,不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的功率均逐漸降低,且海拔越高，功率的降幅越大。海拔高度每增加1km,功率下降2.3%5.7%。由圖所示的不同大氣壓力下，柴油機(jī)相對扭矩曲線，可以發(fā)現(xiàn),隨著大氣壓力的降低，柴油機(jī)的扭矩逐漸降低，且海拔越高,扭矩的降幅越大。2環(huán)境溫度對柴油機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的影響 圖中給出了不同海拔高度下環(huán)境溫度對柴油機(jī)相對功率的影響，分析可知，各海拔高度下，隨著環(huán)境溫度的升高，柴油機(jī)功率均逐漸降低，且在高海拔低氣

22、壓處功率的降幅比低海拔時大。 圖中所示的環(huán)境溫度對柴油機(jī)相對扭矩的影響，發(fā)現(xiàn)不同海拔條件下，柴油機(jī)扭矩隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律與功率的變化規(guī)律相似，即各海拔高度下，隨著環(huán)境溫度的升高，柴油機(jī)扭矩均逐漸降低，且在高海拔低氣壓處扭矩的降幅比低海拔時大。3高原環(huán)境對渦輪增壓器性能的影響 隨著海拔的升高，柴油機(jī)和增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線逐漸偏離壓氣機(jī)的高效率區(qū)，即壓氣機(jī)效率有所下降。柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速工況時，隨著海拔的升高,壓氣機(jī)的壓比和轉(zhuǎn)速逐漸增加，但仍能保持在壓氣機(jī)的高效率區(qū)。 隨著海拔高度的增加，柴油機(jī)進(jìn)氣流量下降，但是由于禍輪增壓器具有自補(bǔ)償?shù)哪芰Γ軌蜓a(bǔ)償由海拔升高大氣壓力降低而引起的柴油機(jī)進(jìn)氣下降，且

23、能使柴油機(jī)進(jìn)氣量下降的幅度低于大氣壓力下降的幅度。 二 燃燒室廓形的優(yōu)化 柴油機(jī)燃燒室廓形以能夠良好的引導(dǎo)缸內(nèi)氣流運(yùn)動，合理組織燃燒為優(yōu)，這里以大功率柴油機(jī)原廓形燃燒室為基礎(chǔ)，設(shè)計出擴(kuò)口，直口，和縮口三種類型。其中擴(kuò)口和直口燃燒室保持了原廓形燃燒室的喉口半徑62.5mm不變，縮口燃燒室喉口半徑減小為57mm?？紤]到缸內(nèi)氣流特點(diǎn)以及油束前行規(guī)律，各燃燒室的凹坑做了優(yōu)化處理，即增大凹坑容積，并增大了凸臺傾角，以更好的引導(dǎo)氣流運(yùn)動，利于油氣混合。通過三種廓形燃燒室與油束夾角的匹配分析，可知采用擴(kuò)口油束夾角158，直口油束夾角155和縮口油束夾角155時，柴油機(jī)功率得到提升，累積放熱量增大，且缸內(nèi)油氣

24、混合過程有所改善。通過三種廓形燃燒室的渦流分析，可知在采用擴(kuò)口渦流比1.5，直口渦流比1.2和縮口渦流比1.2方案時候，柴油機(jī)獲得了較高的指示功率，燃燒放熱率升高，且缸內(nèi)油氣混合能夠快速進(jìn)行，空氣得到充分利用。優(yōu)化方案一:采用擴(kuò)口燃燒室廓形，喉口半徑60mm,油束夾角158，渦流比1.5,優(yōu)化后指示功率91.45kW; 優(yōu)化方案二:采用直口燃燒室廓形,喉口半徑57mm,油束夾角155，渦流比1.2,優(yōu)化后指示功率91.68kW;優(yōu)化方案三:采用縮口燃燒室廓形，喉口半徑54mm，油束夾角155，渦流比1.2,優(yōu)化后指示功率91.89kW。選擇優(yōu)化方案3，柴油機(jī)指示功率最大。三 大功率柴油機(jī)增壓系

25、統(tǒng)的匹配為柴油機(jī)匹配禍輪增壓系統(tǒng)是目前解決柴油機(jī)高原環(huán)境下動力性能下降問題的主要方法。1 選型 當(dāng)柴油機(jī)工作在高原地區(qū)時，各項(xiàng)性能指標(biāo)均出現(xiàn)下降。為解決這個問題，使得該柴油機(jī)在不同海拔的高原環(huán)境下均能實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)，為該柴油機(jī)匹配可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)是一個很好的選擇?？烧{(diào)渦輪增壓系統(tǒng)主要是通過對某些參數(shù)(可以根據(jù)需要在大氣壓力、環(huán)境溫度、增壓空氣的溫度和壓力、增壓器轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率及扭矩中選取)的動態(tài)跟蹤檢測并將信息傳遞給控制器，以實(shí)現(xiàn)對渦輪流通截面的實(shí)時控制，使柴油機(jī)在不同工況下都能夠獲得足量的空氣充量。2 可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)與大功率柴油機(jī)的匹配特點(diǎn)和要求 （1）壓氣機(jī)與柴油機(jī)的匹配 增壓器壓

26、氣機(jī)和柴油機(jī)的匹配，需要柴油機(jī)的特性曲線穿過壓氣機(jī)的高效率區(qū)，并盡可能的使柴油機(jī)的運(yùn)行線和壓氣機(jī)高效率區(qū)的等效率線相平行。 （2）渦輪與柴油機(jī)的匹配 對于普通禍輪增壓系統(tǒng)，渦輪和柴油機(jī)匹配的基本要求是在柴油機(jī)的整個運(yùn)行范圍內(nèi)渦輪都要有比較高的效率，且有較為合適的流通能力，并為壓氣機(jī)提供功率保障?？烧{(diào)渦輪具有其特殊性，對于可調(diào)渦輪增壓器渦輪提出了更多的要求:1渦輪效率特性曲線：可調(diào)渦輪要比普通渦輪具有更為寬廣和平坦的高效率區(qū)，,以保證可調(diào)渦輪始終保持較高的效率。2渦輪流量特性曲線：可調(diào)渦輪流量特性曲線的工作段要比普通渦輪的工作段更加平緩，以減緩渦輪背壓的增加幅度; 3要求保證柴油機(jī)的最大耗氣特性

27、稍小于渦輪的最大流通特性,渦輪始終能夠保持在高效率區(qū)工作;3 渦輪與壓氣機(jī)的匹配渦輪與壓氣機(jī)匹配的基本要求就是要滿足三個條件，即：(1)轉(zhuǎn)速相等：渦輪和壓氣機(jī)要有相同的轉(zhuǎn)速；(2)流量平衡：通過渦輪的燃?xì)赓|(zhì)量流量應(yīng)等于壓氣機(jī)空氣流量與燃料流量之和；(3)功率平衡:在增壓器穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，渦輪的輸出功應(yīng)等于壓氣機(jī)的消耗功與機(jī)械損失功之和。四 總結(jié)結(jié)果表明，在匹配了可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)與優(yōu)化了燃燒室廓形之后，大功率柴油機(jī)高原動力性能得到了明顯提升，海拔4km高原環(huán)境下柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速工況的功率較平原壞境時下降幅度均不到4%，已恢復(fù)至接近平原環(huán)境時的水平，能夠很好的滿足車輛在高原地區(qū)行駛的動力需求。噴油規(guī)

28、律對柴油機(jī)排放性能的影響研究碩士研究生：裴玉成 指導(dǎo)教師 周松 所在單位及學(xué)科：哈爾濱工程大學(xué) 動力機(jī)械及工程論文提交日期：2013年3月第一章 燃油噴射技術(shù)1.1噴油規(guī)律指噴油率(噴油量)隨噴油時間(曲軸轉(zhuǎn)角)的變化關(guān)系。噴油規(guī)律不僅關(guān)系著柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，對排放特性的影響也有決定性的作用。為滿足 IMO 對柴油機(jī)氮氧化合物(NOx)排放的限制標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)噴油規(guī)律應(yīng)具備兩方面的性質(zhì)：一方面，滯燃期內(nèi)在達(dá)到最高爆發(fā)壓力要求時，應(yīng)盡可能的降低噴入到氣缸中的燃油量，避免使最高燃燒溫度過高；另一方面，要合理控制在燃燒前期噴入氣缸內(nèi)的燃油量，從而控制NOx的生成量。減少預(yù)混燃燒和促進(jìn)擴(kuò)散燃燒是降

29、低 NOx和顆粒排放的兩種有效方法。預(yù)混燃燒的特點(diǎn)是高溫、富氧，該環(huán)境對 NOx的生成極其有利，顆粒主要是在擴(kuò)散燃燒階段發(fā)生氧化。預(yù)混燃燒階段對熱效率、燃燒噪聲及排放影響較大，擴(kuò)散燃燒對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、煙度、排污等有重要影響。圖 1.1 給出了低排放柴油機(jī)燃燒過程的控制思路，即減少預(yù)混燃燒，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒。因此，為滿足排放的需求，對現(xiàn)代柴油機(jī)的噴油系統(tǒng)提出了更高的要求：高的噴油壓力和噴油速率、可調(diào)的噴油持續(xù)期以及根據(jù)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的變化可以自動調(diào)節(jié)噴油量及噴油定時。柴油機(jī)的噴油系統(tǒng)經(jīng)歷了從低壓噴射到高壓噴射，從單次噴射到多次噴射；從機(jī)械控制到電子控制，從位置控制到時間控制等發(fā)展過程。1.2高壓共軌技

30、術(shù)是當(dāng)今燃油噴射系統(tǒng)的主流技術(shù)。高壓共軌技術(shù)是指通過高壓油泵、壓力傳感器以及電子控制單元，將噴射壓力的產(chǎn)生與噴射過程完全分開的一種供油技術(shù)。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： 1) 可以靈活控制噴油壓力、噴油定時、噴油持續(xù)期。使噴油壓力的產(chǎn)生不依賴于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，高噴射壓力。 2) 通過穩(wěn)定的高壓噴射，細(xì)化燃油液滴，改善燃燒過程，從而改善排放性能。 3) 由于電子控制單元的存在，可以實(shí)現(xiàn)多次噴射。 4) 通過電磁閥控制噴油，提高噴油精度，使噴射特性得到改善。1.3 單次噴射策略為提高發(fā)動機(jī)性能及降低排放，理想的噴油規(guī)律如圖所示，即初期緩慢、中期急速、后期快斷的靴型噴射規(guī)律。該噴油規(guī)律

31、的優(yōu)點(diǎn)在于，可以控制各階段噴油速率和時間。初期緩慢的目的是遏制著火滯燃期內(nèi)產(chǎn)生的可燃混合氣，減慢初期燃燒速率，使缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，減少 NOx的生成。中期急速的目的是為更早的獲得較大的最高噴油速率，從而加快擴(kuò)散燃燒速率，以防顆粒的生成及熱效率的惡化。由于燃燒后期噴油壓力及噴油速率相對較低，為避免燃油霧化變差，燃燒不充分，避免碳煙生成量的增加，燃燒后期采取快速斷油。 1.4 多次噴射策略 相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式噴油的單次噴射規(guī)律，電控技術(shù)的使用，可以實(shí)現(xiàn)各種靈活多樣的噴油規(guī)律，噴射示意圖如圖 1.3 所示，不僅可以使噴油壓力達(dá)到 200MPa 以上，還可以在一個工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次噴射。多次噴射是

32、指，將每循環(huán)的燃油噴射量分成兩次甚至更多次進(jìn)行噴射，是一種不明顯影響 NOx 生成，但可以有效降低碳煙排放的措施。第2章 單次噴射的計算結(jié)果及分析2.1 模型的驗(yàn)證不同噴油規(guī)律下，柴油機(jī)的燃燒過程及污染物的排放差別較大，本文對矩形、梯形單次噴油規(guī)律進(jìn)行仿真計算，并與原機(jī)噴油規(guī)律進(jìn)行對比分析，同時研究噴油定時及噴油規(guī)律曲線前期拐點(diǎn)對柴油機(jī)性能的影響。2.2 單次噴射對柴油機(jī)排放性能的影響研究 本文采用矩形噴射和梯形噴射的單次噴油規(guī)律，與原機(jī)噴油規(guī)律進(jìn)行對比分析，以獲得相應(yīng)噴油規(guī)律對柴油機(jī)排放性能的影響。2.3單次噴射對缸內(nèi)壓力的影響 如圖可知，原機(jī)噴油規(guī)律下缸內(nèi)最高壓力最大，梯形噴油規(guī)律下的最高

33、壓力最低，矩形噴油規(guī)律下缸內(nèi)最高壓力居中。原因在于：原機(jī)噴油規(guī)律下著火前期噴油量最多，缸內(nèi)燃燒劇烈，缸內(nèi)最高壓力最大。2.4 單次噴射對缸內(nèi)平均溫度的影響 由圖可知，原機(jī)噴油規(guī)律下缸內(nèi)最高平均溫度最高，其次為梯形噴油規(guī)律，矩形噴油規(guī)律下的缸內(nèi)最高平均溫度最低。同時，矩形噴油規(guī)律下燃燒后期的排氣溫度最高，原機(jī)噴油規(guī)律下燃燒后期的排氣溫度最低，梯形噴油規(guī)律下燃燒后期的排氣溫度居中。 2.5 在梯形與矩形噴油規(guī)律下 NO的生成量 由圖可知，矩形噴油規(guī)律下 NO 排放量最低，梯形噴油規(guī)律居中，原機(jī)噴油規(guī)律下的 NO 排放量最高。第3章 結(jié)論 本章通過對比研究矩形、梯形及原機(jī)噴油規(guī)律對柴油機(jī)工作過程及排

34、放性能的影響，獲得一些結(jié)論： 1、原機(jī)噴油規(guī)律下缸內(nèi)最高壓力最大、最高平均溫度最高；矩形噴油規(guī)律下 NO生成量最少，碳煙生成量最多，但不同方案間碳煙生成量差值較小。所以，如果只是從減少排放角度出發(fā)，可以考慮采用矩形噴油規(guī)律。 2、隨著噴油定時的延遲，缸內(nèi)最高壓力、最高平均溫度降低，排氣溫度提高，NO生成量降低，但碳煙排放惡化。 3、隨著梯形噴油規(guī)律曲線前期拐點(diǎn)的推后，缸內(nèi)最高壓力降低，缸內(nèi)最高平均溫度增高，NO 生成量增多，碳煙生成量略微降低。重型柴油機(jī)燃燒過程優(yōu)化的研究學(xué)科專業(yè)：動力機(jī)械及工程研究生：陳慧指導(dǎo)教師 ：鄭尊清單位：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院時間：二零一一年十二月一 高效清潔燃燒的技術(shù)措施、為了提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，降低排放，適應(yīng)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，近年來尋求替代燃料和燃料改性、缸內(nèi)燃燒優(yōu)化以及尾氣后處理技術(shù)等成為改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放的發(fā)展趨勢。缸內(nèi)燃燒優(yōu)化是最直接最有效的手段，包括噴油系統(tǒng)的改進(jìn)、增壓中冷技術(shù)、新型燃燒方式和廢氣再循環(huán)等。1 噴油系統(tǒng)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已經(jīng)在柴油機(jī)上得到廣泛使用。高壓共軌噴射技術(shù)的應(yīng)用可使柴油機(jī)通過最佳噴油正時、最佳噴油速率和多次噴射，實(shí)現(xiàn)與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、