柴油机燃烧过程及影响因素

一、柴油机的着火

柴油机的燃烧过程是从压缩过程上止点前喷油开始到膨胀过程燃烧终了为止，所占时间很短（为50°～70°曲轴转角，高速柴油机只有3～6 ms），是一个非常复杂的物理化学过程。

柴油机利用柴油化学安定性差、易自燃的特点，采用压缩自燃的方式使可燃混合气着火，在压缩过程的末期将柴油喷入气缸，此时缸内空气温度高达500～900℃，远远超过了柴油的自燃温度，但燃料并不能立即着火燃烧。

要使可燃混合气着火燃烧，必须具备如下两个条件：

（1）可燃混合气必须加热到某一临界温度以上，否则，燃料就不能着火。燃料不用外界能量点燃而能自行着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。

（2）可燃混合气中燃料与空气的比例要在着火界限范围内才能着火燃烧，若混合气过浓，说明氧分子相对较少、燃料分子过多；混合气过稀，表明燃料分子过少、氧分子过多，这两种情况的氧化反应程度都不够。因此，混合气过浓或过稀，超出了着火界限就不能着火。

柴油机气缸内燃料油束的着火情况非常复杂，位于油束外围直径很小的油滴在很短时间内即蒸发完毕，这时虽然可以形成有适当浓度的混合气区域，但由于温度不够或化学准备来不及，则此处不可能着火，经过一段时间后，扩散作用使这个部分的混合气变稀，也难以着火。所以首先着火的地点不在最小油滴处，也不在油束核心浓度过高的部分，而是在油束核心与外围之间混合气浓度和温度适当的地方。

图3.23　柴油机燃烧过程

1—着火延迟期；2—速燃期；3—缓燃期；4—补燃期

二、柴油机燃烧过程的划分阶段

柴油机的燃烧基本上是喷雾的非定常紊流扩散燃烧，即在燃烧室所限制狭窄空间内的高温、高压环境下，经高压喷射的高浓度燃料喷雾在空间分配不均的状态下，在极短的时间内进行的一种燃烧形态。柴油机的燃烧过程是柴油机工作过程的核心部分，为便于分析，通常利用展开示功图，根据气缸中工质压力和温度的变化规律，将其人为地划分为四个阶段，即着火延迟期、速燃期、缓燃期和补燃期，如图3.23所示。

1.着火延迟期

着火延迟期又称为滞燃期（图3.23中的AB段），即从喷油始点A到由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升的B点（着火点）。在着火延迟期内，喷入燃烧室高温、高压气体中的燃料进行粉碎、雾化、扩散、加热、蒸发、汽化和空气混合，直至在某些局部区域进行可燃混合气的物理准备阶段，以及燃料分子的裂化、低温多阶段着火的化学准备阶段。在此阶段，物理过程和化学过程是同时相继进行的。

2.速燃期

速燃期又称预混合燃烧期（图3.23中的BC段），即从压力脱离压缩线开始急剧上升（B点）至燃烧放热率变缓的突变点（C点）。在速燃期内，在着火延迟期的极短时间内准备好的非均质预混合气几乎同时开始燃烧，而且活塞又靠近上止点，因此使燃烧室内的压力、温度急剧上升，燃烧放热速率很快达到最高值。

3.缓燃期

缓燃期又称扩散燃烧期（图3.23中的CD段），即从C点至最高燃烧温度点（D点）。一般喷射过程在缓燃期都已结束，随着燃烧过程的进行，空气逐渐减少而燃烧产物不断增多，燃烧的进行也渐趋缓慢。缓燃期的燃烧具有扩散燃烧的特征，混合气形成的速度和质量起着十分重要的作用，在此期间，参与燃烧的是在速燃期内未燃烧的燃料和在缓燃期内喷入的燃料，特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，边以高温、单阶段方式着火参与燃烧。

4.补燃期

补燃期又称后燃期（图3.23中的DE段），即从最高燃烧温度点（D点）至燃油基本燃烧完毕点（E点），累计放热率大于95％。由于柴油机混合气形成时间短，油气混合极不均匀，总有一些燃料不能及时燃烧，而拖到膨胀过程中继续燃烧，特别是在高速、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，补燃现象就更为严重。

三、柴油机燃烧过程的影响因素

1.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，但这将导致气缸工作容积利用率，即升功率降低，动力性变差。所以要保证在上止点附近的燃料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，从而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物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物排放量的要求，特别是降低柴油机废气中的两种主要有害排放物（微粒和NOx），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，我们希望不仅是在某一工况下，而是在各种转速、负荷的工况下其都能有较好的性能。

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。

2.使用因素

1）燃料性质

燃油的十六烷值是衡量燃油自燃性的指标，其对燃烧过程也有一定影响。图3.24所示为喷油时刻相同，使用不同十六烷值的燃料对燃烧过程的影响。(www.xing528.com)

图3.24　不同十六烷值对燃烧过程的影响

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，其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。将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，燃料雾化细微可提高空气利用率，使燃烧完全。蒸发性影响形成可燃混合气的速度。

2）转速

当发动机转速变化时，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会有所改变，这些都影响燃烧过程。在不同发动机中，它们的影响是不同的。当转速升高时，由于散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度和压力增高。

转速升高也会使喷油压力升高、燃油的雾化改善，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3.25所示为转速对着火延迟期的影响。

图3.25　转速对着火延迟期的影响

虚线—直喷式燃烧室；实线—涡流式燃烧室

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为实现这一功能而设计的。一般来说，转速过低或过高都会使燃烧效率降低。当转速过低时，空气运动减弱，喷油压力下降，使混合气质量变差；当转速过高时，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。若柴油机转速保持不变而负荷增加，则循环供油量也增大，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，从而引起缸内温度上升，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3.26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。

图3.26　负荷对着火延迟期的影响

4）喷油提前角

喷油提前角对柴油机的燃烧过程有影响，进而在很大程度上影响其性能。喷油提前角过大，柴油在气缸压力和温度较低的状态下进入气缸，使着火延迟期延长（图3.27），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。

若供油提前角过小，则会使燃油不能在上止点附近及时燃烧，补燃量增加，这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3.28所示为喷油提前角对示功图的影响。最佳的供油提前角和发动机转速、压缩比、燃料性质、燃烧室形状、喷油规律及增压度等因素有关。

图3.27　喷油提前角对着火延迟期的影响

图3.28　喷油提前角对示功图的影响（n=1 700 r/min）

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排放量。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大，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，否则会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，进入气缸的空气密度增大，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3.29所示。

图3.29　空气密度对着火延迟期的影响