燃烧过程的影响因素

6.4　燃烧过程的影响因素

通过以上对柴油机燃烧过程的研究可见，柴油机主要优点是经济性指标较高，存在的主要问题是混合气形成困难、工作粗暴噪音大、排气冒黑烟、冷起动性差等，这些都与燃烧过程直接有关。而影响燃烧过程的因素很多，有结构、燃油、使用等方面的因素。其结构方面对燃烧的影响，在上节部分讨论过，而在使用维修中对燃油、使用方面的因素更为关心，有必要对这些因素加以分析研究，以便找出提高柴油机动力性、减少噪音、改善排气品质的措施。

6.4.1　燃油方面的因素

柴油的着火性是影响燃烧过程的重要因素。着火性用十六烷值表示。在标准燃料中的十六烷值就是该标准燃料所含正十六烷的百分数。在使用中柴油的十六烷值是通过与标准燃料混合物对比实验测定的。如一种柴油十六烷值为40，就是该柴油与含40%的正十六烷和60%的α－甲基萘的标准燃料混合物的着火性相当。正十六烷最易着火，所以柴油中含正十六烷成分愈多，即十六烷值愈高，其着火性愈好。着火性好的柴油，使滞燃期缩短，柴油机工作柔和。但是，十六烷值过高，使燃油刚刚喷出喷孔就围绕喷油器燃烧，造成高温裂解，排气冒黑姻，经济性下降。车用柴油机十六烷值大致为40～50。图6－23表示使用不同十六烷值燃料对燃烧过程的影响。

图6－23　十六烷值燃料对燃烧过程的影响

柴油的蒸发性直接影响可燃混合气形成的速度，它对燃烧过程也有一定影响。蒸发性用馏程表示。馏程指柴油蒸馏过程中馏出百分数所处的温度，通常以馏出50%的温度来评定。馏出的温度低，即馏程低，其蒸发性好，这对改善燃烧有利。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在滞燃期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200℃～350℃。

随着燃烷室的不同，对燃料的敏感程度不一样，有的柴油机还能使用多种燃料，在军事上颇有意义。

6.4.2　结构方面的因素

如上节所述，结构方面对燃烧的影响，主要是要求燃油喷雾、空气运动、燃烧室结构三方面良好的配合。除此之外，压缩比、喷油器结构参数、喷油规律、活塞材料等因素对燃烧过程也有很大影响。

1.压缩比的影响

压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都比较高，使燃料的滞燃期缩短而发动机工作比较柔和。不同压缩比对滞燃期的影响如图6－24所示。同时，压缩比的增大，还能提高发动机工作的经济性和改善起动性能。如果压缩比过高，燃烧最高压力会过分增大，使曲柄连杆机构承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命。

图6－24　压缩比对燃料滞燃期θ_i的影响

α－相当于混合气着火所必须的最低压缩比点

1－十六烷值为40　2－十六烷值为60

2.喷油器结构参数的影响

(1)针阀升程头部形状。针阀升程是喷油器的一个重要结构参数，其大小对柴油机工作性能及喷油嘴使用寿命都有一定影响。

针阀升程的大小应保证密封座面处有必要的流通截面，如果升程过小，则油流截面较小，喷油过程中座面节流损失严重，会使压力室内油压降低过多而影响喷雾质量。在同样的喷油量中会使喷油延续时间增加，所以针阀升程应足够大，以保证一定的油流截面及尽可能小的流动阻力。但针阀升程过大也有不利的一面，因为随着升程的加大，调压弹簧的应力增加，将加大针阀上升时撞击支承面及关闭时对密封面的冲击截荷，引起磨损加剧，缩短使用寿命;同时升程过大，也会延迟针阀关闭时间，增加燃气倒流，影响性能并能污染针阀偶件，容易引起喷嘴漏油、过热、积碳以及针阀卡死等故障。因此在保证有足够的流通截面积的前提下，应尽可能减少针阀升程。

图6－25　孔式油嘴头部形状

孔式油嘴，针阀头部形状通常有单锥面和双锥面之分(见图6－25)，单锥面见图中虚线所示。这种结构在针阀升起时，针阀体T截面处因环形面积较小，容易在这里产生截流。采用双锥面结构(见图中实线所示)能使薄弱环节T截面处的流通截面得到改善。为减少节流损失要求座面有足够的流通截面，T截面处的流通截面F _T与喷孔截面尺F _R之比为:F _T/F _R=1.5～2.5。

(2)压力室容积。针阀密封座面以下和喷孔以上的空间称为压力室容积(见图6－26)。这部分容积的大小对柴油机性能有一定的影响，因为在燃烧过程的后期，喷油器的针阀虽已关闭，但压力室内总储有一定量的燃油，尤其是孔式油嘴，这部分燃油受高温影响而膨胀或蒸发，因而其中一部分柴油也会进入燃烧室。这部分燃油不是在高压下呈雾状喷入，而是以滴漏的形式流入燃烧室，因此不能与空气正常混合燃烧，这样不但使柴油机性能变坏，而且会产生更多不完全燃烧的碳氢化合物(HC)及一氧化碳(CO)等排放物。同时亦容易增加喷油嘴偶件头部的积碳现象。压力室容积愈大，燃烧室中滴漏的柴油愈多，对性能影响愈大，有害的HC、CO排放物愈多。

(3)针阀开启压力，燃油喷射压力和针阀关闭压力。喷油器工作时盛油槽内燃油压力上升到针阀开始升起瞬间的燃油压力称为针阀开启压力。喷射压力则指燃油从压力室经过喷孔喷出时的压力，通常指压力室内压力。

喷油器调压弹簧预紧力调定后，针阀开启压力基本上是个定值，而喷射压力则在喷油延续期内受嘴端压力波的影响是个变值。

喷射压力增大，能提高燃油雾化质量，有利于减轻柴油机高低速性能匹配矛盾，能促进混合气的形成，有利于柴油机的燃烧。

图6－26　压力室

提高开启压力，虽在一定程度上能提高喷射压力，但对改善非直喷式柴油机性能并不一定有明显效果，所以迄今仍保持在多年前的水平，一般在(100～140)×10Pa之间;而直喷式柴油机对开启压力反应较为敏感。60年代初，一般采用(150～175)×10⁵ Pa，而后逐步提高，现达(170～350)×10⁵ Pa，还有提高的趋势。由于低速低负荷时，针阀一般处于浮动状态，喷射压力与针阀开启压力接近。因此适当提高针阀开启压力能同时提高喷射压力，有利于改善直喷式柴油机低速性能。但过分追求高的开启压力对柴油机性能改善收效不大，相反给燃油系统零部件的可靠性和耐久性带来不良后果。

喷油结束以后，针阀关闭之前，压力室内应保持一定的压力，如果关闭压力p_c太低，则因针阀在落座过程中，喷射压力过低而降低喷射后期的喷雾质量，也在一定程度上影响燃烧过程，同时还容易引起燃气倒流的弊病。因此要求针阀在关闭时具有足够大的关闭压力p_c，通常p_c须大于最大燃烧压力10%以上。

3.活塞材料的影响

铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高，这样可以缩短滞燃期，因此在其他条件相同时，采用铸铁活塞的柴油机工作比较柔和。

4.喷油规律的影响

喷油规律是指单位时间(或转角)的喷油量即喷油速度随时间(或转角)而变化的关系。喷油规律集中体现了喷射过程中各参数之间的关系。合理的喷油规律必须与燃烧室合理配合。因而每种柴油机都按各自特点，有不同的喷油规律。喷油规律对燃烧过程有很大影响，尤其是以空间混合为主的直喷式燃挠室，其喷油规律对气缸内平均压力升高有决定性影响。

一般认为从减轻燃烧粗暴性考虑，在着火延迟期内喷油速率应该小些;而在喷射中、后期加大喷油速率，以保证燃烧效率。从总的性能考虑，在噪声和燃烧室温度允许的条件下宜采用较小的喷油延续角和较高的喷油速率。

如图6－27表明了喷油规律对燃烧过程的影响。图中g_f为每循环喷油量，两种喷油规律的喷油提前角θ_fj及滞燃期τ_i均相同。曲线1所示的喷油规律是开始喷油很急，在滞燃期中喷入气缸的燃油较多。因此平均压力升高率和最高燃烧压力都较大，工作较粗暴;而曲线2所示的喷油规律基本满足“先缓后急”的要求，当喷射持续角保持不变时，燃烧比较柔和。

6－27　喷油规律对燃烧过程的影响

喷油规律取决于喷油泵的凸轮外形、柱塞直径、喷油器结构型号及调整。

6.4.3　使用方面的因素

1.喷油提前角的影响

喷油提前角直接影响燃烧性能，但是测量它比较困难，一般产品说明书上给出的都是供油提前角。供油提前角与喷油提前角之间相差是喷油延迟角。供油提前角可用油溢法近似测出，即在柴油机处于停机状态，缓慢转动曲轴，凭目测观察出油管是否冒出燃油，来确定供油始点。由供油始点至上止点之间的曲轴转角即为供油提前角。

喷油提前角对柴油机燃烧过程影响很大。主要影响平均压力升高率Δp/Δθ和最高燃烧压力p _max以及发动机的燃油消耗率。

喷油提前角偏大，使得燃油喷入气缸时空气的压力和温度较低，着火延迟期较长，压力升高率和最高燃烧压力增大，导致柴油机工作粗暴。喷油提前角过大，使得柴油机冷起动和怠速时空气温度更低，导致起动困难，怠速不良。喷油提前角过大，还会使压缩负功增大，功率下降，油耗增加。

喷油提前角过小，则燃油不能在上止点附近燃烧完毕，补燃量增加，虽然Δp/Δθ、p _max较低，但排气温度升高，废气带走的热量增加，散给冷却系的热量也增加，热效率明显下降。喷油提前角θ_fj对着火延迟角φ_i、Δp/Δθ及p _max的影响如图6－28所示。

图6－28　喷油提前角对燃烧过程参数的影响

对于每一种运动情况，均有一个最佳喷油提前角。此时柴油机功率最大，燃油消耗率最小。正确的选择柴油机的喷油提前角要根据柴油机的型号、转速、燃油消耗率、排放及噪声等由试验确定。柴油机喷油提前角的大致范围是15°～35°曲轴转角。

图6－29　直喷式柴油机全负荷时动态喷油定时

喷油提前角对柴油各项性能的影响，其曲线走向通常并不一致，有利于提高经济性的提前角，往往对排放指标及噪声指标不一定是最佳，见图6－29是英国里卡多公司(Ricardo＆COEngineers Ltd)所作的实验。该试验对缸径为90～140mm，非增压直喷式柴油机在全负荷下获得最佳经济性及最低排放指标时求得的平均动态喷油定时，它表明:

(1)获得最低燃油消耗率的动态喷油提前角，随转速升高而增加，而最低NO _x、HC排放物时所求得的动态喷油提前角基本上不随转速变化。

(2)经济性最好所需的提前角比NO _x、HC排放量最低所需的提前角要大，即喷油始点早，因此如要使排气中NO _x、HC下降，必须减小喷油提前角，通常这样做将使经济性有所牺牲。

对此对各项指标都有严格要求的柴油机，在选择最佳喷油定时时，就不能只考虑经济性或排放指标，而应以获得良好的综合指标为准。

2.转速的影响

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、压力增高;转速升高也会使喷油压力提高，改善燃油的雾化。这些都使以时间(s)计的着火延迟期τ_i缩短，如果以曲轴转角计算，则着火延迟角θ_i= 6nτ_i［式中n为转速(r/min)，τ_i为着火延迟期(s)］，θ_i值需视τ_i减少的程度，它随转速的升高可能增加，也可能减小，随具体结构而定，如图6－30所示。

图6－30　转速对着火后期τ_i、θ_i的影响

一般来说，转速增加，使空气的涡流运动加强，有利于燃油蒸发，雾化和空气混合。但随着转速提高，由于充气系数φ_a的下降和循环供油量增加，且燃烧过程所占曲轴转角可能加大，热效率也会下降。转速过低也会由于空气涡流减弱，使热效率降低。

3.负荷的影响

当负荷增加时，循环供油量增加。由于转速不变，进入气缸的空气量基本不变，这使过量空气系数φ_a值减小，而气缸单位容积的混合气燃烧放出的热量增加，引起缸内温度上升，着火延迟时间缩短，工作柔和。图6－31为负荷对着火延迟角θ_i的影响。但是由于循环供油量加大，使喷油持续角增加，燃烧过程延长;并且过量空气系数值φ_a减少，不完全燃烧现象增加，均引起热效率降低。负荷过大，过量空气系数值φ_a过小，因空气不足，燃烧恶化，排气冒黑烟，柴油机经济性进一步下降。图6－32为负荷对指示燃油消耗率b _i的影响。

图6－31　负荷对着火延迟角θ_i的影响

图6－32　为负荷对指示燃油消耗率b_i的影响

当冷起动及怠速运转时，缸内温度低，润滑油粘度较大，柴油机的摩擦损失较大，尽管无负荷，但循环供油量却不能太小，而且因缸内温度低，着火延迟时间增长，致使平均压力升高率Δp/Δθ较大，产生强烈震音，即所谓“惰转噪音”。惰转噪音是在怠速或低速小负荷运转条件下产生的特殊现象，随着负荷加大，柴油机热状态正常后，惰转噪音会自行消失。