第三章燃烧过程及排放

• （2）察看各缸排气温度。若某一
缸排气温度低于一般平均值，则可 能是由于该缸喷油量较小而使负荷 不均，也有可能是喷油提前角过大。 若某一缸排气温度超过平均值较多， 则有两种可能：一是该缸喷油量太 多而超负荷；二是由于喷油设备发 生故障而出现严重后燃现象。至于 究竟属于哪一种情况，还须从其它 方面进行观察。
• 4．雾化质量
• 雾化质量好将使滞燃期缩短，
柴油机工作平稳，同时燃油细粒能 与空气均匀混合使燃烧完全。船用 大、中型柴油机中，燃油的雾化质 且主要取决于喷油设备。若喷油设 备不正常，则将直接影响柴油机的 燃烧质量。
• 5．换气质量
• 换气质量好，进入气缸的新鲜空气量增
多，燃油燃烧时有足够的氧气与之化合， 燃烧完全。
一阶段放热率比第一阶段的放热率有所降 低，其延续时间约为40˚曲柄转角，所放出 的热量约占全循环总热量的60％，它对应 于燃烧过程的第三阶段——缓燃期。本阶 段燃烧的特征是扩散燃烧。【预混合燃料 已耗尽，放热率受燃料与空气混合速率的 控制。由于燃料仍在继续喷入，因此燃烧 放热将取决于燃料喷射过程以及燃料与空 气的混合和扩散过程。
• 通过对燃烧过程的理论分析与试验表明，
以下措施可改善柴油机的燃烧质量。
• 首先，从设计方面，可采用特殊形状的
燃油凸轮，保证初期喷射速度低，而后期 喷射速度增加并在短时间内完成喷油；采 用油膜蒸发燃烧方式以保证燃烧柔和；采 用分级喷射，即同一气缸有两个油泵柱塞， 初期由其中一个柱塞供油，随后两个柱塞 同时供油,用变压缩比活塞以及变喷油定时 等。
• 柴油机排气冒黑烟的原因: • 1.柴油机超负荷. • 2.压缩压力不足.由于终点温度不高引
起燃烧不良而冒黑烟.
• 3.燃油喷射压力过低.启阀压力太低. • 4.喷油孔堵塞或滴油. • 5.空气滤清器堵塞,扫气压力低,进排气
口结炭严重.
• 6.喷油定时过晚.
• 六、柴油机的热平衡
• 燃油在气缸中燃烧所放出的热量并
• 压缩比过小，使滞燃阶段过长，柴油
机工作粗暴，整个燃烧过程后移，燃 烧不完全，排温升高，机件热负荷增 大，可靠性降低。当压缩比减小后， 应立即调整恢复正常，否则压缩压力 和温度都会降低。
• 空气的扰动有加速燃前和燃烧过程中
混合气形成的积极作用，同时也影响 燃油喷射的穿透距离.
• 3．喷油定时
• 喷油提前角对柴油机的燃烧过程有直
• 一般来说，随着火焰前锋面积的扩大，燃
烧速度也有所提高，因此放热率曲线出现 一个驼峰。】放热规律的第一阶段与第二 阶段累积已有80％的总热量放出，可以说 绝大部分热量已在第二阶段结束前放出。
• 第三阶段 相当于放热率曲线上的cd段 。
它存在于膨胀行程，是放热过程的尾部， 放热量很小。它对应于膨胀过程中的后燃 期。这一阶段放出的热量约占循环总热量 的20％，延续时间约为60˚曲柄转角。
接影响。如提前角太大，则由于喷油
时气缸内的压力和温度较低而使滞燃
期延长，最大爆发压力及压力升高率 增大，从而使柴油机工作粗暴. 如图 曲线1所示。由图中左上角喷油始点 标记曲线可知，曲线1喷油提前角约 为上止点前40℃A，相应的滞燃角约 为30℃A；
• 若喷油提前角过小、将因着火
前缸内温度与压力已下降，而使滞
• （3）测量气缸最高爆发压力。用
爆压表直接测出最高爆发压力值。 一般来说，根据最高爆发压力值， 即可大致判断出各缸供油提前角的 变化。最高爆发压力值过高，则可 能是喷油泵的供油提前角过大。同 时，测取各缸压缩压力，可以判断 各缸的压缩状态。
•（4）测取各缸示功图。根据示
功图可计算出各缸的平均指示 压力、功率，以检查各缸负荷 是否均匀。同时，测取各缸的 转角示功图，以便判断各缸的 燃烧情况。
• 第六节 柴油机排气污染与净化
• 柴油机排出的废气是主要的大气
污染源之一。近代，由于大气污染 日益严重，人类生存环境的日趋恶 化，故对柴油机排放物严格限制。 目前，对船舶柴油机的排放物也开 始制订有关限制性指标。如已经实 施的我国（GBn267-87）对运输、 船用柴油机的排放限制中规定：
• 当pe＞300kPa时，在ge≤214g／（kW·h）时
• 三、燃烧过程的影响因素
• 影响柴油机燃烧过程的因素主要
有以下方面
• 1.燃油品质.在燃油的性能指标中。
十六烷值(CN)对燃烧过程影响最大。 十六烷值高，自燃性好，则滞燃期 短，燃烧平稳.但过高的十六烷值， 使燃油容易在高温下裂化分解为游 离碳，造成燃烧不完全，柴油机冒 黑烟；
• 反之，十六烷值低，自燃性能差，
滞燃期长，燃烧过程粗暴(即燃烧 敲缸)。低速机对i较不敏感，对十 六烷值要求不那么高。低速机燃烧 时间长，i期间喷入的燃油仅占15 ％～30％（高速机可达100％）,因 此燃油的十六烷值要适当，当燃油
品质发生变化时，应适当调整柴油 机的参数。
• 如当换用十六烷值较低的燃油时，
应根据需要适当增大供油提前角。
• 柴油机转速的变化对滞燃期和整个燃烧
过程都会发生影响。柴油机转速上升，活 塞平均速度相应上升，气缸漏气及散热损 失减少，压缩温度和压力将上升。同时， 转速升高能使喷油压力提高，燃油雾化变 好，加速了着火准备过程。此外，转速升 高时，燃烧室内的空气扰动加剧，促使油 气混合。综上所述，转速升高能提高混合 气形成的速度，使滞燃时间i有所缩短。
一个完善燃烧过程的特点。其燃烧 放热率应先缓后急，即开始放热要 适中以满足柔和运转的要求，随后 燃烧加快，加速扩散燃烧阶段的放 热率，使燃烧在上止点后附近(一 般为40℃曲轴转角)结束，
• 图中的实线为燃烧过程的放热率曲线，虚线为燃
烧过程的总放热量曲线。从放热率曲线的形状来 看，可将其分为三个阶段：
• 供油规律对燃烧过程的影响
• 比较是在相同的转速、循环供油
量、滞燃阶段1～2下进行的，用第 Ⅰ种规律工作的柴油机工作柔和。 而用第Ⅱ种规律工作的柴油机工作 粗暴。
• 四、改善燃烧质量的措施
• 根据上述对燃烧过程分析可以看出，
一个完善的燃烧过程应具有以下特点： 控制滞燃期内的喷油量以保证柴油机 燃烧柔和；燃烧在上止点附近发生， 燃烧压力应迅速升高到限定的最高爆 发力并基本以此不变的压力按等压过 程燃烧；燃烧持续时间不应过长(通常， 燃烧持续期不超过40℃A)；主燃期燃 烧完全，后燃最少.
• 其对排放限制主要有两点：
• 其一，关于NOX限值，低速机为13g
／（kW·h）；
• 中速机为11g／（kW·h）；高速机为
9g／（kW·h）。其二，关于SO2限 值，使用的燃油硫分不得大于1.5% 。 一些经济高度发达的国家对柴油机排 放的限制尤为苛刻，其处罚也尤为严 厉。
燃期也增长，但活塞已下行使最高
爆发压力降低，后燃增加，排气温 度上升，如图曲线6。图中曲线6喷 油提前角为上止点前10℃A，相应 的滞燃角约为40℃A。
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因此,每一种柴油机都有一个最佳 的喷油提前角，使燃烧过程比较合理，
既有较高的经济性和动力性，又能平
稳运转。在可靠工作的前提下，经济 性最好的喷油提前角（其pmax等于设 计值）。(通常在上止点后10℃A— 15℃A，经济性高).在管理中要定期进 行测量调整，保持这一最佳的喷油提 前角。
• 柴油机的负荷对滞燃期i也有间接影响。
当负荷增加时，每循环喷油量增加，气缸 内的总发热量也随之增加，使燃烧室壁温 提高，使滞燃期i稍有缩短。但是在负荷增 加时，因每循环喷油量增多和喷油过程的 延长，总的燃烧持续期几乎是成比例增长 的，其最大燃烧压力提高，后燃加剧。至 于平均压力升高率p/的变化则随机型而 异，一般低增压四冲程柴油机，随着负荷 增加p/有所下降，高增压二冲程柴油机 则可能上升。
不能全部转化成有效功，大约只有40 ％一55％的热量转化为有效功，其余 的45％一60％的热量为各种形式的损 失。将单位时间内燃油的热量转化的 有效功、废气带走的热损失、冷却介 质带走的热损失以及其余热损失的热 量的利用与分配情况称为柴油机的热 平衡。
• 在柴油机热平衡中各项热量的分配情况
大致如下：
NOX限值为29g／（kW·h）；
• 在ge=214g／（kW·h）～268g／（kW·h）时，
NOX限值为25g／（kW·h）～14g／（kW·h）；
• 在ge＞268g／（kW·h）时，NOX限值为11g
／（kW·h）。
• 而根据最迟于1999年12月31日实施的国际海
事组织《MARPOL73／78公约》中关于船舶造成 大气污染的新附则【附则Ⅵ】中的规定，对船舶 主机排放限制更为苛刻。
• 其次，燃油挥发性差，滞燃时间增
长；粘度高，雾化质量差，滞燃阶 段增长。
• 加入某种添加刘(如助燃剂等)可改
善燃他的燃烧性能。
• 2．缸内工质状态
• 工质状态的主要参数是压缩终点的
空气温度、压力和扰动，其中以温度 对燃烧过程的影响为最大。压缩终点 温度愈高，滞燃期愈短，柴油机工作 愈平稳.气缸内的压缩温度及压力主要 取决于压缩比和气缸冷却水的冷却情 况，以及活塞环和气阀是否处于密封 状态。同时应避免冷车起动柴油机， 起动前必须进行暖缸。
• 另一方面，转速升高，曲柄每转过1˚所需
的时间减少得比i更快（按比例），会使 滞燃角增大。在这段滞燃角内喷入气缸的 燃油增多，从而使速燃期的pmax和dp/d 增大。此外，转速的升高使得以曲轴转角 计的喷油过程延长，特别是燃烧过程不可 能与转速的升高成比例地加速进行，后燃 加剧。但这种影响将因气缸内扰动的加强 而得以减轻。所以转速的影响则视发动机 具体情况而定。
• 增压柴油机为了限制pmax，标定工况下的
供油提前角取得偏小，主要燃烧阶段适当后 移。保证了可靠性，牺牲了一点经济性。
• 同一柴油机不同负荷时有不同的最佳喷油
提前角。负荷较小时，pmax较低，把喷油 提前角适当加大，可使ge降低。
• 同一柴油机燃用不同的燃油，最佳喷油提前
角也不同。由柴油改烧重油时，由于重油燃 烧缓慢，pmax下降，应适当加大供油提前 角，提高pmax，减少后燃，可使ge降低。
• qe＝30％一55％；qr=25％一40％；
• qw＝10％一30％；qs＝2％一10％
• 通过对柴油机热平衡的分析可知尽量
减少或充分利用qr和qw的重要性。尤其 qr，不仅数量多而且因其温度较高，可利 用程度较大。qw的数量也较大，但其温 度较低，转化为有用功的能力较差，在 利用上存在一定难度。目前国内外研究 的绝热发动机即为减小qw的一种方案。
• 其次,运转管理方面，注意以下几点：
• （1）确保换气质量良好。为了做到这
一点，增压柴油机还要维持增压器有 良好的工作性能，使进入气缸中的空 气得到保证。应根据情况及时清洁进、 排气口和进、排气通道。有气阀的柴 油机应确保有正确的气阀正时。此外， 还要注意活塞环和气缸套的磨损情况， 以保证进入气缸内的空气不致过多的 漏泄。在空气方面为燃烧过程创造有 利条件。
• (2)燃油品质。燃油的质量应满足
使用要求，应重视燃油使用前的预 处理(预热与净化)质量。
• (3)气缸压缩温度。保证燃油压缩
发火的足够温度，如活塞压缩状态、 气缸的冷却等。
• (4)确保喷射系统正常工作。
• (5)日常例行管理.
• （1）观看排气颜色。柴油机排气
的正常烟色是隐约可见的淡灰色。 若发现冒黑烟，则表示燃烧不正常。 但要判断哪一只气缸不正常，则还 须观察各缸排温而定。一般燃烧不 正常的气缸排温要比正常的气缸高。
• 第一阶段 相当于放热率曲线的ab段。这一阶
段的特点是放热率非常高，它对应于气缸气体压 力迅速上升的阶段——急燃期。延续时间比较短， 约占5˚～7˚曲柄转角；其累积放出的热量约占循
环总热量的20％。这一阶段燃烧的特征是预 混合燃烧，即在滞燃期内准备好的可 燃混合气发火并全部燃烧完毕。
• 第二阶段 相当于放热率曲线的bc段。这
• 影响换气质量的因素主要有气阀定时，气
口(阀)、气道的清洁程度，增压系统(如增 压器、空冷器等)的工作状态等。对于增压 柴油机来说，换气质量要比非增压柴油机 的高，故其燃烧要比非增压柴油机完全。 增压度越高，增压系统的工作状态越是严 重影响着进入气缸的空气量。所以，越应 确保增压系统工作良好。
• 6.运转工况