第四章 柴油机的燃料与燃烧过程

蒸发性好的组成成分其发火性差。90％和95％馏出温度标志柴油
中所含重质成分的数量。90％和95％馏出温度高，说明柴油中重
质成分较多，其挥发性较差，在气缸内不易蒸发，与空气混合不
均匀，导致排气冒烟和积炭增加；因此，应对90％和95％馏出温
度有所控制，要求其值较低。一般要求柴油的50％馏出温度应适
宜，90％馏出温度和95％馏出温度应比较低。
2）中、小型柴油机：除依靠喷雾条件的改进， 还必须依靠强烈的涡流运动—分隔式燃烧室；
2. 油膜蒸发混合
1）大部分燃油 燃燒室壁
蒸发
汽化 混合
进气涡流
油膜
压缩涡流
混合气
热分层效应 有效利用空气
2）少部分燃油以油雾形式分散在燃烧室空间， 完成着火准备，形成火源，点燃油膜蒸发混 合形成的可燃混合气。
控制燃烧室的壁温和油量，可抑制燃烧 前期的反应，控制燃烧过程的进展。
20℃，适合于冬季或寒冷地区使用。
第二节 柴油机混合气的形成
化学能 燃烧 热能 膨胀做功 机械能 一、混合气形成的特点
与汽油机相比，柴油机的混合气形成有如下的特点。首先是柴 油机的混合气形成只能在气缸内部进行；其次是混合气形成所占时 间甚短，一般占15°～35°曲轴转角，在0.0007～0.003秒的时间 内燃油经历破碎雾化、吸热、汽化、扩散与空气混合等过程，因而 混合气成分在燃烧室各处很不均匀，而且随着燃油的不断喷入在不 断改变。这就迫使柴油机的过量空气系数远大于汽油机。柴油机的 过量空气系数一般为1.2～1.5，致使气缸工作容积利用率降低。
3）介质反压力 介质的密度增加，反压力增大，作用在油
束上的空气阻力增加，有利于燃料雾化，喷雾 锥角增加，射程缩短。
4）喷油泵凸轮外形及转速
凸轮形状陡峭或转速较高时，均使喷油泵 的柱塞供油速度加快，节流作用加大使燃油压 力增加，喷油速度增大，雾化变好，射程和喷 雾锥角增加。
第三节 柴油机的燃烧过程
Δp pC pB
Δ C B
压力升高率决定了柴油机运转的平稳性，如果压力升 高率太大，则柴油机工作粗暴，运转零件受到很大的 冲击负荷，发动机寿命减短。为保证柴油机运转的平 稳性，平均压力升高率不宜超过 0.3 ~ 0.5MPa/degCA
第Ⅲ阶段 缓燃期：压力最高点至温度最高点3—4 大部分燃料在此阶段燃烧。放热量占总量
喷油压力越大，燃油初速度越大，在喷孔 中燃油的扰动程度及流出喷孔后受到的介质阻 力也越大，使雾化的细度和均匀度提高，雾化 质量提高。
喷油压力大，高压油管容易涨裂，喷油器 容易磨损，对喷油管的制造要求越高。
喷油器说明书上的压力为针阀的开启压力， 一般为10~20MPa，高压油管中压力一般为 50MPa。
一般来说，转速升高有利于混合气形成与燃烧，因此在使用中， 应尽量使柴油机维持较高的转速运转。但柴油机的转速不易过高， 因为在负荷一定时，随转速提高，充气效率会下降，而喷油泵的循 环供油量会增加，过量空气系数减小，燃烧过程所占曲轴转角可能 加大，因此转速过高会导致热效率下降，排气污染加剧。为了保证 燃烧效率，有时需要适当加大喷油提前角。
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，虽然压力升高率 和最高燃烧压力较低，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； 但适当减小喷油提前角，可防止柴油机工作粗暴。对于每一种运转 情况，均有一个最佳喷油提前角，此时柴油机功率最大，燃料消耗 率最小。正确地选择柴油机的喷油提前角要根据柴油机的型式、转 速、燃料消耗率、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。
二、柴油机混合气形成方式
1. 空间雾化混合
燃料 較高噴油压力 燃燒室
吸热蒸发
混合
破碎雾化 混合气
优点：无进气涡流，简化进气道，充量系数较高。
缺点：供油设备的制造和调试水平要求高；最高 燃烧压力和最大压力升高率较高，内燃机工作粗 暴；热应力和机械应力较大；最高燃烧温度较高， NOX排放率较高。
1）大、中型柴油机：缸径大，燃燒室体积大， 可在无涡流或弱涡流下，依靠喷油系统提供良 好的喷雾条件来实现—直喷式燃烧室；
柴油机的燃烧过程 1-开始喷油；2-开始着火；3-最高压力点；4-最高温度点；5-燃烧基本完成
第Ⅱ阶段 速燃期：从着火点到压力最高点2—3
着火延迟期内的燃料几乎一起燃烧，而且
是在活塞靠近上止点附近、气缸容积较小的情 况下燃烧，因此气缸中压力升高特别快。
一般用平均压力升高率来表示压力升高的
程度，即
4．负荷的影响
柴油机的负荷调节是通过改变供油拉杆的位置改变喷入气缸的柴油量的多少 改变负荷，是质的调节。当负荷增加时，每循环供油量增加，由于转速一定时， 进入气缸的空气量基本不变，过量空气系数减小，单位气缸容积内混合气燃烧放 出的热量增加，使气缸内温度升高，着火延迟期缩短，因此，柴油机工作柔和。
随负荷的继续增大，由于每循环供油量增加，使喷油延续角增加，因而总的 燃烧过程拖长；并且过量空气系数减小，不完全燃烧程度增加，这些均引起热效 率下降。
• 三、柴油的粘度
•
柴油的粘度决定其流动性。粘度是液体分子的内聚
力，它表现为液体抵抗运动的阻力。柴油的粘度低时，
流动性好，柴油自喷油器中喷出的燃料容易雾化成细碎
的油滴，便于和空气均匀混合。柴油的粘度对高压喷油
泵柱塞副的润滑和通过柱塞副的漏泄有重要影响。柴油
粘度过低时，会失去必要的润滑能力，柱塞副的润滑状
况变坏，加剧喷油泵和喷油器中精密偶件的磨损，增大
精密运动副的漏油量，泄漏也增加。粘度过大，流动阻
力大，滤清困难，喷雾不良。
• 四、柴油的凝点
•
温度降低时，柴油开始析出固态石蜡而呈混浊状态的温度称
为浊点。温度继续下降，柴油失去流动性的温度称为凝点。柴油
达到浊点时，虽然仍具有流动性，但流动性严重下降，石蜡结晶
• 二、柴油的挥发性
•
柴油的挥发性也用馏程曲线来表示，主要以50％馏出温度、
90％馏出温度和95％馏出温度作为评价柴油蒸发性的指标。50％
馏出温度低，说明这种柴油的挥发性较好，喷入气缸以后能够迅
速蒸发与空气混合，有利于燃烧的进行，并使柴油机的冷起动较
容易。但50％馏出温度过低的柴油通常也不被采用，因为柴油中
燃料以很高的压力和速度从喷油器的喷 孔喷出，形成圆锥状的油束。
3）雾化质量
喷雾细度：用油束中油粒的平均直径表示。 均匀度：油粒直径相同的程度。
多油束在燃烧室空间的分布对整个燃烧室 Nhomakorabea内混合气形成的影响与喷油器喷孔的数目、 分布、喷油器的安装位置等因素有关。
2. 影响油束特性的因素 1）喷油嘴构造 结构不同，引起油束形成的内部扰动不同。
（1）多孔喷油嘴：对雾化质量要求高的直 接喷射式柴油机；
喷油压力、介质反压力、喷孔总面积 不变时，增加喷孔的数目，每个喷孔的直 径减小，节流作用增大，在喷孔内的扰动 增加，因此雾化质量提高；
如果加大喷孔直径，则油束核心稠密， 射程加大。
（2）轴针式喷油嘴：针阀头部伸入喷孔中， 形状为锥形或柱形；
2）喷油压力
柴油的十六烷值和馏程要选择适当，互相配合。一般高速柴油 机选用的十六烷值约为40～50，馏程约为200℃～350℃。如果柴油 的十六烷值过高，则蒸发性不好，在高温条件下柴油分子容易裂解 生成碳烟。馏程过低的柴油着火性差，则使柴油机工作粗暴。
2．喷油提前角的影响
喷油提前角偏大，使得燃油喷人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。过早的喷油会使起动困难，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。
应缩短。
第四节 影响柴油机燃烧过程的主要因素
一、使用因素的影响
1．燃油性质的影响
柴油的十六烷值和馏程是影响燃烧过程的重要因素。十六烷值 高，柴油的着火性能好，可以缩短着火延迟期。因此，选用十六烷 值较高的柴油，柴油机的工作可以柔和一些，低温起动性能也较好。 馏程表明柴油的蒸发性，馏程低的柴油，易于蒸发和空气混合，可 以缩短着火的物理准备时间。
第Ⅳ阶段 补燃期（后燃期）：温度最高点至 燃料基本燃烧完毕。4—5
一般认为放热量达到总量95%~97%结束。
柴油机特别是高速、高负荷时，过量空 气系数小，混合气形成和燃烧时间更短，补 燃更严重，甚至拖到排气行程。
热量不能有效利用，增加了散往冷却水 的热损失，排气温度升高，零件热负荷增加， 经济性和动力性降低。
70%~80%。
缓燃期缸内温度很高，滞燃期很短，如果 燃油和空气不能充分混合，在高温缺氧条件下， 燃油裂解生成碳烟，经济性下降，排气冒黑烟。
加速缓燃期混合气的形成，完善燃烧的先 决条件，也是柴油机燃烧过程组织的一大关键。
柴油机α=1.3时，30%的空气未利用，所以 容积利用率低，比质量、升功率不如汽油机。
负荷过大时，因空气不足，混合气过浓，燃烧过程急剧恶化，不完全燃烧及 补燃显著增加，导致柴油机排气冒黑烟，热效率急剧下降，柴油机经济性将进一 步恶化。
当冷起动或怠速运转时，气缸内温度较低，润滑油粘度较大，为克服内部机 械损失和维持稳定运转，每循环供油量不能太小，而且因为温度低，着火延迟期 增长，致使压力升高率较大，并产生强烈的燃烧噪音，即所谓柴油机的“怠速噪 声”或称“惰转噪声”。随着柴油机负荷加大，热状态逐渐转入正常后，怠速噪
燃烧过程：着火过程和燃烧过程，从压缩末期 喷油至膨胀行程燃烧终点。
柴油机的燃烧过程，可以用高速摄影、光 谱分析、抽气分析、展开示功图分析。
根据燃烧过程进程的实际特征，一般把 燃烧过程分为四个阶段。
第Ⅰ阶段，滞燃期（着火延迟阶段）：喷油 始点至着火始点。1—2段 （应缩短）