三、燃燒過程的影響因素影響柴油機燃燒過程的因素主要有以下方面1.燃油品質.在燃油的性能指標中。十六烷值(CN)對燃燒過程影響最大。十六烷值高，自燃性好，則滯燃期短，燃燒平穩.但過高的十六烷值，使燃油容易在高溫下裂化分解為游離碳，造成燃燒不完全，柴油機冒黑煙；反之，十六烷值低，自燃性能差，滯燃期長，燃燒過程粗暴(即燃燒敲缸)。低速機對i較不敏感，對十六烷值要求不那么高。低速機燃燒時間長，i期間噴入的燃油僅占15％～30％（高速機可達100％）,因此燃油的十六烷值要適當，當燃油品質發生變化時，應適當調整柴油機的參數。如當換用十六烷值較低的燃油時，應根據需要適當增大供油提前角。其次，燃油揮發性差，滯燃時間增長；粘度高，霧化質量差，滯燃階段增長。加入某種添加劉(如助燃劑等)可改善燃他的燃燒性能。

2．缸內工質狀態工質狀態的主要參數是壓縮終點的空氣溫度、壓力和擾動，其中以溫度對燃燒過程的影響為最大。壓縮終點溫度愈高，滯燃期愈短，柴油機工作愈平穩.氣缸內的壓縮溫度及壓力主要取決于壓縮比和氣缸冷卻水的冷卻情況，以及活塞環和氣閥是否處于密封狀態。同時應避免冷車起動柴油機，起動前必須進行暖缸。壓縮比過小，使滯燃階段過長，柴油機工作粗暴，整個燃燒過程后移，燃燒不完全，排溫升高，機件熱負荷增大，可靠性降低。當壓縮比減小后，應立即調整恢復正常，否則壓縮壓力和溫度都會降低。空氣的擾動有加速燃前和燃燒過程中混合氣形成的積極作用，同時也影響燃油噴射的穿透距離.3．噴油定時噴油提前角對柴油機的燃燒過程有直接影響。如提前角太大，則由于噴油時氣缸內的壓力和溫度較低而使滯燃期延長，最大爆發壓力及壓力升高率增大，從而使柴油機工作粗暴.如圖曲線1所示。由圖中左上角噴油始點標記曲線可知，曲線1噴油提前角約為上止點前40℃A，相應的滯燃角約為30℃A；若噴油提前角過小、將因著火前缸內溫度與壓力已下降，而使滯燃期也增長，但活塞已下行使最高爆發壓力降低，后燃增加，排氣溫度上升，如圖曲線6。圖中曲線6噴油提前角為上止點前10℃A，相應的滯燃角約為40℃A。

因此,每一種柴油機都有一個最佳的噴油提前角，使燃燒過程比較合理，既有較高的經濟性和動力性，又能平穩運轉。在可靠工作的前提下，經濟性最好的噴油提前角（其pmax等于設計值）。(通常在上止點后10℃A—15℃A，經濟性高).在管理中要定期進行測量調整，保持這一最佳的噴油提前角。增壓柴油機為了限制pmax，標定工況下的供油提前角取得偏小，主要燃燒階段適當后移。保證了可靠性，犧牲了一點經濟性。同一柴油機不同負荷時有不同的最佳噴油提前角。負荷較小時，pmax較低，把噴油提前角適當加大，可使ge降低。同一柴油機燃用不同的燃油，最佳噴油提前角也不同。由柴油改燒重油時，由于重油燃燒緩慢，pmax下降，應適當加大供油提前角，提高pmax，減少后燃，可使ge降低。4．霧化質量

霧化質量好將使滯燃期縮短，柴油機工作平穩，同時燃油細粒能與空氣均勻混合使燃燒完全。船用大、中型柴油機中，燃油的霧化質且主要取決于噴油設備。若噴油設備不正常，則將直接影響柴油機的燃燒質量。

5．換氣質量

換氣質量好，進入氣缸的新鮮空氣量增多，燃油燃燒時有足夠的氧氣與之化合，燃燒完全。影響換氣質量的因素主要有氣閥定時，氣口(閥)、氣道的清潔程度，增壓系統(如增壓器、空冷器等)的工作狀態等。對于增壓柴油機來說，換氣質量要比非增壓柴油機的高，故其燃燒要比非增壓柴油機完全。增壓度越高，增壓系統的工作狀態越是嚴重影響著進入氣缸的空氣量。所以，越應確保增壓系統工作良好。6.運轉工況柴油機轉速的變化對滯燃期和整個燃燒過程都會發生影響。柴油機轉速上升，活塞平均速度相應上升，氣缸漏氣及散熱損失減少，壓縮溫度和壓力將上升。同時，轉速升高能使噴油壓力提高，燃油霧化變好，加速了著火準備過程。此外，轉速升高時，燃燒室內的空氣擾動加劇，促使油氣混合。綜上所述，轉速升高能提高混合氣形成的速度，使滯燃時間i有所縮短。

另一方面，轉速升高，曲柄每轉過1?所需的時間減少得比i更快（按比例），會使滯燃角增大。在這段滯燃角內噴入氣缸的燃油增多，從而使速燃期的pmax和dp/d增大。此外，轉速的升高使得以曲軸轉角計的噴油過程延長，特別是燃燒過程不可能與轉速的升高成比例地加速進行，后燃加劇。但這種影響將因氣缸內擾動的加強而得以減輕。所以轉速的影響則視發動機具體情況而定。柴油機的負荷對滯燃期i也有間接影響。當負荷增加時，每循環噴油量增加，氣缸內的總發熱量也隨之增加，使燃燒室壁溫提高，使滯燃期i稍有縮短。但是在負荷增加時，因每循環噴油量增多和噴油過程的延長，總的燃燒持續期幾乎是成比例增長的，其最大燃燒壓力提高，后燃加劇。至于平均壓力升高率p/的變化則隨機型而異，一般低增壓四沖程柴油機，隨著負荷增加p/有所下降，高增壓二沖程柴油機則可能上升。供油規律對燃燒過程的影響比較是在相同的轉速、循環供油量、滯燃階段1～2下進行的，用第Ⅰ種規律工作的柴油機工作柔和。而用第Ⅱ種規律工作的柴油機工作粗暴。

四、改善燃燒質量的措施根據上述對燃燒過程分析可以看出，一個完善的燃燒過程應具有以下特點：控制滯燃期內的噴油量以保證柴油機燃燒柔和；燃燒在上止點附近發生，燃燒壓力應迅速升高到限定的最高爆發力并基本以此不變的壓力按等壓過程燃燒；燃燒持續時間不應過長(通常，燃燒持續期不超過40℃A)；主燃期燃燒完全，后燃最少.

一個完善燃燒過程的特點。其燃燒放熱率應先緩后急，即開始放熱要適中以滿足柔和運轉的要求，隨后燃燒加快，加速擴散燃燒階段的放熱率，使燃燒在上止點后附近(一般為40℃曲軸轉角)結束，圖中的實線為燃燒過程的放熱率曲線，虛線為燃燒過程的總放熱量曲線。從放熱率曲線的形狀來看，可將其分為三個階段：第一階段相當于放熱率曲線的ab段。這一階段的特點是放熱率非常高，它對應于氣缸氣體壓力迅速上升的階段——急燃期。延續時間比較短，約占5?～7?曲柄轉角；其累積放出的熱量約占循環總熱量的20％。這一階段燃燒的特征是預混合燃燒，即在滯燃期內準備好的可燃混合氣發火并全部燃燒完畢。

第二階段相當于放熱率曲線的bc段。這一階段放熱率比第一階段的放熱率有所降低，其延續時間約為40?曲柄轉角，所放出的熱量約占全循環總熱量的60％，它對應于燃燒過程的第三階段——緩燃期。本階段燃燒的特征是擴散燃燒。【預混合燃料已耗盡，放熱率受燃料與空氣混合速率的控制。由于燃料仍在繼續噴入，因此燃燒放熱將取決于燃料噴射過程以及燃料與空氣的混合和擴散過程。一般來說，隨著火焰前鋒面積的擴大，燃燒速度也有所提高，因此放熱率曲線出現一個駝峰。】放熱規律的第一階段與第二階段累積已有80％的總熱量放出，可以說絕大部分熱量已在第二階段結束前放出。第三階段相當于放熱率曲線上的cd段。它存在于膨脹行程，是放熱過程的尾部，放熱量很小。它對應于膨脹過程中的后燃期。這一階段放出的熱量約占循環總熱量的20％，延續時間約為60?曲柄轉角。通過對燃燒過程的理論分析與試驗表明，以下措施可改善柴油機的燃燒質量。首先，從設計方面，可采用特殊形狀的燃油凸輪，保證初期噴射速度低，而后期噴射速度增加并在短時間內完成噴油；采用油膜蒸發燃燒方式以保證燃燒柔和；采用分級噴射，即同一氣缸有兩個油泵柱塞，初期由其中一個柱塞供油，隨后兩個柱塞同時供油,用變壓縮比活塞以及變噴油定時等。其次,運轉管理方面，注意以下幾點：（1）確保換氣質量良好。為了做到這一點，增壓柴油機還要維持增壓器有良好的工作性能，使進入氣缸中的空氣得到保證。應根據情況及時清潔進、排氣口和進、排氣通道。有氣閥的柴油機應確保有正確的氣閥正時。此外，還要注意活塞環和氣缸套的磨損情況，以保證進入氣缸內的空氣不致過多的漏泄。在空氣方面為燃燒過程創造有利條件。(2)燃油品質。燃油的質量應滿足使用要求，應重視燃油使用前的預處理(預熱與凈化)質量。

(3)氣缸壓縮溫度。保證燃油壓縮發火的足夠溫度，如活塞壓縮狀態、氣缸的冷卻等。(4)確保噴射系統正常工作。(5)日常例行管理.（1）觀看排氣顏色。柴油機排氣的正常煙色是隱約可見的淡灰色。若發現冒黑煙，則表示燃燒不正常。但要判斷哪一只氣缸不正常，則還須觀察各缸排溫而定。一般燃燒不正常的氣缸排溫要比正常的氣缸高。（2）察看各缸排氣溫度。若某一缸排氣溫度低于一般平均值，則可能是由于該缸噴油量較小而使負荷不均，也有可能是噴油提前角過大。若某一缸排氣溫度超過平均值較多，則有兩種可能：一是該缸噴油量太多而超負荷；二是由于噴油設備發生故障而出現嚴重后燃現象。至于究竟屬于哪一種情況，還須從其它方面進行觀察。（3）測量氣缸最高爆發壓力。用爆壓表直接測出最高爆發壓力值。一般來說，根據最高爆發壓力值，即可大致判斷出各缸供油提前角的變化。最高爆發壓力值過高，則可能是噴油泵的供油提前角過大。同時，測取各缸壓縮壓力，可以判斷各缸的壓縮狀態。（4）測取各缸示功圖。根據示功圖可計算出各缸的平均指示壓力、功率，以檢查各缸負荷是否均勻。同時，測取各缸的轉角示功圖，以便判斷各缸的燃燒情況。柴油機排氣冒黑煙的原因:1.柴油機超負荷.2.壓縮壓力不足.由于終點溫度不高引起燃燒不良而冒黑煙.3.燃油噴射壓力過低.啟閥壓力太低.4.噴油孔堵塞或滴油.5.空氣濾清器堵塞,掃氣壓力低,進排氣口結炭嚴重.6.噴油定時過晚.六、柴油機的熱平衡燃油在氣缸中燃燒所放出的熱量并不能全部轉化成有效功，大約只有40％一55％的熱量轉化為有效功，其余的45％一60％的熱量為各種形式的損失。將單位時間內燃油的熱量轉化的有效功、廢氣帶走的熱損失、冷卻介質帶走的熱損失以及其余熱損失的熱量的利用與分配情況稱為柴油機的熱平衡。在柴油機熱平衡中各項熱量的分配情況大致如下：

qe＝30％一55％；qr=25％一40％；

qw＝10％一30％；qs＝2％一10％通過對柴油機熱平衡的分析可知盡量減少或充分利用qr和qw的重要性。尤其qr，不僅數量多而且因其溫度較高，可利用程度較大。qw的數量也較大，但其溫度較低，轉化為有用功的能力較差，在利用上存在一定難度。目前國內外研究的絕熱發動機即為減小qw的一種方案。第六節柴油機排氣污染與凈化柴油機排出的廢氣是主要的大氣污染源之一。近代，由于大氣污染日益嚴重，人類生存環境的日趨惡化，故對柴油機排放物嚴格限制。目前，對船舶柴油機的排放物也開始制訂有關限制性指標。如已經實施的我國（GBn267-87）對運輸、船用柴油機的排放限制中規定：當pe＞300kPa時，在ge≤214g／（kW·h）時NOX限值為29g／（kW·h）；在ge=214g／（kW·h）～268g／（kW·h）時，NOX限值為25g／（kW·h）～14g／（kW·h）；在ge＞268g／（kW·h）時，NOX限值為11g／（kW·h）。而根據最遲于1999年12月31日實施的國際海事組織《MARPOL73／78公約》中關于船舶造成大氣污染的新附則【附則Ⅵ】中的規定，對船舶主機排放限制更為苛刻。其對排放限制主要有兩點：其一，關于NOX限值，低速機為13g／（kW·h）；中速機為11g／（kW·h）；高速機為9g／（kW·h）。其二，關于SO2限值，使用的燃油硫分不得大于1.5%。一些經濟高度發達的國家對柴油機排放的限制尤為苛刻，其處罰也尤為嚴厲。

一、柴油機排氣污染物及其危害

1．廢氣有害成分柴油機排出的廢氣是由燃燒產物與剩余空氣組成的。依其對人類的危害性可分為有害成分和無直接危害(簡稱無害)成分兩類。無害成分為燃料的完全燃燒產物，如二氧化碳(CO2)、水蒸氣(H20)、過量空氣以及殘余氮(N2)等。它們對生物無直接危害。有害成分又稱污染物，包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氫化物(HC)、二氧化硫(S02)、臭氧和微粒物質(如炭煙、油霧等)。這些直接從柴油機排出的有害成分又稱一次有害排放物。還有一些成分如C02，雖然不會對環境產生直接危害，但由于C02的大量聚積會形成地球氣候的溫室效應而成為有害。又如HC和NOx：在大氣中經光化學反應后可生成新的有害物。這些統稱為兩次有害排放物。因而，我國有關標準把廢氣中有害成分及C02和炭煙等統稱排放物，簡稱排放。2．柴油機排放物的危害

1)微粒物質柴油機排出的微粒物質主要有黑煙、藍煙和白煙。排氣中的黑煙是燃油不完全燃燒生成的炭煙。黑煙不但影響視線，對人的呼吸系統產生危害，而且由于在炭煙微粒的孔隙中吸附有SO2和多環芳香烴，有致癌的危險。研究發現，大小在0.1~0.5μm的炭煙微粒對人體的危害最大。在我國用煙度單位計量炭煙。

藍煙和白煙往往發生在柴油機起動和低負荷運轉之時，它們都是燃油或潤滑油的微粒，但粒度不同。藍煙的粒徑在0.5μm以下，而白煙的粒徑在1μm以上。在藍煙和白煙排出的同時，由于有燃燒中間生成物（如甲醛等）排出，故有刺激性與臭味。

2）NOX

柴油機排氣中的NOX主要是NO和NO2（故NO與NO2統稱NOX）。NO的毒性不大，在低濃度時對人體無明顯危害，高濃度時能造成人體和動物中樞神經系統障礙。同時NO容易在大氣中氧化成劇毒性的NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，吸入人體后與血紅蛋白作用成為變性血紅蛋白，使血液的輸氧能力下降。據報導，人只要處在NO2含量100ppm～150ppm的環境中0.5h～1h，就會因肺氣腫而死亡。氮氧化物的另一大危害是在光化學反應下產生臭氧、醛和PAN（過氧化酰基硝酸鹽）等。臭氧具有極強的氧化力，使植物變黑，橡膠發裂，人體發生肺氣腫；而醛對眼睛、上呼吸道、中樞神經等都有危害。PAN的毒性介于NO和NO2之間。

3）HC未燃的碳氫化合物HC成分復雜，對人類的危害不能簡單地用總濃度衡量。其中的大部分對人體健康的直接影響不明顯，如其中的甲烷無毒。而醛類和多環芳香烴（如3.4苯并芘(嵌二萘)等）已確認為致癌物質。另外，HC又是形成光化學煙霧的重要物質，在陽光作用下與NOX進行光化學反應，形成一種毒性較大的淺藍色光化學煙霧，生成的O3對人體及生物有嚴重影響。3，4苯并芘是由5個苯環構成多環芳烴，是1933年第一次由瀝青中分離出來的一種致癌烴。難溶于水，環境中3，4苯并芘的主要來源于工業生產和生活中煤炭、石油和天然氣燃燒產生的廢氣；機動車輛排出的廢氣；加工橡膠、熏制食品以及紙煙與煙草的煙氣等。據報道，一包香煙內含有0．32μg的3．4苯并芘，每燒1kg煤，可產生0.2lmg;100g煤煙中含6．4mg；汽車排氣中的炭黑、每1g中就有75．4μg，這種汽車每行駛1h，就排出大約300μg的3．4苯并芘。大氣中致癌物質有3．4苯并芘、二苯并芘等十多種多環芳香烴。由于3，4苯并芘較為穩定，在環境中廣泛存在，且與其他多環芳烴化合物的含量有一定相關性，所以都把3．4苯并芘作為大氣致病物質的代表。隨著城市大氣污染的增加，呼吸道癌癥發病率、肺癌死亡率顯著增加。3，4苯并芘是一種強的環境致癌物，可誘發皮膚、肺和消化道癌癥，是環境污染主要監測項目之一。

4）COCO是無色、無嗅的有毒氣體。吸入人體后能與血紅蛋白結合成碳氧血紅蛋白，導致人體組織缺氧，發生惡心、頭暈等，嚴重時窒息死亡。在柴油機的排氣中CO含量較少，只在滿負荷和低負荷運轉時CO排出較高。

5）SO2SO2是燃油中的硫分在燃燒中的產物。SO2具有刺激性，直接損害人的眼鼻和喉粘膜,引起呼吸器官炎癥。另外，SO2進一步氧化產物SO3與水分作用形成硫酸并形成酸雨，影響自然界的生態平衡。

6）臭氣排氣中的臭氣由多種成分組成，除O3、NO2外，主要是燃油的不完全燃燒產物，如甲醛、丙烯醛等。

二、柴油機排氣污染物生成機理及控制措施

1．排氣污染物生成機理

1）NOX

柴油機燃油僅含微量氮分，形成的NOX很少，稱“燃料氮氧化物”。排氣中的氮氧化物NOX主要由空氣中的氮在高溫下氧化生成的，稱“熱氮氧化合物”，其氧化反應機理（采爾道維奇Zel

dovich原理）如下：

O+N2?NO+NN+O2?NO+ON+OH?NO+H即氧氣在高溫分解時產生氧原子（O）。分子狀態的氮（N2）與原子狀態的氧碰撞，或氧分子與氮原子碰撞均生成NO。由對上述鏈鎖反應的研究可知，NO的生成主要與燃燒室中氧氣的濃度、反應溫度以及在高溫下燃氣的停留時間等因素有關。

燃燒室溫度升高、氧氣濃度增加、燃氣在高溫區滯留時間增長均使NO增加。可見，參與預混燃燒的燃油量多，將因其最高的溫度和最長的焰后反應時間使NO生成量增加。因此，直噴式燃燒室生成的NO濃度也明顯大于分隔式燃燒室。2）HC

排氣中的未燃燒碳氫化合物HC是由未燃燒燃油、分解的燃油分子或燃油燃燒的中間產物（如醛、醇等）所組成的，少部分產生于潤滑油。由此，HC排放物是由可燃混合氣形成條件和燃燒不良所引起的燃油不完全燃燒形成的。如噴油設備工作不正常，噴油器結構不合理等。

3）COCO是燃油不完全燃燒的產物，主要是在缺氧或過低溫度下形成的。在柴油機中由于過量空氣系數α較大，在預混合燃燒中產生的CO可以在隨后的擴散燃燒中進一步氧化成CO2，所以柴油機排放物中的CO一般比汽油機少，不會超過規定標準。3）SO2

4)SO2是燃油中的硫分燃燒產物，其生成量主要取決于燃油的硫分。

5）微粒物質柴油機排氣中的微粒物質分為黑煙、藍煙和白煙。煙色不同，形成的機理也不同。黑煙由碳煙粒子構成，主要成分是碳元素。柴油機排氣中的黑煙是燃油在燃燒過程中經歷一系列物理化學變化后形成的。形成機理目前尚在探討之中。比較一致的觀點是燃油在高溫區缺氧熱裂成碳煙核心，此碳煙核心經歷表面增長和凝聚過程最后形成碳煙粒子隨排氣排出。

白煙是由未經燃燒的燃油和滑油以液滴狀態組成的。它們的液滴直徑在1μm以上隨廢氣排出形成白煙。白煙多在低負荷及低溫起動時出現，由于此時缸內溫度較低，燃燒不好。通常，正常負荷運轉時不再形成白煙。藍煙是由燃燒不完全的燃油與滑油凝結呈微粒狀態而形成的，其微粒直徑在0.4μm以下，這種微粒由藍色光折射成藍煙。藍煙多在低負荷運轉時產生，因此時缸內溫度較低，燃燒不好。2．排氣污染物的凈化措施對柴油機排氣污染物的凈化措施很多。但卻沒有一種單項措施能夠有效地降低排氣污染物而不影響柴油機的運轉經濟性。如根據NO：的生成機理可知，欲降低NOx含量，可降低燃燒過程中的最高溫度。但如此則同時降低了柴油機的經濟性，而且還可能使炭煙和未燃的HC含量增加.因此，在采取降低污染物的措施時，應權衡利弊，綜合治理，在降低污染物與保證滿意的經濟性之間采用最佳的折衷方案。

降低柴油機排氣污染物可大體分成前處理、機內處理與后處理三種方案。

1）前處理前處理是對燃油或空氣在進入氣缸前進行預先處理，以期減少缸內過程中所產生的有害排放物。如對燃油去硫、減少芳香烴含量、精細過濾、乳化、磁化、添加添加劑；對空氣的噴水、廢氣再循環等。目前還沒有任何一種機內處理方法可以抑制硫化物生成，因此，預先去硫是減少硫化物的最可靠方法。對于使用高硫分燃油的柴油機，為了降低硫化物含量使之符合有關規定，燃油去硫（減少硫分）可能是今后優先使用的措施。應用乳化技術在燃油中摻水或在進氣管中噴水均因水蒸汽的汽化潛熱和比熱較大，降低缸內溫度，增加了缸內OH基以及因乳化油滴的“微爆”現象，提高了霧化質量從而大大降低NOX和碳煙污染物。同時乳化燃油尚可提高經濟性。但可能造成氣缸部件銹蝕及水污染滑油等問題。