新聞主題	柴油發(fā)動機混合氣的形成和燃燒特點

 

摘要：柴油機使用的燃料是較難揮發(fā)和較易自燃的柴油，其混合氣形成和燃燒過程與汽油機有著本質(zhì)的不同。特點是缸內(nèi)進行，即在壓縮行程接近終了時柴油由噴射系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，時間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內(nèi)的工質(zhì)成分隨時間和地點而變化；柴油本身粘度大，蒸發(fā)性不好；混合氣在高溫、高壓下多點自燃著火燃燒，且混合過程、著火過程和燃燒過程共存。

 

一、柴油機混合氣的形成

 

       柴油機的燃燒過程可以強力、持久地擠壓活塞，提高燃燒效率。同時，壓燃可以讓空燃比大于14.7的可燃混合氣燃燒，如圖1所示。柴油機可燃混合氣的形成和燃燒都是直接在燃燒室內(nèi)進行的，如圖2所示。可燃混合氣形成的方法有空間霧化和油膜蒸發(fā)兩種。 

 1、空間霧化

      將燃料噴在燃燒室空間使之成為霧狀，再利用空氣運動達到充分混合。

（1）油霧形成：

      高壓、高速燃料從噴油器以圓錐形的油束噴出。使油粒分布得更均勻，最有效的措施是使空氣運動，多采用以下兩種方法。

① 使進氣產(chǎn)生渦流

      利用弱渦流切向進氣道或強渦流螺旋進氣道，可以在進氣行程中使空氣繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)運動。

② 產(chǎn)生擠壓渦流

       利用活塞頂部的特殊形狀，在壓縮過程中和膨脹行程開始時，使空氣在燃燒室中產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，它存在于上止點附近，持續(xù)時間較短，轉(zhuǎn)速越高，渦流越強，氣流對油束的吹散作用越大。此外，空氣渦流運動可以加速火焰的傳播，促使燃燒及早結(jié)束。

（2）特點：

① 對燃料噴霧要求高  (采用多孔噴嘴)→燃燒易于完全，經(jīng)濟性好。

② 對空氣運動要求不高→后期燃料易被早期燃燒產(chǎn)物包圍，高溫裂解→排氣冒煙。

③ 初期空間分布燃料多，燃燒迅速→ΔP/Δφ↑，P_max↑→工作粗暴。

2、油膜蒸發(fā)  (M過程)

      空間霧化型混合氣蒸發(fā)方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發(fā)型混合氣蒸發(fā)方式則有意將燃料噴在燃燒室壁面上，使之成為薄薄的一層油膜附著在燃燒室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃燒室空間。經(jīng)燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。初期蒸發(fā)、燃燒慢，后期蒸發(fā)、燃燒迅速(先緩后急)。特點如下：

（1）對燃料噴霧要求不高(采用單、雙孔噴嘴),對空氣運動要求高。

（2）放熱先緩后急→ΔP/Δφ↓，P_max↓→工作柔和，噪聲小，經(jīng)濟性較好。

（3）低速性能不好，冷起動困難。對進氣道、燃料供給系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴(yán)格。

 

圖1  柴油機空燃比示意圖

圖2  柴油機可燃混合氣的形成和燃燒

 

二、柴油機燃燒過程的主要特點

 

1、混合氣濃度高

      柴油機的混合氣濃度通常較為高，可達到14：1到25：1。這是因為柴油機所使用的燃油具有較高的能量密度，可以同時實現(xiàn)更高的壓縮比和更高的燃燒溫度。

2、自燃點高

      柴油機的混合氣具有較高的自燃點。由于混合氣濃度高和燃油的特性，混合氣需要達到一定的溫度才能自發(fā)燃燒。這有助于控制燃燒過程，防止發(fā)動機產(chǎn)生異常燃燒。

3、 點火方式不同

      柴油機的燃燒是通過壓燃來實現(xiàn)的，而非火花點火。燃油噴入氣缸后由于高壓和高溫的作用，使得燃油迅速氧化分解，產(chǎn)生大量的熱量和高壓氣體。然后，由于壓燃的作用，燃料自燃并瞬間燃燒。

4、 燃燒時間長

      相比于汽油機的快速燃燒，柴油機的燃燒過程時間較長。這是因為在柴油機燃料的壓燃條件下，燃燒速度較慢，需要一定時間來完成。

5、黑煙排放

     由于柴油機燃燒的特性，其排放中容易產(chǎn)生黑煙。黑煙是不完全燃燒的產(chǎn)物，主要由碳顆粒組成。為了減少黑煙排放，需要控制燃燒過程，提高燃燒效率。

 

三、柴油機熱功轉(zhuǎn)換的特點

      1883年戴姆勒應(yīng)用當(dāng)時已提出的四沖程理論，從氣缸內(nèi)形成混合氣的角度發(fā)明了四沖程內(nèi)燃機-汽油機，而德國人魯?shù)婪?middot;狄塞爾于1897年從如何提高四沖程發(fā)動機循環(huán)熱效率的角度發(fā)明了柴油機，四沖程柴油機外觀模型如圖3、圖4所示。由于汽油機和柴油機開發(fā)初期的目的不同，造成二者性能上的較大差別。如前所述，提高四沖程內(nèi)燃機循環(huán)熱效率的主要措施就是提高壓縮比。但是汽油機這種外部形成混合氣的方式，壓縮比的提高往往會引起爆燃。所以，提高循環(huán)熱效率的關(guān)鍵就是壓縮純空氣以提高壓縮比，達到設(shè)定的壓縮程度后，在上止點附近的高溫高壓下，按一定的噴油規(guī)律快速噴油燃燒。發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，且變化范圍寬，因此混合氣形成和燃燒條件非?？量獭榇瞬裼蜋C采用高壓縮比，并在壓縮上止點附近，通過噴油器在高溫高壓的空氣中強制噴油霧化形成可燃混合氣，同時自行燃燒，由此實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。因此，其混合氣形成和燃燒具有以下三大特點：

1、混合氣形成時間極短。

2、混合氣空間時間分布極不均勻。

3、燃料噴射過程和燃燒過程同時存在。

      這就是說，對柴油機如果需要多做功，就要多噴油。但如果噴射時間拖長，若在活塞下移、氣缸容積增加的過程中燃燒，會造成散熱損失增加，熱量利用率下降，不僅動力性提高不多，反而使經(jīng)濟性惡化。反之，在極短的時間內(nèi)快速噴射燃燒，雖然能提高動力性和經(jīng)濟性，但必然導(dǎo)致工作粗暴，以及NOx排放增加。因此，這種燃燒方式限制了柴油機的最高轉(zhuǎn)速不能太高，也決定了柴油機獨特的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。柴油機問世至今，為了改善柴油機的混合氣形成和燃燒過程，在噴油規(guī)律控制及燃燒室內(nèi)氣流流動特性的組織等方面進行了一系列的開發(fā)研究，取得了可喜的成績。

圖3  四沖程柴油發(fā)動機模型圖

圖4  四沖程柴油發(fā)動機飛輪端模型圖

 

四、傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)的改善

 

      傳統(tǒng)的機械式泵-管-噴油器式燃料供給系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。其燃料供給方式采用靠噴油泵按一定壓力向噴油器供給定量的燃油，而噴油器只負責(zé)向氣缸噴油霧化并完成混合燃燒的任務(wù)。因此，決定燃燒放熱規(guī)律的噴油規(guī)律，取決于噴油泵的供油規(guī)律和供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不能根據(jù)工況的變化任意控制。所以，對一定的噴射量，如初期噴射量越多，則整個噴油時間越短，初期燃燒速率越快，造成初期放熱量增加，缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高。這雖然能改善動力性和經(jīng)濟性，但發(fā)動機工作粗暴，同時NOx排放量增多，振動和噪聲嚴(yán)重。反之，為了改善發(fā)動機工作粗暴程度，降低其振動和噪聲以及減少NOx排放量，通過供油規(guī)律（如改變噴油泵凸輪形線等）來減少初期噴射量，則后噴射量增多，噴油期間拉長，燃燒過程延遲，使得大部分燃料在氣缸容積增加的膨脹過程中燃燒放熱，所以氣缸內(nèi)燃燒氣體的做功能力下降，同時散熱損失增加，使熱效率降低，從而使動力性和經(jīng)濟性都惡化。這就是說，傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)的混合氣形成和燃燒方式，不可能解決柴油機動力性、經(jīng)濟性、振動和噪聲及NOx排放之間的矛盾。所以，隨著節(jié)能與排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，這種燃油供給系統(tǒng)已被淘汰。

      隨著發(fā)動機電控技術(shù)及高壓噴射技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)研究出高壓共軌新型電控高壓噴射系統(tǒng)（如圖6所示），極大程度地提高了噴油規(guī)律的控制精度，特別是高壓共軌噴射系統(tǒng)實現(xiàn)了噴油規(guī)律自由獨立的控制，同時配合100MPa以上的高壓噴射，和燃燒室內(nèi)氣流特性的優(yōu)化匹配，使燃料快速霧化，縮短了混合氣的形成時間，改善了燃燒條件。通過混合氣形成過程和燃燒過程的控制，使得放熱規(guī)律得到有效的控制，很好地解決了傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)無法解決的動力性、經(jīng)濟性及排放特性之間的矛盾，實現(xiàn)了100多年前狄塞爾開發(fā)柴油機時提出的要實現(xiàn)高效率四沖程動力循環(huán)的愿望。

 

圖5  傳統(tǒng)柴油機機械式燃油系統(tǒng)

圖6  柴油機高壓共軌管模型圖

 

總結(jié)：

        自發(fā)明柴油機的100多年來，由于其優(yōu)越的經(jīng)濟性和耐久可靠性，作為備用電源得到廣泛應(yīng)用。特別是近年來在全球變暖已成為全世界關(guān)注的問題時，柴油機因CO2排放量少等優(yōu)點備受青睞。但是柴油機的碳煙（微粒）、氮氧化合物（NO2）排放及噪聲較為嚴(yán)重，成為大氣環(huán)境的主要污染源。隨著排氣凈化、低油耗、高功率以及低噪聲性能要求的提高，柴油機已全面向電控化發(fā)展，使得柴油機混合氣的形成及燃燒控制技術(shù)得到迅速的發(fā)展，大大改善了柴油機的排放特性和整機性能，同時提高了柴油機組的安全，在極大程度上滿足了社會環(huán)境及用戶的需求。盡管如此，隨著環(huán)境污染及能源資源問題的日趨嚴(yán)峻，世界各國對柴油發(fā)電機的節(jié)能與排放控制法規(guī)日趨嚴(yán)格，在這種條件下，柴油機所面臨的課題依然是在改善其動力性和經(jīng)濟性的前提下，進一步凈化排氣、降低噪聲、提高舒適性的問題。而這些問題直接與柴油機的混合氣形成和燃燒過程緊密相關(guān)。總體而言，柴油機混合氣的形成和燃燒過程具有混合氣濃度高、自燃點高、點火方式不同、燃燒時間長和黑煙排放等特點。這些特點決定了柴油機在燃燒效率、功率輸出和排放控制等方面與汽油機有著不同的特性。

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