新聞主題	柴油發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的不同。特點是缸內進行，即在壓縮行程接近終了時柴油由噴射系統直接噴入燃燒室內，時間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內的工質成分隨時間和地點而變化；柴油本身粘度大，蒸發性不好；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運動。

② 產生擠壓渦流

       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生強烈的旋轉運動，它存在于上止點附近，持續時間較短，轉速越高，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，經濟性好。

② 對空氣運動要求不高→后期燃料易被早期燃燒產物包圍，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  (M過程)

      空間霧化型混合氣蒸發方式要求將燃料盡量噴在燃燒室空間，而油膜蒸發型混合氣蒸發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。經燃燒室壁面和燃燒加熱，邊蒸發，邊混合，邊燃燒。初期蒸發、燃燒慢，后期蒸發、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、燃料供給系統和燃燒室結構參數之間的配合要求很高，制造工藝要求嚴格。

 

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燃燒。這有助于控制燃燒過程，防止發動機產生異常燃燒。

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，其排放中容易產生黑煙。黑煙是不完全燃燒的產物，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、柴油機熱功轉換的特點

      1883年戴姆勒應用當時已提出的四沖程理論，從氣缸內形成混合氣的角度發明了四沖程內燃機-汽油機，而德國人魯道夫·狄塞爾于1897年從如何提高四沖程發動機循環熱效率的角度發明了柴油機，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，提高四沖程內燃機循環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，提高循環熱效率的關鍵就是壓縮純空氣以提高壓縮比，達到設定的壓縮程度后，在上止點附近的高溫高壓下，按一定的噴油規律快速噴油燃燒。發動機轉速高，且變化范圍寬，因此混合氣形成和燃燒條件非常苛刻。為此柴油機采用高壓縮比，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，由此實現熱功轉換。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，反而使經濟性惡化。反之，在極短的時間內快速噴射燃燒，雖然能提高動力性和經濟性，但必然導致工作粗暴，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速不能太高，也決定了柴油機獨特的動力性、經濟性和排放特性。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，在噴油規律控制及燃燒室內氣流流動特性的組織等方面進行了一系列的開發研究，取得了可喜的成績。

圖3  四沖程柴油發動機模型圖

圖4  四沖程柴油發動機飛輪端模型圖

 

四、傳統燃油系統的改善

 

      傳統的機械式泵-管-噴油器式燃料供給系統，結構組成如圖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，而噴油器只負責向氣缸噴油霧化并完成混合燃燒的任務。因此，決定燃燒放熱規律的噴油規律，取決于噴油泵的供油規律和供油系統的結構參數，不能根據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，缸內壓力和溫度迅速升高。這雖然能改善動力性和經濟性，但發動機工作粗暴，同時NOx排放量增多，振動和噪聲嚴重。反之，為了改善發動機工作粗暴程度，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，從而使動力性和經濟性都惡化。這就是說，傳統的機械式噴射系統的混合氣形成和燃燒方式，不可能解決柴油機動力性、經濟性、振動和噪聲及NOx排放之間的矛盾。所以，隨著節能與排放法規的日趨嚴格，這種燃油供給系統已被淘汰。

      隨著發動機電控技術及高壓噴射技術的發展，已開發研究出高壓共軌新型電控高壓噴射系統（如圖6所示），極大程度地提高了噴油規律的控制精度，特別是高壓共軌噴射系統實現了噴油規律自由獨立的控制，同時配合100MPa以上的高壓噴射，和燃燒室內氣流特性的優化匹配，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，使得放熱規律得到有效的控制，很好地解決了傳統的機械式噴射系統無法解決的動力性、經濟性及排放特性之間的矛盾，實現了100多年前狄塞爾開發柴油機時提出的要實現高效率四沖程動力循環的愿望。

 

圖5  傳統柴油機機械式燃油系統

圖6  柴油機高壓共軌管模型圖

 

總結：

        自發明柴油機的100多年來，由于其優越的經濟性和耐久可靠性，作為備用電源得到廣泛應用。特別是近年來在全球變暖已成為全世界關注的問題時，柴油機因CO2排放量少等優點備受青睞。但是柴油機的碳煙（微粒）、氮氧化合物（NO2）排放及噪聲較為嚴重，成為大氣環境的主要污染源。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展，使得柴油機混合氣的形成及燃燒控制技術得到迅速的發展，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境及用戶的需求。盡管如此，隨著環境污染及能源資源問題的日趨嚴峻，世界各國對柴油發電機的節能與排放控制法規日趨嚴格，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。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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