新聞主題	康明斯柴油發電機混合氣的形成方式

 

摘要：柴油發電機混合氣的形成方式，大體上分為空間霧化混合方式和油膜蒸發混合方式兩種。而實際發電用柴油發電機上混合氣形成的特點是這兩種基本方式的不同組合。由于柴油黏性比較大，不易揮發，而且柴油發電機的混合氣形成時間相對汽油機非常短。因此，混合氣形成的條件和方式對柴油發電機的燃燒過程至關重要。

 

一、混合氣燃燒與形成過程

 

1、燃燒方式

      柴油機以油滴擴散形式燃燒，燃燒過程如圖1所示。柴油機是在壓縮過程中活塞接近上止點時，燃油在高壓下成霧狀噴入燃燒室，與空氣形成可燃混合氣。油滴的著火要滿足兩個條件：

（1）混合氣的溫度要高于著火臨界溫度。

（2）混合氣的濃度要適當，混合氣的濃度要在著火界限之內。

2、柴油機混合氣的形成

      柴油機混合氣形成方式和過程如表1所列，而影響可燃混合氣形成的因素如圖2所示。

（1）柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用，一是燃燒室的結構，二是燃料的油霧狀態，三是缸內適當的空氣運動。

（2）混合氣形成特點是在缸內形成、形成時間極短、空氣不能全部利用。

（3）燃燒室、油霧、空氣渦流的配合形成混合氣。加快混合氣的形成速度，能保證燃燒完全、及時。

表1    柴油機混合氣形成方式和過程

 

3、柴油機對混合氣的要求

      柴油發電機的混合比的量與質都必須適應發動機各種工況的要求，小負荷要求稍濃的混合氣，中負荷要求稍稀的混合氣，大負荷要求稍濃的混合器，全負荷工況要求極濃的混合氣。

（1）必須要有足夠的空氣量和適當的柴油量

      柴油燃燒是柴油和空氣中的氧氣在一定溫度和壓力條件下產生化學作用的結果，空氣與柴油是放熱的兩個重要因素。空氣與柴油的比例不同，可燃混合氣成分不同，一般要求空氣量要多一些，以保證柴油不被浪費。

（2）噴油時刻要準確，混合氣形成的規律應合適

      氣缸中燃燒過程的主要放熱階段應該是上止點稍后，熱效率高，熱損失小，所以要求噴油時刻要準確。噴油過早過晚都不利于發動機的工作。噴油時刻通常用曲軸距活塞到達上止點的轉角表示，稱為噴油提前角。

（3）噴油質量應與燃燒室形狀相適應，形成均勻的混合氣。

（4）氣流的攪動與燃料的性能

      燃燒室的形狀，切向進氣，形成渦流，有利于混合，柴油的十六烷值高，自燃點低，滯燃期短。為改善混合氣的形成和燃燒，宜采用強渦流螺旋進氣道，在進氣過程中使空氣流形成繞氣缸軸線的高速渦流。

 

圖1  柴油機燃燒過程

圖2  影響柴油機混合氣形成的因素

 

二、空間霧化混合方式的條件和優點

 

      空間霧化混合方式是通過多孔式噴油器將燃料向燃燒室空間噴射強制霧化，并利用燃油相對空氣的運動方式形成混合氣。所以，燃油與空氣之間的相對運動速度是影響混合氣形成的主要因素。相對運動速度越高，油滴與空氣之間的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油粒也越細小，混合氣越均勻。影響燃油與空氣的相對速度的主要因素有噴霧特性和燃燒室內的空氣密度（壓力）、溫度及氣流特性。提高噴射壓力以及組織適當的燃燒室內的氣流運動，是提高燃油與空氣之間相對速度的有效途徑；同時，提高空氣密度和溫度，不僅可改善燃油和空氣的相對速度，而且使噴注貫穿距離縮短，噴霧錐角增大，使油束更稀疏，加之溫度的提高，更有利于燃油的蒸發，促進混合氣的形成。

1、進氣渦流

      進氣渦流的作用是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。使用弱渦流切向進氣道或強渦流螺旋進氣道，在進氣行程中形成繞氣缸中心高速旋轉的氣流。進氣渦流會引起進氣阻力加大。

      進氣渦流靠切向進氣道和螺旋進氣道形成的，原理如圖3所示。過程如下：

（1）如圖3（a）所示。切向進氣道的氣道母線與氣缸相切，氣流進入氣缸后形成渦流。

（2）如圖3（b）所示。螺旋進氣道的氣道在氣門座上方呈螺旋狀，偏離氣缸中心，氣流形成繞氣門中心的旋轉運動。

2、擠壓渦流

      擠壓渦流的作用是利用活塞頂部的特殊形狀，在壓縮行程中和膨脹行程初期，使空氣在燃燒室中產生強烈的旋轉，出現在上止點附近，持續時間短。轉速越高渦流越強，對油束的吹散作用越大。空氣渦流能加速火焰的傳播，使燃燒速率提高。形成條件如下：

（1）無進氣渦流或渦流不強時的擠流。

（2）進氣渦流強時的擠流。

（3）逆擠流。

3、燃燒渦紊流

      燃燒渦紊流作用是利用柴油燃燒的能量，沖擊未然的混合氣，造成混合氣渦流或紊流，促進混合。為了更有效地利用燃燒室內的空氣，空間霧化混合方式需要噴注與燃燒室空間進行優化匹配。值得提出的是，這種混合氣形成方式的混合氣形成時間，取決于霧化速率和燃油與空氣之間的相對速度。當噴霧條件和燃燒室內氣流狀態一定時，這種方式的混合氣形成條件就確定了。

      傳統直噴式燃燒室如圖4所示，有開式和半開式兩種，主要靠空間霧化混合的方式形成混合氣，因此采用多孔噴油器高壓噴射的方式。雖然這種燃燒室的散熱面積小，熱效率高，經濟性好，易起動，但是由于燃燒室內氣流的組織方式不得當，對轉速的適應性差，而且噴射壓力有限（18～24MPa），因此混合氣形成速度相對緩慢，不能適應柴油發電機的高轉速。同時，這種空間霧化混合方式，在著火延遲期內形成的可燃混合氣量較多，且不可控制，因此在燃燒過程中壓力升高率高，柴油發電機工作粗暴，NOx排放高，因而已被淘汰。但是，上述高壓共軌等時間控制式噴射系統，由于噴射壓力很高，所以燃油霧化迅速，結合燃燒室內空氣運動的組織可以控制噴油規律，而且有效地縮短了混合氣的形成時間，提高了現代直噴式燃燒室對高轉速的適應性。高壓共軌等電控高壓噴射方式，使得空間霧化混合方式在高速發電用柴油發電機上得以繼續發展，能充分發揮直噴柴油發電機經濟性好的優點。

 

圖3  燃燒室產生渦流的進氣道

圖4  柴油機傳統直噴式燃燒室

 

三、油膜蒸發混合方式的條件和優點

 

      油膜蒸發混合方式是燃燒室內噴射的燃油首先在燃燒室壁面形成油膜后，再通過燃燒室壁面的加熱蒸發，配合燃燒室內定向流動的氣流（渦流）形成混合氣。因此，在這種方式中，影響混合氣形成的主要因素是油膜的蒸發速度、燃燒室內空氣相對油膜的運動速度和油膜的厚度。油膜的蒸發速度取決于燃燒室壁面的溫度，油膜的厚度取決于噴霧特性及油束在燃燒室壁面的著壁程度。一般噴注的貫穿距離越大，著壁現象越嚴重。而相對油膜的空氣運動一般都是專門組織的渦流，這種渦流強度隨柴油發電機轉速的提高而增強。因此，這種混合氣的形成方式對柴油發電機轉速的適應性好。

      傳統分隔式燃燒室工作原理如圖2所示，有渦流室式和預燃室式兩種。這種分隔式燃燒室的混合氣形成方式的主要特點是，一部分燃料空間霧化直接形成可燃混合氣，而大部分燃料則以油膜蒸發的形式配合空氣流動而形成混合氣。分隔式燃燒室將燃燒室分為設在活塞頂上的主燃燒室和設在氣缸蓋上的副燃燒室。對渦流室式，將副燃燒室設計成近似球形或半球形狀，并用基本與渦流室相切形狀的連接通道與主燃燒室連通。噴油器采用軸針式，布置在渦流室上，并向渦流室壁面順著氣流方向噴射形成油膜。 

1、渦流式燃燒室

      渦流式燃燒室結構如圖6（a）所示。在壓縮過程中，缸內的空氣經通道進入渦流室，在通道的導向作用下，隨壓縮行程在渦流室內形成強烈的壓縮渦流，不斷將空氣送往油膜處，與油膜表面蒸發的燃料形成混合氣。為了可靠著火，噴油器噴射時使小部分燃料空間霧化，使得渦流室內的局部地方首先著火。著火后渦流室內的壓力和溫度迅速升高，使得已燃氣體、未燃的燃料和空氣一起經通道高速噴入主燃燒室內，形成強烈的二次渦流，促進主燃燒室內混合氣的形成和燃燒。這種渦流室式燃燒室，在渦流室內混合氣的形成方式是以油膜蒸發為主，加上部分空間霧化，而在主燃燒室內是通過二次渦流以擴散方式進行混合燃燒的。當柴油發電機轉速增加時，渦流室內的壓縮渦流隨之加強，改善了混合條件，所以這種混合氣形成方式的特點就是對轉速的適應性好。

2、預燃式燃燒室

       預燃式燃燒室結構如圖6（b）所示。通過單孔或多孔通道與主燃燒室連接，在壓縮過程中缸內的氣流經通孔進入到預燃室內形成強烈的湍流。噴油器采用軸針式沿預燃室中心向底部噴射，此時部分燃油在空間霧化混合，而噴注的大部分噴向預燃室底部形成油膜。在預燃室空間形成的可燃混合氣首先著火燃燒后，將預燃室內的燃氣和未燃氣體一起噴入主燃燒室，在主燃燒室內形成強烈的燃燒渦流，促進主燃燒室內未燃燃油迅速混合燃燒。當柴油發電機轉速增加時，預燃室內的湍流強度隨之加強，更容易形成混合氣，所以其混合氣形成對轉速的適應性也較好。

      與傳統的直噴式燃燒室相比，這種分隔式燃燒室具有空氣利用率好，高速性能得到保證，同時對噴霧的要求低，工作粗暴程度和NOx排放低，而且成本低等優點。但是，由于燃燒室結構復雜，散熱面積大，而且主、副燃燒室之間的通道節流損失大，所以熱效率低，冷起動性差。為了保證冷起動性，這種分隔式燃燒室的壓縮比ε＝20～24，普遍比直噴式的壓縮比（ε＝14～18）大。盡管傳統的直噴式和分隔式燃燒室曾分別在中重型柴油發電機和輕型高速柴油發電機上廣泛得到應用，但隨著節能和排放法規的日趨嚴格，由于這種燃燒室各自存在的致命缺陷，不得不逐漸被淘汰。

 

圖5  傳統分隔式燃燒室工作原理圖

圖6  柴油機分隔式燃燒室類型和結構圖

 

總結：

      綜上所述，由于柴油的蒸發性和流動性都比汽油差，因此柴油相比汽油在氣缸外部形成可燃混合氣較為困難。柴油機的混合氣只能在氣缸內部形成，即在接近壓縮行程終點時，通過噴油器把柴油噴入氣缸內。柴油油滴在熾熱的空氣中受熱、蒸發、擴散，并與空氣混合形成可燃混合氣，最終自行發火燃燒。與汽油機相比，柴油機混合氣形成的時間極短，只占15°~35°曲軸轉角。

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