新聞主題	柴油發(fā)動(dòng)機混合氣的形成和燃燒特點(diǎn)

 

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(guò)程與汽油機有著(zhù)本質(zhì)的不同。特點(diǎn)是缸內進(jìn)行，即在壓縮行程接近終了時(shí)柴油由噴射系統直接噴入燃燒室內，時(shí)間短，難以形成均勻的混合氣，燃燒室內的工質(zhì)成分隨時(shí)間和地點(diǎn)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(diǎn)自燃著(zhù)火燃燒，且混合過(guò)程、著(zhù)火過(guò)程和燃燒過(guò)程共存。

 

一、柴油機混合氣的形成

 

       柴油機的燃燒過(guò)程可以強力、持久地擠壓活塞，提高燃燒效率。同時(shí)，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(jìn)行的，如圖2所示?？扇蓟旌蠚庑纬傻姆椒ㄓ锌臻g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(dòng)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(dòng)，多采用以下兩種方法。

① 使進(jìn)氣產(chǎn)生渦流

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

② 產(chǎn)生擠壓渦流

       利用活塞頂部的特殊形狀，在壓縮過(guò)程中和膨脹行程開(kāi)始時(shí)，使空氣在燃燒室中產(chǎn)生強烈的旋轉運動(dòng)，它存在于上止點(diǎn)附近，持續時(shí)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(dòng)可以加速火焰的傳播，促使燃燒及早結束。

（2）特點(diǎn)：

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(dòng)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(guò)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(zhù)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(diǎn)如下：

（1）對燃料噴霧要求不高(采用單、雙孔噴嘴),對空氣運動(dòng)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(dòng)困難。對進(jìn)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(guò)程的主要特點(diǎn)

 

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(shí)實(shí)現更高的壓縮比和更高的燃燒溫度。

2、自燃點(diǎn)高

      柴油機的混合氣具有較高的自燃點(diǎn)。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(guò)程，防止發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生異常燃燒。

3、 點(diǎn)火方式不同

      柴油機的燃燒是通過(guò)壓燃來(lái)實(shí)現的，而非火花點(diǎn)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(shí)間長(cháng)

      相比于汽油機的快速燃燒，柴油機的燃燒過(guò)程時(shí)間較長(cháng)。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(shí)間來(lái)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(guò)程，提高燃燒效率。

 

三、柴油機熱功轉換的特點(diǎn)

      1883年戴姆勒應用當時(shí)已提出的四沖程理論，從氣缸內形成混合氣的角度發(fā)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(fā)動(dòng)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(guān)模型如圖3、圖4所示。由于汽油機和柴油機開(kāi)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(huì )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，達到設定的壓縮程度后，在上止點(diǎn)附近的高溫高壓下，按一定的噴油規律快速?lài)娪腿紵?。發(fā)動(dòng)機轉速高，且變化范圍寬，因此混合氣形成和燃燒條件非?？量?。為此柴油機采用高壓縮比，并在壓縮上止點(diǎn)附近，通過(guò)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(shí)自行燃燒，由此實(shí)現熱功轉換。因此，其混合氣形成和燃燒具有以下三大特點(diǎn)：

1、混合氣形成時(shí)間極短。

2、混合氣空間時(shí)間分布極不均勻。

3、燃料噴射過(guò)程和燃燒過(guò)程同時(shí)存在。

      這就是說(shuō)，對柴油機如果需要多做功，就要多噴油。但如果噴射時(shí)間拖長(cháng)，若在活塞下移、氣缸容積增加的過(guò)程中燃燒，會(huì )造成散熱損失增加，熱量利用率下降，不僅動(dòng)力性提高不多，反而使經(jīng)濟性惡化。反之，在極短的時(shí)間內快速?lài)娚淙紵?，雖然能提高動(dòng)力性和經(jīng)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(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放特性。柴油機問(wèn)世至今，為了改善柴油機的混合氣形成和燃燒過(guò)程，在噴油規律控制及燃燒室內氣流流動(dòng)特性的組織等方面進(jìn)行了一系列的開(kāi)發(fā)研究，取得了可喜的成績(jì)。

圖3  四沖程柴油發(fā)動(dòng)機模型圖

圖4  四沖程柴油發(fā)動(dòng)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(wù)。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(gè)噴油時(shí)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(dòng)力性和經(jīng)濟性，但發(fā)動(dòng)機工作粗暴，同時(shí)NOx排放量增多，振動(dòng)和噪聲嚴重。反之，為了改善發(fā)動(dòng)機工作粗暴程度，降低其振動(dòng)和噪聲以及減少NOx排放量，通過(guò)供油規律（如改變噴油泵凸輪形線(xiàn)等）來(lái)減少初期噴射量，則后噴射量增多，噴油期間拉長(cháng)，燃燒過(guò)程延遲，使得大部分燃料在氣缸容積增加的膨脹過(guò)程中燃燒放熱，所以氣缸內燃燒氣體的做功能力下降，同時(shí)散熱損失增加，使熱效率降低，從而使動(dòng)力性和經(jīng)濟性都惡化。這就是說(shuō)，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(dòng)力性、經(jīng)濟性、振動(dòng)和噪聲及NOx排放之間的矛盾。所以，隨著(zhù)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(zhù)發(fā)動(dòng)機電控技術(shù)及高壓噴射技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)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(shí)現了噴油規律自由獨立的控制，同時(shí)配合100MPa以上的高壓噴射，和燃燒室內氣流特性的優(yōu)化匹配，使燃料快速霧化，縮短了混合氣的形成時(shí)間，改善了燃燒條件。通過(guò)混合氣形成過(guò)程和燃燒過(guò)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(wú)法解決的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放特性之間的矛盾，實(shí)現了100多年前狄塞爾開(kāi)發(fā)柴油機時(shí)提出的要實(shí)現高效率四沖程動(dòng)力循環(huán)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(fā)明柴油機的100多年來(lái)，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用。特別是近年來(lái)在全球變暖已成為全世界關(guān)注的問(wèn)題時(shí)，柴油機因CO2排放量少等優(yōu)點(diǎn)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(huán)境的主要污染源。隨著(zhù)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(shí)提高了柴油機組的安全，在極大程度上滿(mǎn)足了社會(huì )環(huán)境及用戶(hù)的需求。盡管如此，隨著(zhù)環(huán)境污染及能源資源問(wèn)題的日趨嚴峻，世界各國對柴油發(fā)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(dòng)力性和經(jīng)濟性的前提下，進(jìn)一步凈化排氣、降低噪聲、提高舒適性的問(wèn)題。而這些問(wèn)題直接與柴油機的混合氣形成和燃燒過(guò)程緊密相關(guān)。總體而言，柴油機混合氣的形成和燃燒過(guò)程具有混合氣濃度高、自燃點(diǎn)高、點(diǎn)火方式不同、燃燒時(shí)間長(cháng)和黑煙排放等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)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(zhù)不同的特性。

----------------
以上信息來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！
若有違反相關(guān)法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經(jīng)我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關(guān)柴油發(fā)電機組技術(shù)數據與產(chǎn)品資料，請電話(huà)聯(lián)系銷(xiāo)售宣傳部門(mén)或訪(fǎng)問(wèn)我們官網(wǎng)：http://www.aticodonostia.com