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柴油发动机混合气的形成和燃烧特点 |
摘要：柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有着本质的不同。特点是缸内进行，即在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内，时间短，难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化；柴油本身粘度大，蒸发性不好；混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。
一、柴油机混合气的形成
柴油机的燃烧过程可以强力、持久地挤压活塞，提高燃烧效率。同时，压燃可以让空燃比大于14.7的可燃混合气燃烧，如图1所示。柴油机可燃混合气的形成和燃烧都是直接在燃烧室内进行的，如图2所示。可燃混合气形成的方法有空间雾化和油膜蒸发两种。
1、空间雾化
将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用空气运动达到充分混合。
（1）油雾形成：
高压、高速燃料从喷油器以圆锥形的油束喷出。使油粒分布得更均匀，最有效的措施是使空气运动，多采用以下两种方法。
① 使进气产生涡流
利用弱涡流切向进气道或强涡流螺旋进气道，可以在进气行程中使空气绕气缸轴线旋转运动。
② 产生挤压涡流
利用活塞顶部的特殊形状，在压缩过程中和膨胀行程开始时，使空气在燃烧室中产生强烈的旋转运动，它存在于上止点附近，持续时间较短，转速越高，涡流越强，气流对油束的吹散作用越大。此外，空气涡流运动可以加速火焰的传播，促使燃烧及早结束。
（2）特点：
① 对燃料喷雾要求高 (采用多孔喷嘴)→燃烧易于完全，经济性好。
② 对空气运动要求不高→后期燃料易被早期燃烧产物包围，高温裂解→排气冒烟。
③ 初期空间分布燃料多，燃烧迅速→ΔP/Δφ↑，Pmax↑→工作粗暴。
2、油膜蒸发 (M过程)
空间雾化型混合气蒸发方式要求将燃料尽量喷在燃烧室空间，而油膜蒸发型混合气蒸发方式则有意将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜附着在燃烧室壁面上，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速(先缓后急)。特点如下：
（1）对燃料喷雾要求不高(采用单、双孔喷嘴),对空气运动要求高。
（2）放热先缓后急→ΔP/Δφ↓，Pmax↓→工作柔和，噪声小，经济性较好。
（3）低速性能不好，冷起动困难。对进气道、燃料供给系统和燃烧室结构参数之间的配合要求很高，制造工艺要求严格。
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图1 柴油机空燃比示意图 |
图2 柴油机可燃混合气的形成和燃烧 |
二、柴油机燃烧过程的主要特点
1、混合气浓度高
柴油机的混合气浓度通常较为高，可达到14：1到25：1。这是因为柴油机所使用的燃油具有较高的能量密度，可以同时实现更高的压缩比和更高的燃烧温度。
2、自燃点高
柴油机的混合气具有较高的自燃点。由于混合气浓度高和燃油的特性，混合气需要达到一定的温度才能自发燃烧。这有助于控制燃烧过程，防止发动机产生异常燃烧。
3、 点火方式不同
柴油机的燃烧是通过压燃来实现的，而非火花点火。燃油喷入气缸后由于高压和高温的作用，使得燃油迅速氧化分解，产生大量的热量和高压气体。然后，由于压燃的作用，燃料自燃并瞬间燃烧。
4、 燃烧时间长
相比于汽油机的快速燃烧，柴油机的燃烧过程时间较长。这是因为在柴油机燃料的压燃条件下，燃烧速度较慢，需要一定时间来完成。
5、黑烟排放
由于柴油机燃烧的特性，其排放中容易产生黑烟。黑烟是不完全燃烧的产物，主要由碳颗粒组成。为了减少黑烟排放，需要控制燃烧过程，提高燃烧效率。
三、柴油机热功转换的特点
1883年戴姆勒应用当时已提出的四冲程理论，从气缸内形成混合气的角度发明了四冲程内燃机-汽油机，而德国人鲁道夫·狄塞尔于1897年从如何提高四冲程发动机循环热效率的角度发明了柴油机，四冲程柴油机外观模型如图3、图4所示。由于汽油机和柴油机开发初期的目的不同，造成二者性能上的较大差别。如前所述，提高四冲程内燃机循环热效率的主要措施就是提高压缩比。但是汽油机这种外部形成混合气的方式，压缩比的提高往往会引起爆燃。所以，提高循环热效率的关键就是压缩纯空气以提高压缩比，达到设定的压缩程度后，在上止点附近的高温高压下，按一定的喷油规律快速喷油燃烧。发动机转速高，且变化范围宽，因此混合气形成和燃烧条件非常苛刻。为此柴油机采用高压缩比，并在压缩上止点附近，通过喷油器在高温高压的空气中强制喷油雾化形成可燃混合气，同时自行燃烧，由此实现热功转换。因此，其混合气形成和燃烧具有以下三大特点：
1、混合气形成时间极短。
2、混合气空间时间分布极不均匀。
3、燃料喷射过程和燃烧过程同时存在。
这就是说，对柴油机如果需要多做功，就要多喷油。但如果喷射时间拖长，若在活塞下移、气缸容积增加的过程中燃烧，会造成散热损失增加，热量利用率下降，不仅动力性提高不多，反而使经济性恶化。反之，在极短的时间内快速喷射燃烧，虽然能提高动力性和经济性，但必然导致工作粗暴，以及NOx排放增加。因此，这种燃烧方式限制了柴油机的最高转速不能太高，也决定了柴油机独特的动力性、经济性和排放特性。柴油机问世至今，为了改善柴油机的混合气形成和燃烧过程，在喷油规律控制及燃烧室内气流流动特性的组织等方面进行了一系列的开发研究，取得了可喜的成绩。
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图3 四冲程柴油发动机模型图 |
图4 四冲程柴油发动机飞轮端模型图 |
四、传统燃油系统的改善
传统的机械式泵-管-喷油器式燃料供给系统，结构组成如图5所示。其燃料供给方式采用靠喷油泵按一定压力向喷油器供给定量的燃油，而喷油器只负责向气缸喷油雾化并完成混合燃烧的任务。因此，决定燃烧放热规律的喷油规律，取决于喷油泵的供油规律和供油系统的结构参数，不能根据工况的变化任意控制。所以，对一定的喷射量，如初期喷射量越多，则整个喷油时间越短，初期燃烧速率越快，造成初期放热量增加，缸内压力和温度迅速升高。这虽然能改善动力性和经济性，但发动机工作粗暴，同时NOx排放量增多，振动和噪声严重。反之，为了改善发动机工作粗暴程度，降低其振动和噪声以及减少NOx排放量，通过供油规律（如改变喷油泵凸轮形线等）来减少初期喷射量，则后喷射量增多，喷油期间拉长，燃烧过程延迟，使得大部分燃料在气缸容积增加的膨胀过程中燃烧放热，所以气缸内燃烧气体的做功能力下降，同时散热损失增加，使热效率降低，从而使动力性和经济性都恶化。这就是说，传统的机械式喷射系统的混合气形成和燃烧方式，不可能解决柴油机动力性、经济性、振动和噪声及NOx排放之间的矛盾。所以，随着节能与排放法规的日趋严格，这种燃油供给系统已被淘汰。
随着发动机电控技术及高压喷射技术的发展，已开发研究出高压共轨新型电控高压喷射系统（如图6所示），极大程度地提高了喷油规律的控制精度，特别是高压共轨喷射系统实现了喷油规律自由独立的控制，同时配合100MPa以上的高压喷射，和燃烧室内气流特性的优化匹配，使燃料快速雾化，缩短了混合气的形成时间，改善了燃烧条件。通过混合气形成过程和燃烧过程的控制，使得放热规律得到有效的控制，很好地解决了传统的机械式喷射系统无法解决的动力性、经济性及排放特性之间的矛盾，实现了100多年前狄塞尔开发柴油机时提出的要实现高效率四冲程动力循环的愿望。
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图5 传统柴油机机械式燃油系统 |
图6 柴油机高压共轨管模型图 |
总结：
自发明柴油机的100多年来，由于其优越的经济性和耐久可靠性，作为备用电源得到广泛应用。特别是近年来在全球变暖已成为全世界关注的问题时，柴油机因CO2排放量少等优点备受青睐。但是柴油机的碳烟（微粒）、氮氧化合物（NO2）排放及噪声较为严重，成为大气环境的主要污染源。随着排气净化、低油耗、高功率以及低噪声性能要求的提高，柴油机已全面向电控化发展，使得柴油机混合气的形成及燃烧控制技术得到迅速的发展，大大改善了柴油机的排放特性和整机性能，同时提高了柴油机组的安全，在极大程度上满足了社会环境及用户的需求。尽管如此，随着环境污染及能源资源问题的日趋严峻，世界各国对柴油发电机的节能与排放控制法规日趋严格，在这种条件下，柴油机所面临的课题依然是在改善其动力性和经济性的前提下，进一步净化排气、降低噪声、提高舒适性的问题。而这些问题直接与柴油机的混合气形成和燃烧过程紧密相关。总体而言，柴油机混合气的形成和燃烧过程具有混合气浓度高、自燃点高、点火方式不同、燃烧时间长和黑烟排放等特点。这些特点决定了柴油机在燃烧效率、功率输出和排放控制等方面与汽油机有着不同的特性。
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