叙述影响柴油机性能的因素

叙述影响柴油机性能的因素

1 前言

燃料在柴油机气缸中的燃烧过程，就是燃料与空气中的氧发生剧烈氧化反应，并产生大量热的过程。燃烧过程对柴油机性能的影响是至关重要的，它在本质上决定了柴油机性能的优劣，柴油机的燃烧过程是整个工作过程中最重要的环节。为了使柴油机能够充分燃烧，必须要有足够的空气。理论上，lkg柴油完全燃烧需要14.3kg空气，故对柴油机而言，理论可燃混合气的空燃比为143。对于不同的燃料，其理论空燃比是不同的。

目前，提高柴油机性能、改善柴油机排放主要从提高燃油品质、改善燃烧过程和采取排气后处理这三个方面着手，由于柴油机的有害排放物主要是在缸内燃烧过程中产生的，所以改善缸内燃烧是提高燃油经济性和减少有害排放物的根本途径，而柴油机的燃烧过程的好坏取决于缸内的气流运动、燃油喷射和燃烧室结构三者之间的匹配。同时，柴油机缸内燃烧过程也是极其复杂的，它包含有燃料的喷射雾化、受热蒸发、与空气混合及氧化燃烧等诸多复杂过程，具有典型的高温、高压、高湍动性和不定常化学反应的特点。

2 影响柴油机性能的主要因素

2.1 从燃料性质分析

2.1.1 柴油的十六烷值

在稳态工况下，随燃料十六烷值的降低，着火始点延迟；滞燃期、预混合燃烧量、缸内压力峰值、放热率峰值及压力升高率有所增加，燃烧速率加快，致使燃烧持续期、扩散燃烧期有所缩短，当燃料十六烷值大于55时，滞燃期差别较小。

在恒转速增转矩瞬态工况下，随循环数的增加,缸内压力、温度、放热率峰值、燃烧持续期、扩散燃烧期和扩散燃烧量逐渐增加，预混合燃烧期和预混合燃烧量降低。

在增负荷工况下，随燃料十六烷值的增加，滞燃期、预混合燃烧期及预混合燃烧量降低，燃烧持续期、扩散燃烧期及扩散燃烧量均有所增加,致使缸内压力峰值和放热率峰值有所降低，适当提高燃料十六烷值，有助于降低NOx排放和燃烧噪声。

2.1.1 生物柴油

江苏大学利用可视化装置，分析比较了直喷式柴油机燃用生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧过程。研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早，着火时刻提前，着火滞燃期缩短，在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油，而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比柴油低。通过分析燃料性质、转速和喷油压力这3种因素对生物柴油燃料喷雾燃烧过程的影响，从而得出影响规律为:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前，滞燃期变短，BS混合燃料的最高燃烧压力最高且出现稍早；生物柴油在最高转速工况时的燃烧速度大，且最高燃烧压力也略高;随着喷油压力的提高，滞燃期缩短，燃烧持续期相应缩短，最高燃烧压力升高。

2.2 从柴油机固有性质分析

2.2.1 工作温度

当柴油机温度较高时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较快.进而着火延迟期缩短，柴油机工作比较柔和，经济性较好;当柴油机温度较低时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较慢，进而着火延迟期增加，柴油机工作比较粗暴，经济性较差，甚至不能着火。因此，柴油机工作中应该保持正常的温度。

2.2.2 压缩比

压缩比就是气缸总容积与燃烧室容积之比。压缩比对混合气的形成和燃烧影响重大，因此也对功柴油机的动力性和经济性有影响。柴油机采取较高的压缩比，是为了提高压缩终了时气体的温度和压力，以便缩短着火延迟时期，使柴油机工作柔和。如果压缩比减小，会造成混合燃烧不完全，使发动机功率下降，油耗增加；如果压缩比增大，虽能提高柴油机的功率，但柴油机工作较为粗暴。

2.2.3 燃烧室形状

为确保燃油的良好燃烧过程，柴油机设计了不同形状的燃烧室和不同形态的燃油喷雾状态，两者互相配合，使高速空气形成强烈的涡流运动，进而形成良好的雾化混合气和良好的燃烧条件。天津大学利用片状激光诱导荧光技术在定容燃烧室喷雾模拟试验装置中针对BUMP燃烧室进行了研究，结果表明，BUMP的位置、高度、形状和角度不同对撞壁油束形成二次空间射流及稀混合气的作用也不相同，进而对燃烧过程影响不同。北京理工大学在20世纪90年代为解决6V 150柴油机“双高”(爆压高、油耗高)难题而开发的双卷流燃烧系统采用了浅的双盘形燃烧室。结果表明燃烧室形状的改变对双卷流燃烧系统结构影响较大。山西车用发动机研究所闭采用A VL657数字分析系统测量油管压力和气缸压力，通过计算、绘制放热率曲线在增压单缸机上研究分析了不同燃烧室对快速混合燃烧过程的影响，结果表明紊流I型燃烧室具有较好的低速性能，圆型燃烧室具有较好的高速性能。

2.2.4 喷雾质量

柴油机喷雾的研究是柴油机燃烧过程研究中的一个十分活跃的领域，且柴油机喷雾属于三维瞬态密集型喷雾，喷雾过程受到多种因素影响。柴油机喷雾特性包括贯穿度、喷雾锥角、分裂长度和雾化微滴尺寸分布。为保证良好的燃烧过程，需要求喷出的柴油具有一定的喷雾长度、雾化锥角和雾化细度。否则就会造成燃烧不良，油耗增加，功率下降，影响柴油机的动力性和经济性。北京航空航天大学利用CFD软件对一台6缸增压柴油机的喷雾与燃烧过程进行模拟，研究了喷雾锥角对燃烧过程的影响规律以及喷雾锥角对碳烟和NOx生成的影响，结果表明喷雾锥角对燃烧过程有着很大影响，随着喷雾锥角的变大，缸内平均温度升高，NOx生成量变大，碳烟生成量减少。中南大学以CFD软件为计算平台，对CZ175F一型直喷式柴油机在额定转速工作下进行了缸内燃烧过程的数值模拟，研究了不同喷油夹角、喷油提前角以及不同的进气涡流比对燃烧过程各参数的影响，并提出了优化意见。

2.3 从柴油机工况分析：

2.3.1 供油规律

供油规律是指喷人燃烧室的燃料量与曲轴转角的关系。对供油规律的要求是:开始供油量不宜过多，在中期和末期要求供油量多些，这样可以避免在着火延迟时期喷人过多的柴油，而造成柴油机工作粗暴。同时，供油持续时间不宜过长，以免造成后燃严重。吉林大学和广州汽车集团股份有限责任公司利用循环控制的柴油机起动过程测控系统，研究了启动油量对柴油机冷起动过程燃烧的影响规律，并对起动过程的油量进行了优化。试验结果表明：通过调节柴油机起动时的喷油量可以有效减少在起动过渡期的失火和不完全燃烧循环，改善起动过程燃烧。广东韶关学院对两种喷油嘴应用在某型柴油机上不同的烟度特性进行了分析，认为不同喷油嘴的头部结构差异使喷油嘴具有不同的喷油规律，从而影响到燃烧过程。海军工程大学对重型直喷式柴油机典型多次喷射方案进行了燃烧过程计算，通过与试验结果对比，对计算过程参数进行了修正。计算结果反映了不同喷油速率形状、喷射脉冲的油量分配比例和喷射脉冲间隔角对燃烧放热率的影响规律。

2.3.2 喷油定时

柴油机的燃烧过程存在一个着火延迟期，虽然这个时期很短，但是曲轴在这个时间内旋转角度的变化却很明显。如果喷油提角过小或者活塞到达上止点时才开始喷油，那么气缸内

的燃烧将在活塞向下止点运动与气缸体积逐渐增大的情况下进行，这样不仅最高压力会下降，热损失增加，而且后燃严重，机温增加，功率不足，启动困难，大大降低了柴油机的动力性和经济性；如果喷油提前角过大，着火延迟期会增长，而且燃烧在活塞到达上止点之前就已进行，导致气缸内压力增加速度很快，最高压力很高，活塞受到较大反压力，造成柴油机的工作粗暴，产生敲缸，单缸启动时，容易反转，动力性和经济性显著下降。

可见，喷油时间过早、过晚都会使柴油机的动力性和经济性降低，只有恰当的喷油时间才能保证气缸里适中的的压力升高速度和最高压力（活塞在上止点之后8°~10°时达到最高较好），进而使柴油机获得更佳的工作状态。

2.3.3 柴油机负荷

柴油机工作中，如果转速不变，充气量也不会变。但是，当负荷变化时，供油量将随之变化，过量空气系数也会改变，这将影响燃烧的完全性、及时性和放出热量的多少，从而影响柴油机的动力性和经济性。当柴油机负荷过小时，供油量很小，此时虽然空气流较大，但是燃烧放出的热量较少，整个工作循环的温度和机件温度较低，着火延迟期增长，不利于柴油机工作;当柴油机负荷过大时，供油量较多，过量空气系数较小，燃烧的持续时间增长，造成后燃严重，机温增加，柴油机的动力性和经济性下降。因此，柴油机不适宜长时间在负荷过大或负荷过小工况下工作，通常在中等负荷工况下工作较好。

军事交通学院应用柴油机工作过程可视化装置对柴油机在不同负荷下的混合气形成与燃烧过程进行了试验研究。研究结果表明:在小负荷时柴油机的混合气形成与燃烧过程表现为预混合多点同时压燃;在一定范围内，随喷油量的减少和喷油提前角的加大，柴油机着火滞燃期延长，有利于形成混合压燃。

2.3.4 柴油机转速

柴油机起动时，属于非稳态工况，燃烧属于不稳定、瞬变过程。随着柴油机转速的逐渐升高，压缩过程所经历的时间缩短，漏气损失和散热损失减少，压缩终了时的温度和压力升高，同时气体的涡流运动增强，使着火延迟时期缩短，燃烧比较迅速、安全。但转速过高或过低，都会降低充气系数，使燃烧条件恶化，导致柴油机动力性和经济性下降。因此，柴油机必须在额定转速下工作。天津大学在一台经过改装的单缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值基础燃料下发动机转速对均质压燃燃烧特性、工况范围和排放特性影响的试验研究。结果表明，发动机转速升高，不同辛烷值燃料着火燃烧时刻推迟。

3 结语：

以上所述是影响柴油机燃烧过程的主要因素。这些因素不是孤立的，它们是相互影响、相互联系的。决不可孤立地、静止地去看待它们。

燃烧过程是柴油机工作循环的核心，包括气流运动、传热、传质和化学反应等复杂的物理化学过程，直接影响着柴油机的动力性、经济性、噪声及排放性能。影响燃烧过程的因素很多，本文仅分析了柴油机温度和压缩比、燃烧室形状、柴油机负荷、柴油机转速、燃料性质、喷油定时、供油规律和喷雾质量等因素对柴油机燃烧过程的影响规律，为正常使用和维护柴油机以及进一步提高燃油经济性提供理论依据和指导。

参考文献：

[1] 王威张云飞关立哲. 柴油机燃烧过程的影响因素分析[M]. 军事交通学院

[2] 孙万臣解方喜刘忠长李国良. 燃料着火性对小型柴油机燃烧特性的影响[M]. 燃烧科学与技术，2009：134.