柴油机燃烧过程及优化控制方案

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：柴油机具有代表性的燃烧温度与热发生率如图6-40所示分为4阶段燃烧过程。柴油机的燃烧过程是从喷油器向高温、高压空气中喷射燃油，燃油受热蒸发并与周围空气相互扩散形成混合气开始。小型、中型发动机通常在此期间喷射的燃油到达燃烧室壁面并发生碰撞，此外，在喷油器附近初期喷射的燃油混合气开始着火，以此开始初期燃烧。分离式燃烧室发动机，利用销型喷油器调节初期燃油量，共轨式电控喷射系统通过预喷射控制初期的燃烧。

柴油机仅吸入空气并压缩为高温高压空气，并向燃烧室中喷射燃油，通过自发着火燃烧。柴油机的运行范围为空燃比18：1～80：1，以比稀薄燃烧汽油机（A/F=23：1）高的稀薄混合气状态下进行燃烧。

此外，燃烧是在燃烧室内空间上和时间上喷雾分布不均匀的条件下，即使在全负荷运行条件下，燃烧时间仅为40°～60℃A的很短时间内，进行的异常湍流扩散燃烧。柴油机具有代表性的燃烧温度与热发生率如图6-40所示分为4阶段燃烧过程。

柴油机的燃烧过程是从喷油器向高温、高压空气中喷射燃油，燃油受热蒸发并与周围空气相互扩散形成混合气开始。其后混合气达到自着火温度和适当的可燃范围混合比，就会在多个位置同时着火燃烧，压力会急剧上升。燃油喷射开始到着火为止的时间称为着火延迟（点火延迟、着火延迟期间）。

图6-40 柴油机的燃烧过程

柴油机的燃烧过程可以分为如下4个阶段。

①着火延迟期间（A—B）。

②初期燃烧期间（B—C）。

③主燃烧期间（C—D）。

④后燃期间（D—E）。

1.着火延迟期间

着火延迟期间是从燃油喷射开始到着火开始为止的时间，定义为物理性延迟期间和化学性延迟期间之和。物理性延迟期间是从喷射燃油到燃烧室内开始，液滴生成、蒸发形成混合气，并到达自着火温度为止的时间。混合气不是只要到达自着火温度就能立即着火，在此之前还有通过化学反应产生反应热，并发生连锁反应，以生成充分的活性基且产生火焰的化学性延迟期间。下面对燃油的蒸发过程和着火过程进行说明。

（1）喷雾的蒸发燃油的蒸发率会很大程度上支配燃烧特性。油滴的蒸发率虽然与周围空气的温度、压力和油滴与空气之间的相对速度有很大的关系，但遵循油滴直径随时间成比例减小的d²定律。根据单个油滴（正癸烷）在30℃（303K）大气压下的蒸发相关研究结果，初期粒径和周围空气温度对蒸发率的影响如图6-41所示。从图中可以得知，液滴的粒径越小，周围空气温度越高，蒸发率就会急增。

图6-41 对液滴蒸发率的影响（T₀=303K，d₀=100μm）

另外，实用发动机因燃烧室的大小受到制约，燃油喷雾与燃烧室壁面的碰撞时常发生，因此也应分析壁面上油滴的蒸发。为了促进燃油喷雾的蒸发，提高壁面温度和空气温度是很有效的方法。

（2）着火油滴加热蒸发，与周围的空气混合形成可燃的混合气，经过化学性着火延迟期间，在反应最快的部分发生自着火。支配化学性着火延迟期间的主要因素有燃油着火性、环境温度和压力等。这表示当燃油的着火性（十六烷值）相同时，温度和压力为支配着火延迟的主要因素，因此通过增加压缩比、进气预热、增压、燃烧室的绝热等，可以缩短着火延迟期间。

图6-42所示为在一定容积内周围温度和压力对着火延迟的影响。从图中可以看出，两个实验均在温度为700～750K以下低温状态下，着火延迟由化学性延迟期间支配，并且对温度的依赖性较强。但是，在高温状态下，混合气形成所需时间，即物理性延迟期间支配着火延迟，对温度的依赖性减弱。

化学性着火延迟期间计算为

τ=Ap^-Bexp（C/T）（6.14）

式中，τ_i为着火延迟；p为压力；T为温度；A、B、C为常数。

直喷式发动机的着火延迟期间一般为1～1.5ms。小型、中型发动机通常在此期间喷射的燃油到达燃烧室壁面并发生碰撞，此外，在喷油器附近初期喷射的燃油混合气开始着火，以此开始初期燃烧。着火延迟主要影响因素有喷射时期和负荷条件。随冷却液温度和十六烷值的变化，喷射时间、负荷条件与着火延迟之间的关系如图6-43所示。

①喷射时间。着火为化学反应，因此温度的影响远远大于压力的影响。如图6-43a所示，在温度高的上止点附近进行燃油喷射时，着火延迟期间会很短。

图6-42 周围温度、压力与着火延迟之间的关系

图6-43 燃油喷射时间、负荷条件与着火延迟之间的关系

②负荷条件。负荷增大时，空气充量系数λ增加，气缸壁面温度（或冷却液温度）和残留废气温度上升，因此着火延迟时间缩短，如图6-43b所示。

2.初期燃烧期间

初期燃烧期间（或预混合燃烧期间、爆发燃烧期间）是混合气从自着火生成火焰核开始到着火延迟期间中喷射的燃油开始爆发（燃烧）为止的期间。此期间的火焰为无光焰或半发光火焰，进行预混合性燃烧，压力上升率高，成为产生噪声的原因。另外，因为热发生率高，所以温度高，导致NO_x生成量高。因此，根据着火延迟期间的长短，初期燃烧期间所燃烧的燃油量会发生变化，燃烧特性也发生变化。

图6-44所示为通过急速压缩装置模拟柴油燃烧的试验结果，即着火延迟期间中随空气温度变化的压力上升率。从图中可以看出，空气温度越低，着火延迟期间就会越长，因而在初期燃烧期间的压力上升率dp/dt显著提高。如果在初期燃烧期间的压力上升率高，不仅产生很大的柴油爆燃音（噪声），还会增加NO_x的生成量。尤其在这期间燃油不能进行热分解和向周围空气中扩散，会生成大量的炭烟。此炭烟虽然在主燃烧期间大部分会燃烧，但剩余的炭烟会以颗粒形态随尾气排放。

分离式燃烧室发动机，利用销型喷油器调节初期燃油量，共轨式电控喷射系统通过预喷射控制初期的燃烧。

3.主燃烧期间

主燃烧期间是在初期燃烧结束后喷射的燃油进行燃烧的期间，也称为控制燃烧期间（或扩散燃烧期间）。在主燃烧期间，火焰全部被激烈的光焰包围。此时火焰领域的温度很高，尤其混合气处于燃油过浓的状态，表现为空气进入火焰和混合速度支配燃烧的典型的湍流扩散火焰状态。这是因为虽然在喷雾内理论混合比附近进行燃烧，但其内部处于燃油过浓和氧气不足的状态，因此其燃烧特性受到空气与燃油的相互扩散速度（混合速度）支配。如果在氧气不足的状态进行燃烧，因不完全燃烧会生成大量的炭烟。柴油机中燃油消耗率与排气炭烟的改善，最重要的是在主燃烧期间提高空气利用率。近来开发应用高增压和高压喷射，促进空气进入喷雾，以降低炭烟的生成量，提高燃油效率。

图6-44 空气温度与压力上升率

4.后燃期间

后燃期间是从喷射结束后开始到燃烧完全结束为止的期间，在初期燃烧期间和主燃烧期间所生成的炭烟，在做功过程期间（后燃期间）通过逆挤压的与新气的接触等大部分会被燃烧。此期间为喷射结束后曲轴角度20°～30℃A，火焰内的比当量虽然平均处于空气过盈状态，但火焰的移动会很平稳，会存在不均匀的比较大规模的火焰，并且火焰内的已燃气体浓度高，因此热发生率会降低。

炭烟在后燃期间充分利用空气的流动可以大幅度降低其排放量。尤其在新式的直喷式发动机中设计延迟了燃油喷射时间，因此在做功过程中的燃烧成为重要的环节。在共轨式燃油系统中，实施主喷射之后再喷射少量燃油的后喷射，以进一步燃烧掉炭烟，从而改善燃烧过程。

上述所有的过程依次进行，并且先行过程会影响后续过程，尤其着火延迟会对主燃烧过程带来很大的影响。

柴油机燃烧过程及优化控制方案

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