新聞主題	康明斯柴油發(fā)電機(jī)混合氣的形成方式

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)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(fā)混合方式兩種。而實(shí)際發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)上混合氣形成的特點(diǎn)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(fā)，而且柴油發(fā)電機(jī)的混合氣形成時(shí)間相對(duì)汽油機(jī)非常短。因此，混合氣形成的條件和方式對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃燒過程至關(guān)重要。

 

一、混合氣燃燒與形成過程

 

1、燃燒方式

      柴油機(jī)以油滴擴(kuò)散形式燃燒，燃燒過程如圖1所示。柴油機(jī)是在壓縮過程中活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，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(gè)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(dāng)，混合氣的濃度要在著火界限之內(nèi)。

2、柴油機(jī)混合氣的形成

      柴油機(jī)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(jī)混合氣形成靠三方面的相互作用，一是燃燒室的結(jié)構(gòu)，二是燃料的油霧狀態(tài)，三是缸內(nèi)適當(dāng)?shù)目諝膺\(yùn)動(dòng)。

（2）混合氣形成特點(diǎn)是在缸內(nèi)形成、形成時(shí)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(shí)。

表1    柴油機(jī)混合氣形成方式和過程

 

3、柴油機(jī)對(duì)混合氣的要求

      柴油發(fā)電機(jī)的混合比的量與質(zhì)都必須適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況的要求，小負(fù)荷要求稍濃的混合氣，中負(fù)荷要求稍稀的混合氣，大負(fù)荷要求稍濃的混合器，全負(fù)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(dāng)?shù)牟裼土?/span>

      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(chǎn)生化學(xué)作用的結(jié)果，空氣與柴油是放熱的兩個(gè)重要因素?？諝馀c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(fèi)。

（2）噴油時(shí)刻要準(zhǔn)確，混合氣形成的規(guī)律應(yīng)合適

      氣缸中燃燒過程的主要放熱階段應(yīng)該是上止點(diǎn)稍后，熱效率高，熱損失小，所以要求噴油時(shí)刻要準(zhǔn)確。噴油過早過晚都不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。噴油時(shí)刻通常用曲軸距活塞到達(dá)上止點(diǎn)的轉(zhuǎn)角表示，稱為噴油提前角。

（3）噴油質(zhì)量應(yīng)與燃燒室形狀相適應(yīng)，形成均勻的混合氣。

（4）氣流的攪動(dòng)與燃料的性能

      燃燒室的形狀，切向進(jìn)氣，形成渦流，有利于混合，柴油的十六烷值高，自燃點(diǎn)低，滯燃期短。為改善混合氣的形成和燃燒，宜采用強(qiáng)渦流螺旋進(jìn)氣道，在進(jìn)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(jī)燃燒過程

圖2  影響柴油機(jī)混合氣形成的因素

 

二、空間霧化混合方式的條件和優(yōu)點(diǎn)

 

      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(qiáng)制霧化，并利用燃油相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)方式形成混合氣。所以，燃油與空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是影響混合氣形成的主要因素。相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(xì)小，混合氣越均勻。影響燃油與空氣的相對(duì)速度的主要因素有噴霧特性和燃燒室內(nèi)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(dāng)?shù)娜紵覂?nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，是提高燃油與空氣之間相對(duì)速度的有效途徑；同時(shí)，提高空氣密度和溫度，不僅可改善燃油和空氣的相對(duì)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(fā)，促進(jìn)混合氣的形成。

1、進(jìn)氣渦流

      進(jìn)氣渦流的作用是利用弱渦流切向進(jìn)氣道或強(qiáng)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旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使用弱渦流切向進(jìn)氣道或強(qiáng)渦流螺旋進(jìn)氣道，在進(jìn)氣行程中形成繞氣缸中心高速旋轉(zhuǎn)的氣流。進(jìn)氣渦流會(huì)引起進(jìn)氣阻力加大。

      進(jìn)氣渦流靠切向進(jìn)氣道和螺旋進(jìn)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(jìn)氣道的氣道母線與氣缸相切，氣流進(jìn)入氣缸后形成渦流。

（2）如圖3（b）所示。螺旋進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

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(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)在上止點(diǎn)附近，持續(xù)時(shí)間短。轉(zhuǎn)速越高渦流越強(qiáng)，對(duì)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(jìn)氣渦流或渦流不強(qiáng)時(shí)的擠流。

（2）進(jìn)氣渦流強(qiáng)時(shí)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(jìn)混合。為了更有效地利用燃燒室內(nèi)的空氣，空間霧化混合方式需要噴注與燃燒室空間進(jìn)行優(yōu)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(shí)間，取決于霧化速率和燃油與空氣之間的相對(duì)速度。當(dāng)噴霧條件和燃燒室內(nèi)氣流狀態(tài)一定時(shí)，這種方式的混合氣形成條件就確定了。

      傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性好，易起動(dòng)，但是由于燃燒室內(nèi)氣流的組織方式不得當(dāng)，對(duì)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性差，而且噴射壓力有限（18～24MPa），因此混合氣形成速度相對(duì)緩慢，不能適應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速。同時(shí)，這種空間霧化混合方式，在著火延遲期內(nèi)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(fā)電機(jī)工作粗暴，NOx排放高，因而已被淘汰。但是，上述高壓共軌等時(shí)間控制式噴射系統(tǒng)，由于噴射壓力很高，所以燃油霧化迅速，結(jié)合燃燒室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的組織可以控制噴油規(guī)律，而且有效地縮短了混合氣的形成時(shí)間，提高了現(xiàn)代直噴式燃燒室對(duì)高轉(zhuǎn)速的適應(yīng)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(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)上得以繼續(xù)發(fā)展，能充分發(fā)揮直噴柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。

 

圖3  燃燒室產(chǎn)生渦流的進(jìn)氣道

圖4  柴油機(jī)傳統(tǒng)直噴式燃燒室

 

三、油膜蒸發(fā)混合方式的條件和優(yōu)點(diǎn)

 

      油膜蒸發(fā)混合方式是燃燒室內(nèi)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(fā)，配合燃燒室內(nèi)定向流動(dòng)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(fā)速度、燃燒室內(nèi)空氣相對(duì)油膜的運(yùn)動(dòng)速度和油膜的厚度。油膜的蒸發(fā)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(xiàn)象越嚴(yán)重。而相對(duì)油膜的空氣運(yùn)動(dòng)一般都是專門組織的渦流，這種渦流強(qiáng)度隨柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)。因此，這種混合氣的形成方式對(duì)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性好。

      傳統(tǒng)分隔式燃燒室工作原理如圖2所示，有渦流室式和預(yù)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(diǎn)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(fā)的形式配合空氣流動(dòng)而形成混合氣。分隔式燃燒室將燃燒室分為設(shè)在活塞頂上的主燃燒室和設(shè)在氣缸蓋上的副燃燒室。對(duì)渦流室式，將副燃燒室設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。在壓縮過程中，缸內(nèi)的空氣經(jīng)通道進(jìn)入渦流室，在通道的導(dǎo)向作用下，隨壓縮行程在渦流室內(nèi)形成強(qiáng)烈的壓縮渦流，不斷將空氣送往油膜處，與油膜表面蒸發(fā)的燃料形成混合氣。為了可靠著火，噴油器噴射時(shí)使小部分燃料空間霧化，使得渦流室內(nèi)的局部地方首先著火。著火后渦流室內(nèi)的壓力和溫度迅速升高，使得已燃?xì)怏w、未燃的燃料和空氣一起經(jīng)通道高速噴入主燃燒室內(nèi)，形成強(qiáng)烈的二次渦流，促進(jìn)主燃燒室內(nèi)混合氣的形成和燃燒。這種渦流室式燃燒室，在渦流室內(nèi)混合氣的形成方式是以油膜蒸發(fā)為主，加上部分空間霧化，而在主燃燒室內(nèi)是通過二次渦流以擴(kuò)散方式進(jìn)行混合燃燒的。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，渦流室內(nèi)的壓縮渦流隨之加強(qiáng)，改善了混合條件，所以這種混合氣形成方式的特點(diǎn)就是對(duì)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性好。

2、預(yù)燃式燃燒室

       預(yù)燃式燃燒室結(jié)構(gòu)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(nèi)的氣流經(jīng)通孔進(jìn)入到預(yù)燃室內(nèi)形成強(qiáng)烈的湍流。噴油器采用軸針式沿預(yù)燃室中心向底部噴射，此時(shí)部分燃油在空間霧化混合，而噴注的大部分噴向預(yù)燃室底部形成油膜。在預(yù)燃室空間形成的可燃混合氣首先著火燃燒后，將預(yù)燃室內(nèi)的燃?xì)夂臀慈細(xì)怏w一起噴入主燃燒室，在主燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)烈的燃燒渦流，促進(jìn)主燃燒室內(nèi)未燃燃油迅速混合燃燒。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)的湍流強(qiáng)度隨之加強(qiáng)，更容易形成混合氣，所以其混合氣形成對(duì)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性也較好。

      與傳統(tǒng)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(shí)對(duì)噴霧的要求低，工作粗暴程度和NOx排放低，而且成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱面積大，而且主、副燃燒室之間的通道節(jié)流損失大，所以熱效率低，冷起動(dòng)性差。為了保證冷起動(dòng)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(tǒng)的直噴式和分隔式燃燒室曾分別在中重型柴油發(fā)電機(jī)和輕型高速柴油發(fā)電機(jī)上廣泛得到應(yīng)用，但隨著節(jié)能和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)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(tǒng)分隔式燃燒室工作原理圖

圖6  柴油機(jī)分隔式燃燒室類型和結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      綜上所述，由于柴油的蒸發(fā)性和流動(dòng)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(jī)的混合氣只能在氣缸內(nèi)部形成，即在接近壓縮行程終點(diǎn)時(shí)，通過噴油器把柴油噴入氣缸內(nèi)。柴油油滴在熾熱的空氣中受熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散，并與空氣混合形成可燃混合氣，最終自行發(fā)火燃燒。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)混合氣形成的時(shí)間極短，只占15°~35°曲軸轉(zhuǎn)角。

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