| 单词 | 柴油机供油与燃烧 |
| 释义 | 【柴油机供油与燃烧】 拼译：injected fule and combustion in diesel engine 到目前为止，柴油机是热效率最高的热力发动机，有效热效率已达52%，所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的90%。但其污染环境严重。越来越严格的排放法规和激烈的市场竞争，强烈地推动柴油机供油与燃烧研究的发展。近年来，国内外对柴油机的研究一直向着降低燃油耗率、改善排放、提高比功率和可靠性的目标进展，采用了强化喷油、改进燃烧、提高增压、电控与诊断技术等措施。通过改变喷油系统，实现高喷射压力(达140～150MPa)，改善了燃油雾化，缩短了燃烧期。采用高增压度、高效率的增压匹配系统，提高单级压气机压比为4～5，使最大爆压高达15～17．5MPa，提高了热效率和平均有效压力(Pe=2．0～2．5MPa)。实行电控系统，随负荷和转速变化可改变喷油定时和喷油率，可变涡流和气门正时，可变喷嘴环面积，改善部分负荷经济性和低速的稳定性。目前重型车用柴油机最低油耗率已达190g／kW．h，排放中的NOx为6～8g／kW·h，达到经济性和排放都较好的综合性能。 1895年德国狄赛尔(Diesel)成功地制造了一台4冲程发动机，燃油靠高压空气喷入气缸，当时发动机的指示热效率为35%。以后的柴油机在研制方面的许多进展，在很大程度上取决于燃油喷射技术的提高。1927年德国波许(Bosch)公司成功地研制成机械喷射的柱塞式高压油泵，由泵油柱塞定行程，溢流孔调节的泵控制供油系统，并获得了广泛的应用，该供油系由滤清器、输油泵、带调速器的柱塞式高压油泵和喷油器组成。近些年来，由于柴油机不断强化和高速化，因此对喷油泵提出了新的要求，出现泵－嘴喷油系统、分配式喷油泵、P型喷油泵及美国寇明斯(Cummins)公司的P-T喷油泵系统。现代直喷式柴油机普遍采用柱塞式高压燃油泵，其供油规律对柴油机的性能有重要影响。增大柱塞直径和供油凸轮的最大升程，可提高喷油速率和循环喷油量。采用高速小冲击的函数凸轮(或谐波凸轮)，及大基圆直径的凸轮，可保持高速段供油，缩短喷油持续角。由于高压喷射，使凸轮表面接触应力增加，采用加宽滚轮和凸轮表面的接触长度，可减轻接触应力。在高强化喷油泵中，采用鼓形凸轮可降低滚轮两端的接触应力。提高其接触表面的光洁度，可使凸轮接触应力极限增大10%。喷油泵中出油阀的减压能力、流通特性和运动特性影响柴油机的工作过程，现在普遍应用容积减压式出油阀。采用等压出油阀对避免高压系在高速时压力波过分增强，消除二次喷射和防止油管穴蚀是有效的。减小柱塞内高压腔的容积和出油阀腔的容积，减小高压油管长度，适当减小油管内径，使液力效率增大，提高喷油压力，改进雾化。增强泵体的刚度，可把出油阀座与柱塞套茼做成一体，减小泵体因高压引起的弹性变形。为适应高压喷射的工作条件，用压力滑油润滑柱塞和凸轮取代传统的飞溅润滑。直喷式柴油机大多数采用闭式多孔喷油嘴。其喷雾特性对柴油机的燃烧过程和性能参数有着决定性的影响。衡量油束雾化质量的指标是油束的贯穿距离、锥角、油粒的大小和均匀度。喷雾贯穿距离和锥角决定喷雾的体积，即决定空气卷吸率的大小；油粒的尺寸、分布及其蒸发率是控制混合气形成和燃烧率的重要因素。用现代测试手段对喷孔直径、喷油压力、空气背压、燃油粘度和表面张力等因素对油粒尺寸和分布的影响进行研究有：采用高速摄影和频闪照相在高压容器里能准确地测取油束的贯穿距离和锥角；近年来应用显微照相、激光全息、激光衍射来测取油粒的粒度；用双曝光、双脉冲激光全息干涉呈像再现及摄像处理技术来求取油粒的瞬态分布特性。喷孔总流通面积随单位时间内活塞平均排量和平均有效压力增大而增加，与每循环最大喷油量成正比，与喷嘴中的流速成反比，因此其总流通面积应与喷油速率、喷油持续时间和供油系统中机械负荷结合起来考虑。喷孔面积确定后，孔径、孔数、喷孔长径比及喷孔夹角对柴油机的工作过程有重要影响，喷孔设计取决于燃烧室形状、气流运动和混合气形成方式。小型高速直喷式柴油机中，直口或缩口深皿型燃烧室，组织较强进气涡流，采用喷孔孔数少(4～5孔)，孔径在0．3～0．32mm左右的喷嘴；大中型直喷式柴油机中，敞口浅W型燃烧室，弱或无涡流，采用孔数多(7～10孔)，孔径较小(0．25～0．35mm)的油嘴。一般喷孔夹角为150～155°，孔长径比l／dc≥4为佳。近年来采用高喷射压力，为使燃油周向分布均匀．有向着增加孔数，减少孔径方向发展的趋势。减少蓄压腔和压力室的容积。蓄压腔容积越小，针阀落座越迅速，也有利于喷射压力的提高。减小压力室容积能降低燃油消耗率和排气中的未燃碳氢排放，目前有采用无压力室喷油嘴的发展趋势。低惯性喷油嘴取消往复运动的推杆将弹簧下置，减少运动部件的惯性，提高针阀开启和关闭的速度，有利于提高喷油嘴的使用寿命和防止二次喷射。为保证雾化的质量，防止二次喷射和燃气回窜，必须有相当高的针阀开启压力，一般为21～30MPa。当开启压力提高后，喷射压力增大。采用喷嘴开启压力可变的喷油器，低负荷自动调高开启压力，可提高低负荷时的经济性。为使燃油喷射在整个负荷和转速范围内都得到精确的控制，以接近理想的喷油速率曲线；为能自由地同步地调节喷油量，控制喷油定时和喷油持续角，可由电子控制及微机控制喷油系统。它由液压动力装置、比例电磁阀、电磁阀、压力、针阀升程，转速传感器，喷油泵，喷油嘴等组成，可在设定范围内自由调节喷油始点、喷油持续时间及喷油压力等，这会使燃烧持续期缩短，燃烧放热率合理，保证柴油机具有良好的性能。机械控制喷油系统，由动力源、比例阀、可控制的机械定时装置、机械控制阀、伺服活塞，喷油泵和喷油嘴等组成，能控制喷油定时、油管压力、喷油嘴开启压力和喷油持续时间。直喷式燃烧系统具有结构简单、油耗率低(15%～20%)、起动性能好等优点而越来越被广泛采用。国外一些著名的内燃机研究机构，如里卡多公司、李斯特研究所等近年来都侧重直喷式燃烧系统的研究。20世纪50年代以前，直喷式柴油机中一直采用燃油空间雾化混合的燃烧系统，油束前缘刚刚达到室壁而尽量避免碰壁。50年代中期，由茅瑞尔(Meurer)提出油膜蒸发的燃烧方式即M过程，它是切向朝球型燃烧室壁面喷射单油束，靠强进气涡流在壁面形成油膜。在60年代以后，国内外又相继提出新型空间－油膜燃烧方式、有回转双曲面型燃烧室的H过程，斜式圆筒形燃烧室的D过程，中国X105杯形复合燃烧和浅W型的油膜－雾化燃烧方式，最近日本加藤聪等提出直喷式撞击扩散、分层进气式(OSKA方式)，村上正等提出燃烧扰动室(CCD方式)，中国的预混合燃烧方式及伞形喷射燃烧系统。直喷式燃烧系统，按燃烧室形态分为开式浅皿型和半开式深坑型燃烧室，按气缸内气流运动情况分为无涡流、弱涡流和强涡流。前者用于缸径较大的中低速大功率柴油机上，后者则在小缸径的小型高速柴油机上广泛应用。在直喷式柴油机中燃油与空气的混合速率，主要取决于油束动能和空气运动的能量，以及适当的燃烧室形状的配合。提高喷油速率或增加空气运动的能量，都可以达到加速油气混合的目的。大功率四冲程、中高速柴油机中采用无进气旋流的燃烧室，燃油与空气的混合主要靠高压燃油喷射提供的燃油贯穿动量，配以喷孔数目增多的喷油嘴与相应的敞口浅W型燃烧室，高速喷束在燃烧室空间运动中卷吸周围空气来实现良好雾化和加速均匀混合。而在中小型高速柴油机中，较注重空气涡流的能量，减少对喷油系统的苛刻要求。在有空气流动的燃烧室中，除了绕气缸中心旋转的涡流外，微涡流对改善燃烧起较大作用。日本五十铃四角形燃烧室、日野微混合燃烧系统(HMMS)、小松的微涡流燃烧室(MTCC)及英国的泼金斯挤流口燃烧室等，都是利用角和凹坑等不同几何形状的空间组合产生二次扰动，促使燃油与空气的良好混合，提高扩散燃烧速率。这类燃烧室经济性及动力性好，而且有害排放也较少，尤其NOx减少显著。用激光多普勒测速仪(LDV)可以精确而瞬时地测定燃烧室内宽广范围的流速，用二维和三维流动模型计算缸内的气体流动场。直喷式柴油机的燃烧包括预混合燃烧(动力燃烧)和扩散燃烧。为使柴油机工作柔和，减少NOx排放，通常要求缩短滞燃期，控制滞燃期内形成的可燃混合气量，以及延迟喷油的方法，因此，主要是扩散燃烧为主。近年来对实现预混合燃烧越来越引起人们的重视，采用提早喷油，射油期短、滞燃期长，控制着火晚在上止点附近，消除上止点前作负功的第Ⅰ段放热和后期燃烧热效率低的第Ⅲ段放热，突出第Ⅱ段有效等腰三角形放热，燃烧期短。随着光电检测技术、微电子控制技术及计算技术的发展，近20年来有关燃烧检测技术有了很大的发展。燃烧火焰的形成及其传播，对柴油机的动力性能、经济性能、排放及工作稳定性有很大影响。研究火焰结构的手段采用定容燃烧器、快速压缩装置及燃烧室可视化的照相单缸机。用高速摄影系统拍摄到的燃烧过程图象可形象地观察到火焰的产生与扩展过程。用高速纹影摄影可以分析缸内工质的浓度分布及其温度梯度。用实时全息相干摄影不仅分析喷射过程、油粒分布，还可分析燃烧过程。在进行高速摄影时，也可同时进行缸内气体采样，分析工质的组成，以便定量地研究火焰的微观结构，在燃烧诊断中实现微机自动控制。燃烧测试技术的发展，对燃烧的数字模拟的提高起了推动作用，燃烧过程的模拟计算有零维模型、一维模型及多维模型。对多维模型除有时间变量外，相应的还有空间变量，考虑燃烧室中工质的成分、温度及流动速度等三维结构，相应的方法为偏微分方程。燃烧模型可以用来解释燃烧现象，预测柴油机性能和放热率，并为其参数优化提供决策。现代柴油机的燃烧研究将沿着提高燃烧速度、缩短燃烧持续期、向着优化燃烧系统总体性能方向发展，改进供油系统，实现高压燃油喷射，对喷油速率和油束形态的控制及喷油正时电控。研制新型燃烧室，在气流运动、燃油均匀分布、改善空气利用率和混合速率、提高热效率和增加高速适应性方面发挥潜力。着眼于燃烧方式改进、循环效率的提高，尽量接近等容加热，实行近似等压燃烧，以及控制燃烧初期的急剧放热，达到近似等压燃烧，控制燃烧初期的急剧放热，达到近似理想的放热率曲线。在延迟喷油定时的情况下，缩短油持续角和燃烧持续期。通过改善压缩比，提高增压技术，采用绝热燃烧室等措施控制最佳滞燃期。当前，减少发动机的机械损失和热损失的研究已成为提高效率的重要手段。车用柴油机的涡轮增压强化是提高比功率，改善经济性和降低排放的有效措施，随着微型超高速、高效率的涡轮增压器的发展，高速全浮动轴承性能及耐高温涡轮材料强度的不断提高，小型柴油机增压也势在必行。开展宽馏程燃料和代用燃料的研究，小型高速直喷式柴油机也能燃用多种燃料和劣质燃料。电子计算机数值计算方法的应用、燃烧数学模拟的发展、燃烧诊断检测技术的提高，将大大地加快改进和研制新型直喷式柴油机的进程。优化电控和优化设计(CAD)可靠性的估评将成为柴油机的一个新的研究领域。【参考文献】：1 Robert N Brady．Diesel Fuel Systems，Reston，Virginia，1981．1～562 史绍熙，苏万华．内燃机学报，1990，8(2)∶95～1033 何学良，李疏松．内燃机燃烧学．北京：机械工业出版社，1990．147～3174 华觉源．车用发动机．1991，(5)∶1～45 魏长远．内燃机燃烧与排放控制．北京：中国铁道出版社，1992．23～69(大连理工大学内燃机研究所许锋副教授撰；张久成审) |
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