描述柴油发动机的工作过程,柴油发动机是如何运作的

柴油机的燃烧

摘要：在柴油发动机中，燃料在压缩冲程接近尾声时喷入发动机气缸。在称为点火延迟的阶段，燃料喷雾雾化成小液滴，蒸发并与空气混合。随着活塞继续靠近上止点，混合物温度达到燃料的点火温度，导致一些预混合的燃料和空气着火。未参与预混合燃烧的剩余燃料在速率控制燃烧阶段被消耗。

• 燃烧过程的组成部分
• DI 发动机的热释放率
• 柴油燃烧的三个阶段
• 概念柴油燃烧模型
• 燃烧产生的噪音

柴油发动机的燃烧非常复杂，直到 1990 年代，其详细的机理还没有被很好地理解。几十年来，尽管有现代工具可用，例如用于“透明”发动机的高速摄影仪器、当代计算机的计算能力以及许多旨在模拟柴油燃烧的数学模型，但似乎它的复杂性一直吸引着研究人员试图解开其中秘密。在 1990 年代将激光片材成像应用于传统柴油燃烧过程是大大增加对该过程理解的关键。

本文将回顾传统 柴油发动机最成熟的燃烧模型。这种“传统”柴油燃烧主要是控制混合燃烧，可能由于着火前燃料和空气的混合而发生一些预混合燃烧。这与试图主动增加发生的预混燃烧比例的燃烧策略不同——例如低温燃烧。

柴油燃烧的基本前提是以其独特的方式释放储存在燃料中的化学能。要执行此过程，必须以特定方式使燃料可利用氧气以促进燃烧。这个过程最重要的方面之一是燃料和空气的混合，这通常被称为混合物制备。

在柴油发动机中，燃料通常在压缩冲程结束时喷射到发动机气缸中，即上止点前几度曲柄转角。 液体燃料通常作为一股或多股射流以高速喷射通过喷射器端部的小孔或喷嘴。它雾化成小液滴并进入燃烧室。雾化燃料从周围加热的压缩空气中吸收热量，蒸发并与周围的高温高压空气混合。随着活塞继续靠近上止点 (TDC)，混合物（主要是空气）温度达到燃料的着火温度。一些预混合燃料和空气的快速着火发生在着火延迟期之后。这种快速着火被认为是燃烧的开始（也是着火延迟期的结束），并且随着混合物的燃烧发生，气缸压力急剧增加。预混燃烧导致的压力增加会压缩和加热混合气中的未燃烧部分，并缩短其着火前的延迟。它还增加了剩余燃料的蒸发率。雾化、汽化、燃料蒸汽-空气混合和燃烧继续进行，直到喷射的所有燃料都燃烧完。

柴油燃烧的整体特点是空燃比大（A/F），属于稀薄燃烧。最低平均 A/F 比通常出现在峰值扭矩下。为了避免过多的碳烟形成，峰值扭矩下的 A/F 比通常保持在 25:1 以上，远高于约 14.4:1 的化学计量（理论）当量比。在涡轮增压柴油发动机中，怠速时的空燃比可能超过 160:1。因此，燃料燃烧后气缸中存在的过量空气在整个燃烧和膨胀过程中继续与燃烧和已经燃烧的气体混合。在排气门打开时，多余的空气与燃烧产物一起被排出，这解释了柴油废气的氧化特性。虽然在汽化的燃油与空气混合后发生燃烧，形成局部丰富可燃的混合物，并达到适当的着火温度，整体空燃比稀。换言之，即进入柴油发动机气缸的大部分空气被压缩和加热，但从不参与燃烧过程。过量空气中的氧气有助于氧化废气中的气态碳氢化合物和一氧化碳，将它们降低到极低浓度。

以下因素在柴油燃烧过程中起主要作用：

• 吸入的增压空气、温度和它在几个维度上的动能（可以理解为气流组织的涡流、滚流效果）。
• 喷射燃油 的雾化、喷雾渗透、温度和化学特性。

虽然这两个因素是最重要的，但还有其他参数可能会显著影响它们，因此在燃烧过程中起着次要但仍然重要的作用。例如：

• 进气口设计，对增压空气的运动（尤其是当它进入气缸时）以及最终在燃烧室中的混合率有很大的影响。进气口设计也可能影响增压空气温度。这可以通过从水套通过进气口表面区域到增压空气的热传递来实现。
• 进气门尺寸，它控制在有限时间内吸入气缸的空气总量。
• 压缩比，它影响燃油的汽化，从而影响混合率和燃烧质量。
• 喷射压力，它控制给定喷嘴孔尺寸的喷射持续时间。
• 喷嘴孔几何形状（长度/直径），它控制喷雾渗透和雾化。
• 喷射几何特性，通过空气利用率直接影响燃烧质量。例如，较大的喷射锥角可能会将燃油喷射在活塞顶部，导致燃油未进入活塞的碗形燃烧室内。这种情况会导致过多的碳烟（不完全燃烧），因为燃油无法接触到燃烧碗（室）中可用的空气。宽的喷射锥角还可能导致燃油喷在气缸壁上，而不是喷在碗型燃烧室内。喷在气缸壁上的燃油最终会被活塞环向下刮到油底壳，从而缩短润滑油的使用寿命。由于喷射角是影响喷射出口附近燃油和空气混合速率的变量之一，因此它会对整个燃烧过程产生重大影响。
• 气门结构，用于控制喷油器位置。双气门系统迫使喷射器位置倾斜，这意味着不均匀的喷射布置会导致燃料/空气混合受损。另一方面，四气门设计允许垂直喷油器安装、对称的燃油喷雾布置以及每个燃油喷雾可以均等地获取可用的空气。
• 顶部活塞环位置，它控制活塞火力岸（顶部活塞环槽和活塞顶顶部之间的区域）和缸套之间的死区。这个死区/体积捕获在压缩冲程期间被压缩的空气并在不参与燃烧过程的情况下膨胀。

因此，重要的是要认识到柴油发动机的燃烧系统不限于燃烧室、喷油器喷射及其周围环境。相反，它包括可能影响燃烧过程最终结果的任何部件、组件或系统。

2.1燃料成分

在不深入了解燃烧过程细节的情况下，可以通过考虑诸如燃料（C x H y O z）和空气（主要是氮和氧）等反应物在适当的环境中相互反应来达到质量守恒的简化表达式，并且产生如下废气成分：

C x H y O z aO 2 3.76aN 2 → bCO 2 cCO dH 2 O eOH 2 fH 2 g(HC) hNO iHCHO jNH 3 kN 2 pO 2 (1)

等式 (1) 的左侧表示燃料 (C x H y O z ) 与空气（20.99% 氧气和 79.01% 氮气）反应。对于碳氢燃料，z=0。大多数废气种类是CO 2、H 2 O 和N 2，以及稀燃发动机中的过量O 2。事实上，这些物质通常占发动机排气的 99% 以上，仅剩下不到 1% 的其他物质，主要是不受欢迎的排放物种类。

考虑柴油燃料的例子。以下计算基于柴油燃料的分子量（摩尔）为 191（根据万国油品公司375-86方法）。由于 z=0，碳的分子质量为 12.0111，氢的分子质量为 1.00797，柴油燃料的碳氢化合物名称可确定如下：

12.0111x 1.00797y = 191 (2)

根据实际燃料分析，每公斤柴油含有 0.8616 公斤碳或：

0.8616 kg C / 12.0111 = 0.07173 kmol C (3)

相似地

0.1251 kg H / 1.00797 = 0.12411 kmol H (4)

从等式（3）和等式（4），氢碳比

x/y = H/C = 0.12411 / 0.07173 (5)

通过求解方程（2）和方程（5），我们可以定义柴油燃料为 C 13.883 H 24.053。由于柴油燃料是不同成分的碳氢化合物的混合物，因此在实际样品中会看到上述碳和氢名称的某些可变性。这种分析也可以扩展到汽油和其他燃料。

2.2 燃烧中的化学计量比

在上述示例中确定了柴油燃料的成分后，计算其化学计量比相对简单。根据定义，化学计量比是空气与燃料的比率，当完全燃烧时，只会产生 CO 2、H 2 O 和 N 2。它有时被称为化学上正确的比率。将此定义应用于上一节中的柴油燃料会产生以下结果：

C 13.883 H 24.053 94.744[0.21 O 2 0.79 N 2 ] → 13.883 CO 2 12.026 H 2 O 74.848 N 2 (6)

根据等式 (6)，摩尔 A/F 比为 94.744 kmol 空气/kmol 燃料。在质量基础上，A/F 比可以计算如下：

[94.744 kmol 空气/kmol 燃料] × [28.97 kg 空气/kmol 空气] × [kmol 燃料/191 kg 燃料] = 14.37 kg 空气/kg 燃料 (7)

许多研究人员研究了气缸压力轨迹以确定热释放率。为此，通常会分析基于开式燃烧室（透明）柴油发动机中获得的压力轨迹。图 1 显示了净热释放率 (Qn )与气缸压力 (p) 和燃油喷射速率 ( mfi )的示例。热释放率的最初急剧上升是由于燃烧了燃料的预混部分。在点火延迟 (ID) 期间，来自喷射燃油的蒸发形成富含燃油的空气混合物，首先在喷嘴周边，然后在燃油喷射的尖端。燃料液滴的完全蒸发是很快的，并且发生的时间比 ID 短得多。喷射开始后，大约提前 20°TDC 时的负热释放主要是由于喷射到热空气中的液体燃油到气态蒸发吸热导致。

图 1 放热率、气缸压力和燃油喷射率

(1000 rpm, bmep = 625 kPa)

从图 1 可以看出，点火发生在 15°BTDC 左右，燃烧速率在 10°BTDC 左右达到峰值。该示例表示预混合燃料部分在气缸中燃烧的速度。仅用了大约 3 度曲柄转角 (500 µs) 即可达到峰值放热率。ID 的结束，15°BTDC，与燃烧的开始重合。高达 10°BTDC 的火焰亮度非常低；表明燃烧以预混燃烧为主。

在最大热释放率点，累积热释放量约为总计算热释放量的 5%。这个百分比反映了在这种特殊情况下点火后不久燃烧的燃料的大致比例。然而，这部分可能会根据燃料特性、发动机设计选择和发动机运行条件而有所不同。

在大约 10°BTDC 观察到第一次出现橙色发光火焰。这种火焰直到大约 7°BTDC 才蔓延到射流尖端周围。在剩余的燃烧过程中，由于存在碳颗粒，已观察到火焰具有高亮度。高火焰光度是扩散型火焰的特征。

4.1 概述

柴油燃烧包括许多物理和化学步骤。燃烧过程通常用三个不同的阶段来描述，图 2：

a. 点火延迟 (a → b)

1. 预混燃烧 (b → c)
2. 速率控制燃烧 (c → d)

图 2。柴油发动机的燃烧阶段

4.2 点火延迟

柴油发动机燃烧中的点火延迟是从喷射开始到可检测燃烧开始之间的时间（图 2 中的 a → b）。用于量化燃烧开始的标准包括：

• 气缸压力突然变化
• 燃烧反应的光发射
• 燃烧引起的温度升高
• 燃烧一定量的燃料
• 放热率曲线上的固定点

点火延迟的一个常见定义是喷射开始 (SOI) 和净热释放率恢复为零之间的时间。由于液体燃料加热和蒸发，净热释放率通常在喷射后不久为负（图 1）。当燃烧过程释放了足够的热量以产生正的净热释放率时，则认为点火延迟期结束。换句话说，它是反应释放的总热量等于蒸发燃料吸收的热量的时间。

根据喷射开始的测量方式，点火延迟可能包括喷射器的动作滞后——喷射器接收到驱动其打开的信号指令后与燃料离开喷射器喷嘴进入燃烧室之间的时间。例如，在一项使用最大喷射压力为 142 MPa 的 HEUI (电控单体泵喷嘴)喷射器的研究中，测得喷射器延迟约为 1.5 ms 。这是从燃料离开喷射器到可检测到的燃烧开始时测量的实际点火延迟期的数倍。其他人测量了共轨系统中的喷射延迟，范围从 0.30 到 0.75 ms。

点火延迟的持续时间是一个重要的标准。它对燃烧过程、机械应力、发动机噪音和废气排放有重大影响。与火花点火发动机相比，在一个位置通过火花塞电激发的火花开始燃烧，而柴油发动机的燃烧则是通过燃烧室中多个位置的自燃开始。图 3 总结了自燃前后的物理和化学步骤。

图 3 自燃前后步骤总结

着火延迟期涉及的物理过程有：

• 喷射油雾分解和油滴形成
• 燃料和空气混合
• 液体燃料的加热和蒸发
• 燃油蒸汽和空气混合形成可燃混合物

这些步骤可以称为初始混合物制备。柴油发动机中的混合物制备是一个复杂的过程，贯穿于整个燃烧室。所指的初始混合物制备阶段发生在燃料离开喷射器喷嘴直到点火时，此时建立了静止的、富含燃料的预混合火焰。该燃烧初始阶段的燃烧产物随后与空气进一步混合，这也可以被认为是混合物制备。这将在下面进一步讨论。

在着火延迟期内发生的化学过程是：

• 分解碳氢化合物燃料并产生自由基的预点火反应
• 在燃烧室内的多个区域发生的局部着火。

虽然化学过程在燃料蒸汽与空气接触后开始，但在喷射的早期阶段，经历化学反应的燃料蒸汽质量太小，不会引起任何可检测到的燃烧现象。可以认为早燃的早期阶段主要是由导致可燃混合物形成的物理过程和导致自燃的化学变化的后期阶段。

虽然由于物理和化学过程重叠，很难划出一条明确的线来区分它们，但通常可以对化学过程开始占主导地位的点进行估计。图 4 将点火延迟期分解为两个可量化的时期。时间段τ 1表示放热化学反应对气缸压力产生可测量影响之前的时间段。气缸压力的线性下降受点火延迟期物理延迟分量的因素影响。当反应喷雾的气缸压力（实线）与注入惰性氮气的相同喷雾的气缸压力（下虚线）分开时，周期 τ 1结束。周期τ 2表示放热反应接管并允许气缸压力从蒸发燃料吸收的热量中恢复的时期。这两个周期的组合，τ 1 τ 2，代表着火延迟周期。