提高柴油機燃燒有效性與降低燃油消耗率的措施

閆德松

【摘 要】本文介紹了柴油機的重要性，但受到石油資源儲量及其燃燒產(chǎn)物中有害排放物質(zhì)的制約，文中就如何改善換氣質(zhì)量、提高燃料噴射霧化質(zhì)量、促進(jìn)可燃混合氣的行車形成和確定恰當(dāng)?shù)膰娪蜁r間、理想的噴油規(guī)律、正常的著火條件及散熱損失等問題做了闡述。

【關(guān)鍵詞】柴油機；燃燒；消耗率；措施

0.前言

柴油機是一種熱能機械，它能在寬廣的功率范圍內(nèi)以較高的效率將包含在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能。柴油機因其熱效率高，用途十分廣泛。而且結(jié)構(gòu)相對簡單，操縱較為方便，機械性能好，適用性強。這些都是其他熱能動力機械無法比擬的。隨著人們對生產(chǎn)的高效性、運輸?shù)目旖菪约斑\用的安全性等要求的進(jìn)一步矚目，相應(yīng)提高柴油機燃燒有效性，降低燃油消耗率等問題都提出了新的要求。我部現(xiàn)有內(nèi)燃機車23臺，每年柴油消耗量6000多噸，占總成本的比例很大，所以提高柴油機有效性，降低燃油消耗率就顯得尤為重要。

1.措施

有效燃油消耗率是評價柴油機經(jīng)濟(jì)性能的一個重要指標(biāo)，他取決于柴油機能量轉(zhuǎn)換過程的完善成度，提高柴油機燃燒有效性，提高機械效率，是降低有效燃油消耗率的兩個基本途徑。其中可燃混和氣的形成與燃燒是柴油機能量轉(zhuǎn)換過程中的一個核心環(huán)節(jié)。在充分利用氣缸內(nèi)新鮮空氣充量的前提下完善地組織燃燒過程；在滿足平穩(wěn)運轉(zhuǎn)要求的同時，最大限度的提高燃燒的等容度，可使工質(zhì)實現(xiàn)充分膨脹，并能減少散熱損失。從而可以提高燃燒的有效性，使柴油機的做功能力與經(jīng)濟(jì)性能都得到應(yīng)有的改善。所以，如何提高柴油機燃燒的有效性，降低燃油消耗率的措施主要有以下幾個方面：

1.1改善換氣質(zhì)量

提高充量系數(shù)，充量系數(shù)的大小，實際上取決于換氣過程的完善程度。降低進(jìn)排氣流動損失，減少氣缸的殘余廢氣，減少進(jìn)氣過程中高溫壁面對新鮮空氣的加熱。適當(dāng)加大進(jìn)排氣流通面積，合理確定進(jìn)排氣門與經(jīng)排氣管的結(jié)構(gòu)。避免流通急劇折轉(zhuǎn)或突然收縮，提高氣道制造工藝水平，可以降低氣體的流通速度，形成穩(wěn)定的流場，減少進(jìn)排氣流動的損失。合理確定配氣相位，配氣定時是影響換氣質(zhì)量的另一個重要因素。在換氣過程中，對應(yīng)于活塞行程的上下止點，進(jìn)排氣門分別有一個恰當(dāng)?shù)奶崆伴_啟和遲后關(guān)閉的角度。（12V240ZJ—1型柴油機進(jìn)氣門提前60°開啟，遲后50°關(guān)閉；排氣門提前50°開啟，遲后60°關(guān)閉。12V240ZJD型柴油機進(jìn)氣門提前50°開啟，遲后42°關(guān)閉；排氣門提前50°開啟，遲后50°關(guān)閉 ）這樣可以在整個進(jìn)氣與排氣過程中獲得較大的氣門流通面積，從而減少進(jìn)排氣流動損失，改善換氣質(zhì)量。

1.2提高燃油噴射霧化質(zhì)量

燃油噴射霧化質(zhì)量對于提高氣缸內(nèi)空氣的利用率與改善可燃混和氣的質(zhì)量具有重大的影響。燃油的噴射霧化質(zhì)量主要與噴油器的結(jié)構(gòu)與流經(jīng)噴孔的噴射速度有關(guān)。當(dāng)噴油器噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，燃油的噴射速度主要取決于噴射壓力與燃油的密度。當(dāng)前柴油機的噴油壓力一般在30MPa以內(nèi)，為了改善噴射初期與噴射后期燃油的霧化質(zhì)量，可以采用蓄壓式噴施系統(tǒng)，以保持噴射過程中噴油壓力恒定，亦可采取措施進(jìn)一步提高噴油壓力，更高的噴射壓力不僅可以全面改善燃油霧化質(zhì)量，而且可以提高噴油速率，使噴油持續(xù)期縮短，在較小的噴油提前角下獲得較大的燃燒等容度，這對提高做功能力、減少燃油消耗率及改善派發(fā)給你質(zhì)量都是有利的。

2.促進(jìn)可燃混和氣的形成，提高燃燒的等容度

在保證換氣質(zhì)量與燃油霧化質(zhì)量的前提下，可燃混和氣的形成速度和燃料規(guī)及燃料噴霧與燃燒室結(jié)構(gòu)形式的匹配有很大的關(guān)系。出于利用燃燒室內(nèi)不同性質(zhì)、不同強度的運動氣流來改善可燃混和氣體質(zhì)量的考慮，中型、大型柴油機中普遍采用直接噴施式燃燒室結(jié)構(gòu)。至于氣缸內(nèi)部氣流運動特性的利用問題，在不同缸徑范圍的柴油機中具有不同的側(cè)重點。對于大型柴油機來說，因其轉(zhuǎn)速較低，可燃混合氣形成及燃燒過程可用的時間較長，燃燒室內(nèi)空氣的利用率高，易于形成滿足燃燒過程的均質(zhì)可燃混和氣，故一般僅注重調(diào)節(jié)燃油噴霧特性及其與燃燒室的恰當(dāng)匹配來獲得燃燒噴霧在燃燒室內(nèi)的良好靜態(tài)分布，即可改善燃燒過程。缸內(nèi)適當(dāng)強度的氣流擾動，不僅可以改善燃油與空氣的熱交換，從而利用于燃油的蒸發(fā)氣化，加速燃油的著火過程及燃燒速度，最終使燃燒持續(xù)期相應(yīng)縮短。但是，當(dāng)氣功氣流擾動強度過大時，伴隨著可燃混和氣濃度場與溫度場均勻化歷程的加速及燃燒室壁面散熱強度的增大，在柴油機啟動、怠速或低負(fù)荷工況等低溫條件下，因高于燃油著火溫度的可燃混和氣不易形成，也會導(dǎo)致著火落后期的增大。影響可燃混和氣形成速度與燃燒速率的另一個重要因素是噴油提前角和噴油規(guī)律。在相同的燃燒始點下，初期燃燒放熱量越大，因燃燒的等容度提高，所以，最高燃油壓力相應(yīng)上升，熱效率隨之增大。在相同的放熱規(guī)律下，著火時刻愈早，燃燒過程愈接近等容加熱循環(huán)，因此，壓力升高率最大，熱效率也最高。燃燒初期放熱量很小，大部分熱量是在活塞離開上止點較遠(yuǎn)的較大氣缸容積釋放出來的，所以壓力升高率及最高燃燒壓力都很低，相應(yīng)熱效率也最低。

噴油規(guī)律主要取決于噴油泵凸輪型線、柱塞直徑、噴油泵轉(zhuǎn)速及噴油器的流通特性。對應(yīng)于柱塞有效行程區(qū)段的凸輪型線愈陡，則供油速度愈高，因而可使噴油率增大，噴油持續(xù)期縮短，可使過高的柱塞加速度又會惡化相關(guān)運動元件的動力學(xué)性能而影響工作可靠性。加大柱塞直徑，因單位時間內(nèi)供油量增大，同樣可使噴油持續(xù)期縮短。在噴孔面積一定的前提下，若進(jìn)一步提高噴射壓力，同樣可以增大噴孔了流通能力而使噴油持續(xù)期縮短，因而面對進(jìn)一步改善柴油機燃燒性能的要求，當(dāng)前人們更重視采用高壓噴射技術(shù)。當(dāng)然，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高噴射壓力，也會給柴油機燃料噴射系統(tǒng)帶領(lǐng)一些新的技術(shù)難題。在現(xiàn)有的機械式燃料噴射系統(tǒng)中，燃油壓力不僅隨噴射過程而變化，而且很大程度上受到柴油機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的影響，為了在不同的運轉(zhuǎn)工況下都能保證必要的燃燒霧化質(zhì)量及最佳的噴油規(guī)律，可以采用電子噴射系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)，與機械式噴射系統(tǒng)相比，電子噴射系統(tǒng)具用以下顯著有點：可以根據(jù)多種影響柴油機工作過程的信息源對燃料噴射過程進(jìn)行最佳控制，控制模式易于改變，控制的自由度大，可以直接檢測控制對象的實際調(diào)節(jié)量，通過反饋控制進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)精度，具有系統(tǒng)的診斷、保護(hù)、通訊功能、安全可靠性較高。

3.減少散熱損失的技術(shù)措施

在工作過程中由冷卻介質(zhì)及廢氣帶走的熱量約占每循環(huán)燃料燃燒放熱量的二分之一。改善燃燒過程，提高燃燒的等容度，使工質(zhì)得以充分膨脹，是減少冷卻介質(zhì)與廢氣散熱損失的基本途徑。此外，采用廢氣渦輪增壓回收部分廢氣能量、適當(dāng)提高冷卻介質(zhì)溫度實現(xiàn)高溫冷卻、在固定式動力裝置中利用換熱元件回收冷卻介質(zhì)與廢氣的余熱等等，都可以有效的減少柴油機能量轉(zhuǎn)換過程中的散熱損失。適當(dāng)提高冷卻水的工作溫度，不僅可以減少冷卻介質(zhì)的散熱損失，而且，隨著燃燒室壁面溫度的提高，有助于改善燃料蒸發(fā)、混和、著火與燃燒的條件，進(jìn)而可以增大燃燒的等容度，提高熱能利用率。但冷卻介質(zhì)溫度升高時，柴油機受熱零部件的熱負(fù)荷相應(yīng)增大，氣缸蓋、氣缸套、活塞組與氣門等受熱零部件過熱，不僅表現(xiàn)為零件受熱膨脹變形，破壞正常配合間隙，而起當(dāng)變形受到約束時在零件內(nèi)部還會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，加之，高溫會引起材料金屬組織變化，導(dǎo)致晶體粗化，使材料的機械強度與硬度隨之下降，從而使受熱零部件產(chǎn)生熱疲勞裂損。用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷制成活塞、氣缸套及氣缸蓋底板等燃燒室零件，可以有效地隔熱，使散熱損失大大降低。 [科]