改變柴油機燃燒做功的關鍵因素

李新東

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司 天津300459)

柴油機氣缸內的燃燒過程是一個非常復雜的熱物理及化學變化過程，影響柴油機燃燒做功的關鍵因素也是復雜多樣，涉及柴油機的結構設計、安裝調試、管理使用、機件老化磨損等諸多方面。本文從管理使用角度分析柴油機運行中能夠改變燃燒做功的關鍵因素，旨在為柴油機運行管理提供技術指導。

1 柴油機的燃燒機理

柴油機的工作循環(huán)分為吸氣、壓縮、做功和排氣4個過程，都是在一個封閉的氣缸中完成的。柴油在密封氣缸內進行燃燒膨脹，推動活塞作功，最終化學能轉變成為機械能。由于柴油機活塞的循環(huán)往復運動，使燃料在氣缸里被壓縮并燃燒，形成了高溫、高壓的工作環(huán)境。在燃燒過程中，氣缸內部的氣體壓力和溫度會不斷發(fā)生變化，這一系列變化能夠反饋出氣缸內的燃燒情況。根據(jù)油泵供油、噴油器噴油等機體附件及氣缸壓力溫度的變化特點，將燃燒過程細分為4個階段，分別是滯燃期、急燃期、緩燃期、后燃期，每個階段都有特定的燃燒特征。

2 改變柴油機燃燒做功的關鍵因素

在柴油機燃燒等各系統(tǒng)確定的情況下，從柴油機管理和使用的角度出發(fā)，分析總結柴油機在運行中能夠改變燃燒做功的關鍵因素，主要有以下幾方面。

2.1 柴油的品質

在柴油的重要參數(shù)性能指標中，包括十六烷值、熱值、粘度及餾程等，它們都會對柴油機燃燒形成直接的影響，尤其是十六烷值，對燃燒過程中滯燃期時間的長短變化影響最大。十六烷值是一種衡量柴油在壓燃式內燃機中發(fā)火性能的一個重要指標，在柴油其他參數(shù)一定的條件下，十六烷值越高，滯燃時間就會越短，自燃著火性能就會越佳，燃燒過程也就越穩(wěn)定。但是數(shù)值過高，也會使柴油容易在高溫狀態(tài)下裂化分解，生成一種游離的碳，造成燃燒過程不完全的情況，使柴油機冒出黑煙；如果數(shù)值過低，柴油的整體著火滯后，滯燃時間變長，造成燃燒過程中的最高燃燒壓力以及壓力升高率變高，使柴油機的工作變得粗暴。因此，柴油的十六烷值要選擇與柴油機設計匹配的數(shù)值，當柴油的品質參數(shù)發(fā)生變化時，需要同時調整柴油機設定的各關鍵參數(shù)值。當換用比設計十六烷值低的柴油時，應根據(jù)使用情況進行適當?shù)恼{節(jié)，增大噴油的提前角，以得到更高的熱效率。

2.2 換氣的質量

換氣的質量佳，也可以說進入氣缸內部的新鮮空氣總量大，當有足夠量的氧氣進入氣缸內部與柴油混合時，燃燒就會特別迅速、充分。對于增壓柴油機，換氣質量會比不帶有增壓的柴油機高出很多，所以燃燒要比不帶有增壓器的柴油機更加完全。

如果進氣濾器臟堵、進氣通道被積炭堵塞、增壓系統(tǒng)流道內部有阻力或者配氣正時不適宜，都會導致?lián)Q氣總量變少，質量變差。換氣質量下降會使得氣缸內部的新鮮空氣總量減小，如不減少噴油總量，則會引起燃燒惡化，排氣溫度快速上升，嚴重時則會形成冒黑煙的現(xiàn)象。

空氣中氧氣和廢氣含量改變不僅影響發(fā)動機的功率，也會影響柴油機的反應速度和滯燃期時間。如果殘余廢氣量增加，氧氣的濃度會降低，滯燃期將延長。當進、排氣阻力增加時，會導致缸內廢氣量無法排除而增加，滯燃期延長[1]。

2.3 氣缸內的溫度

燃燒室組件也會對氣缸壁面的冷卻產(chǎn)生直接影響，導致滯燃期的時間變化，以及影響缸內氣體的壓縮終點壓力和溫度。當燃燒室的壁面溫度變高時，滯燃期變短，柴油容易汽化與空氣進行充分的混合，缸內氣體的壓縮終點壓力和溫度變高。當燃燒室壁面溫度降低，滯燃期延長，柴油不容易汽化與空氣進行混合，缸內的氣體壓縮終點壓力和溫度降低。在實際工況下，必須保證合適的冷卻以及正常的氣缸壁面溫度。如果氣缸壁面溫度過高，會導致氣缸內部的充氣量減少，輸出功率降低。同時避免寒冷狀態(tài)下啟動柴油機，否則氣缸的壁面溫度過低，混合氣形成的環(huán)境散熱嚴重，使壓縮終點溫度降低，將造成啟動困難，所以啟動前需要對柴油機進行暖缸，以保證合適的氣缸壁面溫度，增加啟動的成功幾率。

2.4 柴油的霧化

柴油噴入氣缸后的霧化程度，會對柴油機燃燒過程的各個階段產(chǎn)生影響。噴射霧化的柴油細小顆粒能與氣缸中吸入的空氣充分混合，形成完全燃燒，使滯燃期的時間變短。霧化程度好，會使燃燒階段中燃燒前期的準備時間變短，帶動滯燃時間也會變短，柴油機工作就會變得相對平穩(wěn)。氣缸內柴油霧化的程度好與壞主要取決于設計初期為柴油機所配備的噴油設備，如果柴油機機體上配備的噴油器出現(xiàn)了故障，則將會嚴重影響柴油機的整個燃燒過程。當噴油器的針閥損壞導致密封不嚴產(chǎn)生滴油時，將會導致排氣管后部產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象。一般在柴油機運行中，可以結合柴油機排出的尾氣顏色，判斷噴油部件的工作狀況是否正常。

2.5 噴油提前角度

噴油系統(tǒng)中噴油提前角度的調整，也會對柴油機的整個燃燒過程產(chǎn)生影響。如柴油機噴油提前角調整得過大，則會導致噴油時氣缸內的壓力和溫度較低，燃燒過程中的滯燃期變長，同時缸內的最大爆發(fā)壓力和壓力升高率變大，從而使柴油機的工況變得粗暴，功率也會下降；若柴油機噴油提前角調整得過小，則會使柴油機的燃燒過程向后移動，最大爆發(fā)壓力下降，并使滯燃期的時間增加，整體的熱效率降低。因此，每一種柴油機原始設計時都會為它匹配一個最佳的噴油提前角度，使氣缸內部燃燒過程相對合理，產(chǎn)生出較高的經(jīng)濟性能以及良好的動力性能，又能使發(fā)動機的工況平穩(wěn)。在合理的工作前提下，經(jīng)濟性能最佳的噴油提前角度，最大爆發(fā)壓力和設計的理論數(shù)值相近。所以，在日常的運行中，應定期對柴油機的噴油提前角進行適當?shù)恼{整和測定，保持一個相對最佳的噴油提前角度。

柴油機負荷不同時，應該配備不同的提前角度。負荷小時，最大爆發(fā)的壓力會較低，將噴油提前角度調整大一些，會使有效燃油消耗率降低。

為了保證發(fā)動機的可靠性，一般配備增壓器的柴油機，噴油提前角度調整得偏小一些，不僅減小了它的最大爆破壓力，同時也使燃燒階段產(chǎn)生了后移。

柴油機使用的柴油標號不同時，最佳的噴油提前角度的調整也應有所差別。當更換成十六烷值相對較低的柴油時，增大噴油提前角度，減小后燃發(fā)生，可提高缸內最大爆發(fā)壓力，使有效燃油消耗率下降。

2.6 柴油機的轉速

柴油機的轉速變化同樣會對滯燃期和燃燒過程產(chǎn)生一定程度的影響。柴油機轉速上升，使活塞的運動速度增加，缸內氣體損失及熱量散失減少，壓縮終點溫度和壓力增大。同樣，當轉速升高時，會使噴油器噴出的油壓增加，柴油噴出的霧化程度變好，燃燒室內的空氣擾動加大，能夠促使柴油和空氣更好地混合到一起。所以轉速的升高，能提高混合氣的形成速度，使滯燃時間變短。另外發(fā)動機的轉速升高，一定的滯燃角內噴入氣缸的柴油會相對增多，從而使速燃期內的最大爆發(fā)壓力和壓力升高率變大。此外轉速的升高，使以曲軸轉角來計時的噴油過程加長，燃燒過程同樣加長，后燃期也會加長，但帶來的影響將會因為氣缸內的空氣擾動加強而得以減弱。

2.7 柴油機的負荷

柴油機的負荷對滯燃期也會造成一定的影響。當柴油機的負荷增加時，氣缸噴油量增加，氣缸內的總發(fā)熱量也一同增長，燃燒室的表面溫度提高，裂化分解變快，滯燃期相應減小。但是在發(fā)動機的負荷增加時，因每個周期的噴油總量噴油時間增長，燃燒持續(xù)時間成比例上漲，缸內最大的燃燒壓力也上漲，后燃加劇。對于平均壓力升高率的變化，會隨著柴油機的機型變化而變化，低增壓的四沖程柴油機，會隨著負荷增大，平均壓力升高率降低，高增壓二沖程的柴油機則反而會上升。

2.8 噴油的規(guī)律

發(fā)動機燃燒的過程中，柴油的放熱規(guī)律在很大程度上取決于它的噴油規(guī)律，凡是影響發(fā)動機噴油規(guī)律的因素都會影響它的燃燒過程。通常對燃燒的噴油要求是遵循先少后多的原則，規(guī)律是速燃期少燒油，緩燃期多燒油。

柴油機的轉速、負荷、噴油提前角度、噴射的背壓等條件不同，噴油規(guī)律亦有變化，各種因素對噴油規(guī)律的影響情況，應根據(jù)具體機型具體分析，找到各參數(shù)之間合理匹配的燃油噴射系統(tǒng)，以獲得較理想的噴油規(guī)律[2]。

柴油機噴射系統(tǒng)本身的油泵、油管及噴油器之間的參數(shù)存在一定的相互制約關系。在使用中，凸輪磨損、噴油器的噴油壓力等參數(shù)改變，將引起燃油系統(tǒng)的供油量及噴油規(guī)律的改變，從而影響整個發(fā)動機的燃燒參數(shù)的變化。高壓油管長度經(jīng)過精確的設計不允許隨意變化，如在使用中更改，各缸的供油角度就會改變，使噴油的規(guī)律發(fā)生變化。因此必須按時與原車匹配進行定期檢查，并校正噴油泵和噴油器[3]。

3 結 論

改變柴油機燃燒做功的因素有很多，本文只針對一些關鍵因素進行了分析。實際燃燒過程，是一個復雜的熱物理和化學變化的過程，它受到諸多因素的影響，發(fā)動機的放熱規(guī)律與理想放熱規(guī)律之間存在著很大的不同。本文從管理使用的角度，分析了影響柴油機運行中能夠改變燃燒做功的一些關鍵因素，涉及柴油的品質、換氣的質量、氣缸內的溫度、柴油的霧化、噴油提前角度、柴油機的轉速、柴油機的負荷、噴油的規(guī)律等方面。為在日常運行中科學施策，必須采取有效的控制方法，例如確保換氣質量良好，確保柴油噴射正常，關注所使用柴油的品質，觀察排氣顏色及各缸排氣溫度，測量氣缸最高爆發(fā)壓力，測取各缸示功圖等，有針對性地提升柴油機日常管理，規(guī)避使用中的不足，以提高柴油機燃燒做功的效率，切實發(fā)揮柴油機的最大效能。