改變柴油機(jī)燃燒做功的關(guān)鍵因素

李新東

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

柴油機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的熱物理及化學(xué)變化過(guò)程，影響柴油機(jī)燃燒做功的關(guān)鍵因素也是復(fù)雜多樣，涉及柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、管理使用、機(jī)件老化磨損等諸多方面。本文從管理使用角度分析柴油機(jī)運(yùn)行中能夠改變?nèi)紵龉Φ年P(guān)鍵因素，旨在為柴油機(jī)運(yùn)行管理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 柴油機(jī)的燃燒機(jī)理

柴油機(jī)的工作循環(huán)分為吸氣、壓縮、做功和排氣4個(gè)過(guò)程，都是在一個(gè)封閉的氣缸中完成的。柴油在密封氣缸內(nèi)進(jìn)行燃燒膨脹，推動(dòng)活塞作功，最終化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能。由于柴油機(jī)活塞的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中，氣缸內(nèi)部的氣體壓力和溫度會(huì)不斷發(fā)生變化，這一系列變化能夠反饋出氣缸內(nèi)的燃燒情況。根據(jù)油泵供油、噴油器噴油等機(jī)體附件及氣缸壓力溫度的變化特點(diǎn)，將燃燒過(guò)程細(xì)分為4個(gè)階段，分別是滯燃期、急燃期、緩燃期、后燃期，每個(gè)階段都有特定的燃燒特征。

2 改變柴油機(jī)燃燒做功的關(guān)鍵因素

在柴油機(jī)燃燒等各系統(tǒng)確定的情況下，從柴油機(jī)管理和使用的角度出發(fā)，分析總結(jié)柴油機(jī)在運(yùn)行中能夠改變?nèi)紵龉Φ年P(guān)鍵因素，主要有以下幾方面。

2.1 柴油的品質(zhì)

在柴油的重要參數(shù)性能指標(biāo)中，包括十六烷值、熱值、粘度及餾程等，它們都會(huì)對(duì)柴油機(jī)燃燒形成直接的影響，尤其是十六烷值，對(duì)燃燒過(guò)程中滯燃期時(shí)間的長(zhǎng)短變化影響最大。十六烷值是一種衡量柴油在壓燃式內(nèi)燃機(jī)中發(fā)火性能的一個(gè)重要指標(biāo)，在柴油其他參數(shù)一定的條件下，十六烷值越高，滯燃時(shí)間就會(huì)越短，自燃著火性能就會(huì)越佳，燃燒過(guò)程也就越穩(wěn)定。但是數(shù)值過(guò)高，也會(huì)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(guò)程不完全的情況，使柴油機(jī)冒出黑煙；如果數(shù)值過(guò)低，柴油的整體著火滯后，滯燃時(shí)間變長(zhǎng)，造成燃燒過(guò)程中的最高燃燒壓力以及壓力升高率變高，使柴油機(jī)的工作變得粗暴。因此，柴油的十六烷值要選擇與柴油機(jī)設(shè)計(jì)匹配的數(shù)值，當(dāng)柴油的品質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要同時(shí)調(diào)整柴油機(jī)設(shè)定的各關(guān)鍵參數(shù)值。當(dāng)換用比設(shè)計(jì)十六烷值低的柴油時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(zhì)量

換氣的質(zhì)量佳，也可以說(shuō)進(jìn)入氣缸內(nèi)部的新鮮空氣總量大，當(dāng)有足夠量的氧氣進(jìn)入氣缸內(nèi)部與柴油混合時(shí)，燃燒就會(huì)特別迅速、充分。對(duì)于增壓柴油機(jī)，換氣質(zhì)量會(huì)比不帶有增壓的柴油機(jī)高出很多，所以燃燒要比不帶有增壓器的柴油機(jī)更加完全。

如果進(jìn)氣濾器臟堵、進(jìn)氣通道被積炭堵塞、增壓系統(tǒng)流道內(nèi)部有阻力或者配氣正時(shí)不適宜，都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q氣總量變少，質(zhì)量變差。換氣質(zhì)量下降會(huì)使得氣缸內(nèi)部的新鮮空氣總量減小，如不減少噴油總量，則會(huì)引起燃燒惡化，排氣溫度快速上升，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)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(dòng)機(jī)的功率，也會(huì)影響柴油機(jī)的反應(yīng)速度和滯燃期時(shí)間。如果殘余廢氣量增加，氧氣的濃度會(huì)降低，滯燃期將延長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)、排氣阻力增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣量無(wú)法排除而增加，滯燃期延長(zhǎng)[1]。

2.3 氣缸內(nèi)的溫度

燃燒室組件也會(huì)對(duì)氣缸壁面的冷卻產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致滯燃期的時(shí)間變化，以及影響缸內(nèi)氣體的壓縮終點(diǎn)壓力和溫度。當(dāng)燃燒室的壁面溫度變高時(shí)，滯燃期變短，柴油容易汽化與空氣進(jìn)行充分的混合，缸內(nèi)氣體的壓縮終點(diǎn)壓力和溫度變高。當(dāng)燃燒室壁面溫度降低，滯燃期延長(zhǎng)，柴油不容易汽化與空氣進(jìn)行混合，缸內(nèi)的氣體壓縮終點(diǎn)壓力和溫度降低。在實(shí)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(guò)高，會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)部的充氣量減少，輸出功率降低。同時(shí)避免寒冷狀態(tài)下啟動(dòng)柴油機(jī)，否則氣缸的壁面溫度過(guò)低，混合氣形成的環(huán)境散熱嚴(yán)重，使壓縮終點(diǎn)溫度降低，將造成啟動(dòng)困難，所以啟動(dòng)前需要對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行暖缸，以保證合適的氣缸壁面溫度，增加啟動(dòng)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(huì)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的各個(gè)階段產(chǎn)生影響。噴射霧化的柴油細(xì)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(shí)間變短。霧化程度好，會(huì)使燃燒階段中燃燒前期的準(zhǔn)備時(shí)間變短，帶動(dòng)滯燃時(shí)間也會(huì)變短，柴油機(jī)工作就會(huì)變得相對(duì)平穩(wěn)。氣缸內(nèi)柴油霧化的程度好與壞主要取決于設(shè)計(jì)初期為柴油機(jī)所配備的噴油設(shè)備，如果柴油機(jī)機(jī)體上配備的噴油器出現(xiàn)了故障，則將會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)的整個(gè)燃燒過(guò)程。當(dāng)噴油器的針閥損壞導(dǎo)致密封不嚴(yán)產(chǎn)生滴油時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致排氣管后部產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象。一般在柴油機(jī)運(yùn)行中，可以結(jié)合柴油機(jī)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(diào)整，也會(huì)對(duì)柴油機(jī)的整個(gè)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響。如柴油機(jī)噴油提前角調(diào)整得過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致噴油時(shí)氣缸內(nèi)的壓力和溫度較低，燃燒過(guò)程中的滯燃期變長(zhǎng)，同時(shí)缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力和壓力升高率變大，從而使柴油機(jī)的工況變得粗暴，功率也會(huì)下降；若柴油機(jī)噴油提前角調(diào)整得過(guò)小，則會(huì)使柴油機(jī)的燃燒過(guò)程向后移動(dòng)，最大爆發(fā)壓力下降，并使滯燃期的時(shí)間增加，整體的熱效率降低。因此，每一種柴油機(jī)原始設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)為它匹配一個(gè)最佳的噴油提前角度，使氣缸內(nèi)部燃燒過(guò)程相對(duì)合理，產(chǎn)生出較高的經(jīng)濟(jì)性能以及良好的動(dòng)力性能，又能使發(fā)動(dòng)機(jī)的工況平穩(wěn)。在合理的工作前提下，經(jīng)濟(jì)性能最佳的噴油提前角度，最大爆發(fā)壓力和設(shè)計(jì)的理論數(shù)值相近。所以，在日常的運(yùn)行中，應(yīng)定期對(duì)柴油機(jī)的噴油提前角進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和測(cè)定，保持一個(gè)相對(duì)最佳的噴油提前角度。

柴油機(jī)負(fù)荷不同時(shí)，應(yīng)該配備不同的提前角度。負(fù)荷小時(shí)，最大爆發(fā)的壓力會(huì)較低，將噴油提前角度調(diào)整大一些，會(huì)使有效燃油消耗率降低。

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

柴油機(jī)使用的柴油標(biāo)號(hào)不同時(shí)，最佳的噴油提前角度的調(diào)整也應(yīng)有所差別。當(dāng)更換成十六烷值相對(duì)較低的柴油時(shí)，增大噴油提前角度，減小后燃發(fā)生，可提高缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力，使有效燃油消耗率下降。

2.6 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化同樣會(huì)對(duì)滯燃期和燃燒過(guò)程產(chǎn)生一定程度的影響。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升，使活塞的運(yùn)動(dòng)速度增加，缸內(nèi)氣體損失及熱量散失減少，壓縮終點(diǎn)溫度和壓力增大。同樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，會(huì)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(nèi)的空氣擾動(dòng)加大，能夠促使柴油和空氣更好地混合到一起。所以轉(zhuǎn)速的升高，能提高混合氣的形成速度，使滯燃時(shí)間變短。另外發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，一定的滯燃角內(nèi)噴入氣缸的柴油會(huì)相對(duì)增多，從而使速燃期內(nèi)的最大爆發(fā)壓力和壓力升高率變大。此外轉(zhuǎn)速的升高，使以曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)時(shí)的噴油過(guò)程加長(zhǎng)，燃燒過(guò)程同樣加長(zhǎng)，后燃期也會(huì)加長(zhǎng)，但帶來(lái)的影響將會(huì)因?yàn)闅飧變?nèi)的空氣擾動(dòng)加強(qiáng)而得以減弱。

2.7 柴油機(jī)的負(fù)荷

柴油機(jī)的負(fù)荷對(duì)滯燃期也會(huì)造成一定的影響。當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷增加時(shí)，氣缸噴油量增加，氣缸內(nèi)的總發(fā)熱量也一同增長(zhǎng)，燃燒室的表面溫度提高，裂化分解變快，滯燃期相應(yīng)減小。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加時(shí)，因每個(gè)周期的噴油總量噴油時(shí)間增長(zhǎng)，燃燒持續(xù)時(shí)間成比例上漲，缸內(nèi)最大的燃燒壓力也上漲，后燃加劇。對(duì)于平均壓力升高率的變化，會(huì)隨著柴油機(jī)的機(jī)型變化而變化，低增壓的四沖程柴油機(jī)，會(huì)隨著負(fù)荷增大，平均壓力升高率降低，高增壓二沖程的柴油機(jī)則反而會(huì)上升。

2.8 噴油的規(guī)律

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的過(guò)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(dòng)機(jī)噴油規(guī)律的因素都會(huì)影響它的燃燒過(guò)程。通常對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)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(duì)噴油規(guī)律的影響情況，應(yīng)根據(jù)具體機(jī)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(jī)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(guān)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒參數(shù)的變化。高壓油管長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)精確的設(shè)計(jì)不允許隨意變化，如在使用中更改，各缸的供油角度就會(huì)改變，使噴油的規(guī)律發(fā)生變化。因此必須按時(shí)與原車匹配進(jìn)行定期檢查，并校正噴油泵和噴油器[3]。

3 結(jié) 論

改變柴油機(jī)燃燒做功的因素有很多，本文只針對(duì)一些關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。實(shí)際燃燒過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的熱物理和化學(xué)變化的過(guò)程，它受到諸多因素的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)行中能夠改變?nèi)紵龉Φ囊恍╆P(guān)鍵因素，涉及柴油的品質(zhì)、換氣的質(zhì)量、氣缸內(nèi)的溫度、柴油的霧化、噴油提前角度、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)的負(fù)荷、噴油的規(guī)律等方面。為在日常運(yùn)行中科學(xué)施策，必須采取有效的控制方法，例如確保換氣質(zhì)量良好，確保柴油噴射正常，關(guān)注所使用柴油的品質(zhì)，觀察排氣顏色及各缸排氣溫度，測(cè)量氣缸最高爆發(fā)壓力，測(cè)取各缸示功圖等，有針對(duì)性地提升柴油機(jī)日常管理，規(guī)避使用中的不足，以提高柴油機(jī)燃燒做功的效率，切實(shí)發(fā)揮柴油機(jī)的最大效能。