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- 柴油机燃烧
Klaus B. Binder
- 混合物的形成和燃烧
- 过程特点
机动车辆的驱动引擎是基于内燃机的。它们利用燃烧空气中的氧气将主要由碳氢化合物组成的基于燃料的化学能转化为热量，然后转化为发动机的工作介质。工作介质中的压力升高，并且通过膨胀，可以转换成活塞运动并因此转化为机械功。
在发动机燃烧室内进行膨胀和燃烧后，工作介质（也称为工作气体）的更换称为“内燃式开放过程控制”。它适用于汽油发动机和柴油发动机。相反，例如斯特林发动机被描述为具有闭合过程控制和外部燃烧的发动机。
在传统的汽油发动机中，空气/燃料混合物在进气歧管中形成。在进气和压缩循环期间形成的主要均匀的混合物由火花塞点燃。该燃烧系统的特征还在于“外部混合形式”，是一种均质混合物并用火花点火。从火花塞开始，能量随着火焰传播而释放，并因此与火焰锋面的表面积成正比。火焰速度取决于燃料、混合物温度和空气/燃料的比值。燃烧速率还受到火焰锋面表面积的影响。由混合物中的湍流引起的“火焰折叠”使其随着发动机转速而增加。由进气过程和压缩以及燃烧本身引起的混合物流动是影响火焰折叠的重要因素。燃料必须具有抗点燃性（抗爆炸性）预防自燃或提前点火。压缩比受“敲击”燃烧或过早燃烧的限制。在敲击燃烧中，尚未达到整个混合物获得点火条件，即所谓的“尾气”。高度压缩且因此富含能量的混合物几乎会同时燃烧而不受控制的传播火焰。
这会产生具有特征压力振荡的陡峭压力梯度，并导致部件受到非常高的局部热应力和机械应力。敲击燃烧过程中运行时间更长会导致发动机完全失效，因此必须严格避免。限制压缩、必要的负载控制系统（数量或节流控制）以及有限的超滤能力会降低外部混合气的形成和火花点火过程的效率。然而，该过程没有任何燃料引起的颗粒排放，因为燃烧室中没有出现富含混合物的区域，因为当lambda;= 1时操作是均匀的。现代汽油发动机也以直接燃料喷射运行，并且根据喷射时机，可能会形成均匀或不均匀的混合物。在柴油发动机中，这被称为“内部混合物形成”。
空气在柴油机中被压缩，而不是混合物。燃料在上止点之前不久被高度压缩并且注入热燃烧空气。因此，发动机的燃烧室内的混合物形成极其迅速，并且仅通过将热量从压缩空气传递到燃料而在没有任何外部点火源的情况下发生点火。因此，柴油发动机是具有“内部混合物形成”和“自动点火”的发动机。必须使用高度可燃的燃料，并保证必要的温度以确保点火开始。后者是受高压缩影响（压缩比12 lt;e lt;21）并且如果必要的话，通过额外加热空气（例如用电热塞）来实现的。点火问题可能会发生，特别是在启动发动机时。低起动速度消除了进气系统中的任何助力效应。因此，在其压缩阶段，活塞力已经将空气吸入进气歧管。这个过程只有在进气阀关闭和压缩较晚时才会结束。结果是，有效压缩比和压缩温度明显下降。在冷启动期间从工作气体到燃烧室的冷壁的热量损失的增加导致了启动时产生问题。
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柴油机的喷射率和混合气的形成影响能量转换的速度。 由于混合气形成不均匀，汽油发动机中典型的火焰传播是不存在的并且消除了任何“爆震燃烧”的危险。 因此在柴油发动机中可以产生高压缩比和高增压压力。 这既有益于效率，又有益于发动机的扭矩特性。 压缩和增压压力的极限并不是由“敲击燃烧”来预先确定的 - 如在汽油发动机中 - 而是由最大允许气缸压力决定的，这就是为什么现代柴油车引擎在大约160- 180 bar和商用车辆发动机范围大约为210-230 bar。 这里指定的低压缩比范围适用于高度增压的大型柴油发动机。
由于混合物形成是内部的，因此燃料蒸发和混合物形成所需的时间限制了柴油机的速度。 因此即使高速柴油机也很少以高于4,800 rpm的转速运转。 功率密度造成的缺点可以通过它们对增压的特殊适用性来补偿。
将燃料喷入主室，“涡流室”或“预燃室”的次级室被称为“间接燃料喷射”。 它以前用于更好地形成混合气并利用主室中的空气以及控制燃烧噪音。 先进的柴油机燃烧系统将燃料直接喷入主燃烧室，即直喷式发动机。
内部混合气的形成以及伴随而来的燃料向燃烧室中的延迟喷射会在燃烧室中产生不同的空气/燃料梯度（lambda;梯度）。 虽然燃料喷雾的核心中几乎不存在氧气，但在燃烧室中也存在纯空气的区域。 infin;gt; lambda;gt; 0之间的每个范围在注射过程中或多或少地在柴油机的燃烧室中存在。 在不均匀混合物形成中，完全的空气利用实际上是不可能的。时间太短而无法生产和完全燃烧均匀的混合物。 因此，柴油发动机也可以满负荷运行5-15％的过量空气。 由于部件的热负荷，大型低速柴油发动机必须以更大的过量空气运行。
这会影响任何可能需要的废气后处理系统。 由于在排气中总是存在“氧化”空气，所以在lambda;= 1.0的汽油发动机中均匀运行的三元催化剂（TWC）不能使用。
空气/燃料梯度不仅造成混合气质量的差异，还造成责燃烧室内温度的局部差异。 最高温度出现在燃油喷射范围之外，在infin;gt; lambda;范围内，最低温度范围在lambda;asymp;0范围内。如图3-1所示，氮氧化物在过量空气和高温区域形成。 贫火焰区的燃烧温度很低，燃料不能完全氧化。 这是未燃烧的碳氢化合物的来源。 烟尘颗粒及其前体一氧化碳在喷雾核心的空气不足区域形成。 由于富混合物区域使得不可能防止非均匀混合物中的烟灰形成，所以现代柴油系统旨在氧化发动机中的微粒。 这可以通过在膨胀冲程中保持或产生更大的紊流而得到实质性改善。
Injection nozzle
HC
NOx
HC Soot
NOx
Fig. 3-1使用不均匀混合物的燃烧室中的污染物产生区域
这可以通过在膨胀冲程中保持或产生更大的紊流而得到实质性改善。 因此，现代柴油系统燃烧高达发动机中形成的95％颗粒。
涉及到高压缩的内部混合物形成和负载控制（质量控制）方法是卓越的整体柴油发动机效率的基础。
3.1.2 混合物的形成
3.1.2.1 主要影响变量
除了燃烧室中的空气运动（挤气或挤气流和空气涡流）其可以通过燃烧室和进气口的设计来成形，内部混合物的形成基本上由喷射控制。 注射系统必须执行以下任务：产生所需的注射压力，计量燃料[3-2]，确保喷雾扩散，确保快速喷雾分解，形成液滴并将燃料与燃烧空气混合（另请参见第5章）。
3.1.2.2 空气旋流
空气涡流本质上是围绕汽缸轴线的“固体旋转流动”，因为活塞速度增加，其旋转速度可以通过进气口的设计形成，并且随着发动机速度增加而增加。 空气涡流的基本功能是分解小型燃油喷雾，并将位于燃油喷
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雾之间的空气部分与燃油混合。 显然，随着喷嘴孔数量的增加，漩涡需求量减少。 这是有利的，因为漩涡水平的增加导致壁热损失增加，并且必须通过电荷损失获得涡流产生。 尽管增压可以补偿电荷损失，但涡流产生对气体交换效率和燃料消耗的不利影响仍然存在。
当空气切向流入气缸时，可以非常容易地产生涡流。 但是这种安排会产生极高的电荷损失，会使发动机转速的函数不成比例地增加涡流，并且对制造公差产生非常关键的影响。
在这个方面，空气在端口螺旋状的螺旋型端口更适合（图3-2）。 这使漩涡水平几乎线性地增加，作为发动机速度的函数，漩涡速度与发动机速度有恒定比率（nDrall / nMot），并且可以在必要的漩涡水平和可接受的体积损失之间产生良好折中 效率。
对环形阀座的一侧进行斜切可以有助于沿旋流方向排出空气，并在较低的气门升程范围内增加涡流。 这种措施还可以巧妙地与气门正时结合使用，以减少作为发动机转速的函数的涡流。
带罩阀门 — 另一种产生涡流的方法 —必须安装在固定位置，因此不适合当做因为磨损原因而产生涡流的标准方法，但最适合于基本测试。
随着发动机转速增加，由端口几何形状产生的空气涡流漩涡更快，每度曲轴转角吹过的空气区域也变大。然而，只有在喷射同样作用时，才能利用这种加速混合物形成速度的自我调节作用。当作为速度函数的的℃A
中定义的喷射时间（例如满负荷）是恒定的时，可以在发动机的整个速度范围内优化地调整涡流和喷射时间。但是，当作为速度函数的喷射时间（在℃A中）增加时，在较低速度范围内的涡流太低并且空气利用率不令人满意或者是在高速范围内和单个喷射区域太高。这两种可能性都会降低可达到的制动平均有效压力并导致排放增加。这个问题在任何喷射孔径不变的喷射系统中都会出现，即当今的每个标准系统。满负荷燃料输送与怠速燃料输送的高速比（n max / n min）和/或大质量比使发动机设计复杂化。图中的可变注入压力和所谓的套准喷嘴的使用成为了解决这个问题的尝试。
尽管旋转速度与发动机转速的函数关系确实如此，并且至少在螺旋端口中涡流/发动机转速比恒定不变，但是在注射系统中没有合适的起点时，使旋涡失去作用的企图就调整为注射系统的“不当行为”了。 在具有两个或更多进气阀的发动机中，通过分离进气阀（进气口关闭IPSO）可以在较低的速度范围内增加涡流，并因此调整为在该范围内共同的短喷射时间。 无限可变的油门调节甚至可以根据打开角度调节每个点的漩涡水平（图3-3）。 然而这是不理想的，因为它加速了发动机低速范围内的混合气形成，并在较高的速度范围内将其延迟。
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6.5 |
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6 |
Charge port closed |
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atBDC |
5.5 |
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5 |
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number |
4.5 |
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4 |
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swirl |
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Integral |
3.5 |
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3 |
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2.5 |
Both intake ports open |
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