柴油机燃烧过程及其影响

1.概述

供入柴油机中的燃料能量通过与含在燃烧空气中的氧气氧化而释放出来。实际的燃烧当然是不完全和有损失的。燃烧生成物除CO₂和蒸汽外，还有CO、HC、NO_x和微粒（PM）。

通常将柴油机燃烧过程分为燃料喷射、混合气形成、自行着火、燃烧和生成废气。

2.燃烧喷射和混合气形成

（1）空气运动　空气流动过程对混合气形成有决定性作用。它影响着火延迟、落在燃烧室壁上的燃料量以及影响燃烧过程。在燃烧过程中空气流动过程有利于空气的充分利用和混合气的充分燃烧。在燃烧室内，在发动机整个工作范围，空气和燃料的分布与运动必须相互协调。这一点对燃料直接喷射的柴油机特别重要。因为在直喷柴油机上没有像在预燃室、涡流室柴油机上有从预燃室或涡流室喷出的脉动气流，它能促使燃烧气体与未燃烧的混合气剧烈混合。

通过进气道和进气门座的几何形状和尺寸可以在直喷柴油机气缸中产生空气旋转。常用的要数螺旋气道和切向气道（图5.2-7）。它们使进入柴油机的空气流绕气缸轴线旋转，且随发动机转速增加而增强。在高速柴油机上会使缸内混合气形成太快，要采用可接受的折中方案。

在活塞接近气缸盖时，空气的旋转运动与挤压气流叠加，这时空气从气缸盖与活塞间的缝隙流入活塞凹坑。随着膨胀行程开始，流动方向相反。在着火前、后短时间，空气湍流帮助混合气形成。目前，利用现代多普勒（Doppler）激光技术可以测量气缸内气体流动状况或缸内局部的气体流动状况^[1]。

（2）燃料喷射和喷束扩展　在压缩行程终了喷射燃料，这时缸内空气压力和温度分别达到30～60bar及300～400℃。燃料喷射的动态过程主要取决于喷油器的结构型式。影响的主要因素是泵偶件尺寸、喷嘴结构型式以及高压油管和卸压阀的几何形状和尺寸。改变上述因素的一个或多个可以有针对性地影响燃料喷射过程，也即影响燃烧过程。

图5.2-7 有螺旋、切向进气道的柴油直喷（4气门气缸盖）

到燃料开始喷射时刻，缸内空气已为燃料准备好着火条件。从喷嘴喷出的燃料（柴油）主要呈紧密的液体喷束，这时气态燃料很少。

在喷嘴端部的穴蚀、喷束核的内力以及喷束外层由于与空气摩擦形成外部波浪而产生微滴。各个燃油微滴变形和在它们通过燃烧室的射程中一再变小（与空气的相互作用）。但也出现微滴间的相互作用：相互冲击而分开，也会复合。燃料也落在燃烧室壁上。这样，在空气与不同尺寸和分布的燃油微滴的不均匀混合气中出现局部的着火条件。这时还必须通过压缩空气的高温加热燃油。

由于热空气的热量输送到燃油，在各个微滴周围形成一层燃油蒸气层，蒸气层与包围它的空气混合，只要某处的过量空气系数大于0.7，混合气着火，这就解释了混合气着火延迟的物理原因。

3.自行着火和着火延迟

柴油机燃烧过程的重要特征之一是喷油开始到着火开始这段时间，即着火延迟（图5.2-8）。着火延迟可分物理延迟和化学延迟两部分。化学延迟是发生火焰前反应时间。着火延迟时间约为1～2ms。在着火延迟这段时间内首先会使燃料消耗和排放增加。

图5.2-8 燃料直接喷射时柴油机的着火延迟

1—供油开始 2—喷油开始 3—着火开始 4—喷油结束 5—着火延迟

影响着火延迟的措施有燃料和空气两个方面。燃料方面的最重要措施是：燃料品质、喷射压力、燃料温度、喷嘴几何形状与尺寸、喷射正时。空气方面的主要措施是：燃烧室中的空气压力和温度、充量运动（流场）以及减少空气、燃料和残余废气。结构方面的影响因素为：

1）进气道造型。

2）气门正时。

3）燃烧室形状。

4）压缩比。

5）冷却介质温度。

6）增压。

7）冷起动措施。

提高下列一些参数可达到较短的着火延迟：

1）十六烷值。

2）燃料温度。

3）喷射压力。

4）燃烧室气体压力。

5）燃烧室气体温度。

此外，采取下列措施可缩短着火延迟：

1）减小喷射提前角（仍在上止点前）。

2）均匀的、精细的燃料分布。

3）高的燃料和空气的相对运动。

较短的着火延迟由于在延迟时间内喷入气缸内的燃料很少，会产生下列好的效果（图5.2-9）：

图5.2-9 在柴油机燃烧过程中着火延迟的目标冲突

1）较低的燃气压力升高→低的燃烧噪声。

2）较低的燃气峰值压力→低的燃烧噪声和低的曲柄连杆机构载荷。

3）低的燃气峰值温度→较少的NO_x排放。

较长的着火延迟导致高的燃烧噪声和NO_x排放。

影响着火延迟因素的一些因素也与柴油机工况有关。优化燃烧过程的中心任务就是在柴油机整个工作范围寻找可接受的折中。

燃烧和燃烧过程　柴油机燃烧是受控的扩散燃烧。喷射一般延续到着火后（图5.2-10），所以混合气形成的不均匀性是一直存在着。除混合气不均匀外，混合气温度也不均匀。为保障燃烧时有足够的氧气，柴油机必须在过量空气（富氧）下工作。

能量转换（燃烧过程）的动态过程可分三个阶段（图5.2-11）：

1）准备好可着火的混合气加热并开始燃烧。在这阶段终了，在着火延迟期内喷入气缸的燃料大部分燃烧完。它决定燃料释放的化学能。

图5.2-10 1.9L大众TDI发动机自行着火和燃烧(www.xing528.com)

2）制备好的已喷入的燃料燃烧。燃烧过程由混合气形成速度决定。这里，除混合气体形成的速度场外，温度场对燃烧过程也很重要。

3）燃烧过程的最后一个阶段的特征是较慢地转换最后制备好的燃料。这阶段的空气运动、温度和空气过量系数减小。

燃烧过程的第一阶段对柴油机燃烧噪声和NO_x排放有决定性影响。多次喷射和预喷射为混合气形成和燃烧提供了大的作用空间。

图5.2-11 直喷柴油机着火延迟

第三阶段影响燃料消耗和排放的形式，特别是微粒。在这个阶段需要提供足够的燃烧能量，以尽早结束燃烧。

上面所说的燃烧过程，以框图形式汇总在图5.2-12中。

4.废气排放

含硫柴油的完全燃烧最终的生成物为CO₂、H₂O和SO₂。由于不同的混合气形成、温度分布和不同的过量空气系数以及短暂的燃烧过程导致局部不完全燃烧。

图5.2-13是T-λ图上生成微粒的范围，与它对照的是混合气和在接近上止点的已燃烧气体的状态。在过量空气系数λ=0.5以下的已燃烧气体含有微粒。另外，在0.5ms以内生成NO。在NO_x和微粒排放间出现典型的剪刀形状。若在燃烧时要生成NO_x和微粒，则混合气过量空气系数应在λ=0.6～0.9。

在燃烧第一阶段（预混燃烧），由于混合气形成的不均匀而生成初次微粒和NO_x^[2]。为了使燃烧产生少的有害物，第一阶段只是少量的混合气燃烧，并尽可能使λ=0.6～0.9。如果由于气缸壁的冷却使缸内气体温度低到微粒出现的程度，这时微粒生成范围会一直移到较大的λ值范围。

在燃烧第二阶段，已喷入缸内的燃料与空气和燃烧气体混合（图5.2-13b），得到不同的混合气成分（不同的过量空气系数）。与燃烧气体混合和小的过量空气系数λ会生成二次微粒。要防止柴油与热的、贫氧的废气混合，要输入足够的新鲜空气。

在燃烧第三阶段（图5.2-13c），在喷射终了时，燃烧气体减少。在微粒与氧气燃烧范围与强烈生成NO_x范围部分覆盖。为此，最好是初次和二次微粒形成很少，燃烧终了不再氧化。

（1）NO_x生成N₂是空气的主要成分。在高温燃烧时形成NO_x（吸热反应），并可用Zeldovich反应机理简单表示：

图5.2-12 顺序表示柴油机混合气形成和燃烧^[3]

图5.2-13 柴油机燃烧过程

a）柴油燃烧第一阶段（预混燃烧） b）柴油燃烧第二阶段 c）柴油燃烧第三阶段

N₂+O⇌NO+N

O₂+N⇌NO+O

OH+N⇌NO+H

NO_x反应过程较慢，但在燃烧时温度场、压力场和浓度场快速和剧烈变化，使NO_x浓度在热平衡的浓度值以内。

如果限制燃烧温度（延迟喷射燃料、增压空气中冷）和降低氧气浓度（废气再循环），则在柴油机燃烧过程可减少NO_x排放。

（2）炭烟形成和微粒排放 炭烟形成是燃烧时的分子结合过程。

图5.2-14 反应机理

燃料分子首先氧化分解，形成乙炔（C₂H₄）。乙炔是形成较高碳氢化合物和芳香物质的起点。芳香物质通过“取H加C₂H₄机理（H-Abstraktion-Ethin-Addition-mechanismus）”平面生长（图5.2-14），再通过较大的多环芳香碳氢化合物相互沉积而空间生长。

生成的聚合物体积由于不断凝结和表面生长而长大。表面生长的机理与平面生长的机理类似。微粒的长大主要取决碳粒的凝结。氧化是柴油机燃烧过程最后阶段的决定性过程。在这阶段，由于燃烧生成物与在富氧环境下的燃烧空气混合形成炭粒。归纳起来，炭烟形成要观察下面几个过程：

式中，N为炭粒数。

用分析法来描述炭烟形成至今还没有完全成功。因为一些过程虽已基本上弄清楚，但另一些过程还只是现象上理解。其主要的难点是大量的化学反应以及高压、高温、流场、混合场的相互关系。炭烟形成时间在表5.2-4中列出。在柴油机工作循环时没有形成较大微粒的足够时间。较大的微粒还是在离开燃烧室时形成的。

表5.2-4 典型的炭烟形成时间^[4]

如前所述，炭烟形成是燃烧时的分子（约10nm）结合，这些炭烟结合成初次微粒（10～50nm），如图5.2-15所示。

在排放立法范围内的柴油微粒是废气的组成部分。它收集在微粒过滤器中。在炭烟核上吸附有机的、可溶性未燃烧的碳氢化合物、硫酸盐、金属氧化物和其他残余物。炭烟核连同沉积物一起称为微粒。柴油机燃烧过程出现的微粒只是整个微粒中的一部分（图5.2-16）。在德国所有道路交通约产生了20%的细尘埃排放（UBA/TU维也纳）。通过下面措施可减少柴油机微粒排放：

1）改善柴油机燃烧过程。

2）改善柴油品质。

3）排气后处理（如微粒过滤器）。

图5.2-15 炭烟形成反应图

图5.2-16 在大气中的微粒来源和大小数量级^[9]，细尘埃为微粒<10_μm

4）没有限制的排放。

法规要求限制HC、CO、NO_x和微粒。但除CO外，其他的都是总值检测（见2.2节）。

美国第一次考虑对1994年车型的乘用车碳氢化合物中的非甲烷碳氢化合物（NMHC）作出限制。因为碳氢化合物中的甲烷地位特殊，它的空气化学反应弱，且无毒。除了检测非甲烷碳氢化合物外，对清洁燃料车辆还实施甲醛的限值。

加利福尼亚对乘用车的立法，特别是针对减少引起臭氧层空洞的物质的立法，是对限制排放的进一步要求和NMHC总量对产生臭氧层空洞的评估。把不同的碳氢化合物对臭氧层的最大破坏潜能作为评估标准。为认证，将评估的总的NMHC值作为非甲烷有机气体（NMOG-non-methane orgainc gas）的排放。

对出现在内燃机废气中的其他物质，与前述一样，既不是确定具体的排放限值，也不是为检测排放数据确定所用的方法。对这些废气的组成部分可以用一般的概念“非限制性的废气成分”表述。在这个表述下，属于非限制性废气成分的还有被法规规定的燃料成分，也就间搭铁将它们的非限制性废气成分限制在排放限值内。