四冲程柴油机的工作原理及大气污染控制

1.柴油机与汽油机的区别

由于柴油的黏度比汽油大，不易蒸发，且其自燃温度比汽油低，故四冲程柴油发动机的混合气形成和燃烧方式都与汽油机有所不同。

柴油机在进气过程中吸入的是纯空气，而在压缩过程中，由于压缩比高，所以压缩终了时汽缸内气体压力可达3.5～4.5 MPa，温度可达750～1000 K，大大超过柴油的自燃温度。这时经10 MPa以上高压喷油泵以雾状喷入的柴油，会在极短时间内完成蒸发、扩散以及与空气混合的一系列过程，形成可燃混合气。在混合气浓度和温度都合适的地方首先自行着火燃烧。这种燃料一边扩散混合一边燃烧的方式称为扩散燃烧；而像汽油机那样，在燃烧空间之外（化油器或进气道中）预先形成可燃混合气的方式称为预混燃烧。

由于柴油机的压缩比高，并且是大面积多点同时着火，因此其初期放热率、压力升高率以及最高爆发压力都比汽油机高，加之是在空气富余的条件下燃烧，不完全燃烧产物少，这是柴油机的热效率和燃油经济性明显好于汽油机的原因。但由于柴油的扩散混合只能在极短的时间内进行，混合气浓度分布极不均匀，因此容易产生碳烟，而像汽油机那样的预混燃烧中一般不产生碳烟。

2.柴油机的燃烧过程

如图6-9所示，柴油机的燃烧过程可分为四个时期，即着火落后期、速燃期、缓燃期和后燃期。

图6-9　柴油机的燃烧过程(www.xing528.com)

（1）着火落后期：也称滞燃期，指喷油开始到压力急剧升高之前的这段时期。着火落后期内，燃油要经历雾化、蒸发、与空气混合的物理过程，以及冷焰、蓝焰、热焰的低温多阶段化学过程，最后形成多点同时自行着火。着火落后期一般为1～1.5 ms，着火落后期的长短对柴油机的排放和其他特性有着至关重要的影响。

（2）速燃期：指着火后压力急剧上升的时期。由于在着火落后期内做好燃烧准备的大量可燃混合气同时着火燃烧，使缸内温度和压力急剧升高。在过剩空气系数a较小的高温缺氧区域产生大量的碳烟，而在a较大的高温富氧区域产生大量的NOx。此外，过急的压力升高还会导致过高的噪声和振动。柴油机的最高爆发压力pc=5～9 MPa，增压柴油机的pc往往高达10 MPa以上，比汽油机高出1倍多。

（3）缓燃期：汽缸内大量预混合气被消耗后，燃烧放热速率明显降低。低负荷工况时燃油喷射此时已经完成，但高负荷时喷油仍在继续。后续喷入的燃油一边扩散混合一边着火燃烧，因此也被称为扩散燃烧阶段。燃烧的高温氛围使后续喷入的燃油蒸发速率加快，结果使燃烧放热速率再次加快，出现了柴油机特有的“双峰”状燃烧放热曲线，而谷点则是预混燃烧与扩散燃烧阶段的分界点。由于这一阶段燃油直接喷入火焰内，若混合不好，燃油接触不到空气，则会因高温缺氧产生碳烟。

（4）后燃期：由汽缸压力开始急剧下降到燃料基本燃尽，这一阶段称为后燃期。由于柴油机混合气形成时间短，混合很不均匀，总有部分燃料不能迅速烧完，特别是高速和高负荷时，过剩空气系数a较小，后燃现象比较严重。这部分燃料的热量不能有效利用，使得发动机的热效率下降和热负荷增大，因而应尽可能缩短后燃期和减少后燃期的燃烧放热量。

3.柴油机排放污染物的来源

与汽油发动机相比，柴油发动机通常在较高的空燃比下运行，HC和CO可以得到比较完全的燃烧。直接将液体柴油喷入汽缸中，避免了器壁淬熄和间隙淬熄现象发生，所以HC的排出量通常很低。柴油发动机排放的HC、CO一般只有汽油发动机的几十分之一，但其NOx排放量，在中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机大致处于同一数量级甚至更高。柴油机的颗粒物排放量相当高，为汽油机的30～80倍。

因此，有别于汽油车以降低CO、HC和NOx为主要控制排放目标，柴油机主要是以控制微粒（黑烟）和NOx排放为目标。与汽油车不同的还有，柴油车基本不存在曲轴箱泄漏排放和燃油蒸发排放。