改变柴油机燃烧做功的关键因素

李新东

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤南作业公司 天津300459)

柴油机气缸内的燃烧过程是一个非常复杂的热物理及化学变化过程，影响柴油机燃烧做功的关键因素也是复杂多样，涉及柴油机的结构设计、安装调试、管理使用、机件老化磨损等诸多方面。本文从管理使用角度分析柴油机运行中能够改变燃烧做功的关键因素，旨在为柴油机运行管理提供技术指导。

1 柴油机的燃烧机理

柴油机的工作循环分为吸气、压缩、做功和排气4个过程，都是在一个封闭的气缸中完成的。柴油在密封气缸内进行燃烧膨胀，推动活塞作功，最终化学能转变成为机械能。由于柴油机活塞的循环往复运动，使燃料在气缸里被压缩并燃烧，形成了高温、高压的工作环境。在燃烧过程中，气缸内部的气体压力和温度会不断发生变化，这一系列变化能够反馈出气缸内的燃烧情况。根据油泵供油、喷油器喷油等机体附件及气缸压力温度的变化特点，将燃烧过程细分为4个阶段，分别是滞燃期、急燃期、缓燃期、后燃期，每个阶段都有特定的燃烧特征。

2 改变柴油机燃烧做功的关键因素

在柴油机燃烧等各系统确定的情况下，从柴油机管理和使用的角度出发，分析总结柴油机在运行中能够改变燃烧做功的关键因素，主要有以下几方面。

2.1 柴油的品质

在柴油的重要参数性能指标中，包括十六烷值、热值、粘度及馏程等，它们都会对柴油机燃烧形成直接的影响，尤其是十六烷值，对燃烧过程中滞燃期时间的长短变化影响最大。十六烷值是一种衡量柴油在压燃式内燃机中发火性能的一个重要指标，在柴油其他参数一定的条件下，十六烷值越高，滞燃时间就会越短，自燃着火性能就会越佳，燃烧过程也就越稳定。但是数值过高，也会使柴油容易在高温状态下裂化分解，生成一种游离的碳，造成燃烧过程不完全的情况，使柴油机冒出黑烟；如果数值过低，柴油的整体着火滞后，滞燃时间变长，造成燃烧过程中的最高燃烧压力以及压力升高率变高，使柴油机的工作变得粗暴。因此，柴油的十六烷值要选择与柴油机设计匹配的数值，当柴油的品质参数发生变化时，需要同时调整柴油机设定的各关键参数值。当换用比设计十六烷值低的柴油时，应根据使用情况进行适当的调节，增大喷油的提前角，以得到更高的热效率。

2.2 换气的质量

换气的质量佳，也可以说进入气缸内部的新鲜空气总量大，当有足够量的氧气进入气缸内部与柴油混合时，燃烧就会特别迅速、充分。对于增压柴油机，换气质量会比不带有增压的柴油机高出很多，所以燃烧要比不带有增压器的柴油机更加完全。

如果进气滤器脏堵、进气通道被积炭堵塞、增压系统流道内部有阻力或者配气正时不适宜，都会导致换气总量变少，质量变差。换气质量下降会使得气缸内部的新鲜空气总量减小，如不减少喷油总量，则会引起燃烧恶化，排气温度快速上升，严重时则会形成冒黑烟的现象。

空气中氧气和废气含量改变不仅影响发动机的功率，也会影响柴油机的反应速度和滞燃期时间。如果残余废气量增加，氧气的浓度会降低，滞燃期将延长。当进、排气阻力增加时，会导致缸内废气量无法排除而增加，滞燃期延长[1]。

2.3 气缸内的温度

燃烧室组件也会对气缸壁面的冷却产生直接影响，导致滞燃期的时间变化，以及影响缸内气体的压缩终点压力和温度。当燃烧室的壁面温度变高时，滞燃期变短，柴油容易汽化与空气进行充分的混合，缸内气体的压缩终点压力和温度变高。当燃烧室壁面温度降低，滞燃期延长，柴油不容易汽化与空气进行混合，缸内的气体压缩终点压力和温度降低。在实际工况下，必须保证合适的冷却以及正常的气缸壁面温度。如果气缸壁面温度过高，会导致气缸内部的充气量减少，输出功率降低。同时避免寒冷状态下启动柴油机，否则气缸的壁面温度过低，混合气形成的环境散热严重，使压缩终点温度降低，将造成启动困难，所以启动前需要对柴油机进行暖缸，以保证合适的气缸壁面温度，增加启动的成功几率。

2.4 柴油的雾化

柴油喷入气缸后的雾化程度，会对柴油机燃烧过程的各个阶段产生影响。喷射雾化的柴油细小颗粒能与气缸中吸入的空气充分混合，形成完全燃烧，使滞燃期的时间变短。雾化程度好，会使燃烧阶段中燃烧前期的准备时间变短，带动滞燃时间也会变短，柴油机工作就会变得相对平稳。气缸内柴油雾化的程度好与坏主要取决于设计初期为柴油机所配备的喷油设备，如果柴油机机体上配备的喷油器出现了故障，则将会严重影响柴油机的整个燃烧过程。当喷油器的针阀损坏导致密封不严产生滴油时，将会导致排气管后部产生冒黑烟现象。一般在柴油机运行中，可以结合柴油机排出的尾气颜色，判断喷油部件的工作状况是否正常。

2.5 喷油提前角度

喷油系统中喷油提前角度的调整，也会对柴油机的整个燃烧过程产生影响。如柴油机喷油提前角调整得过大，则会导致喷油时气缸内的压力和温度较低，燃烧过程中的滞燃期变长，同时缸内的最大爆发压力和压力升高率变大，从而使柴油机的工况变得粗暴，功率也会下降；若柴油机喷油提前角调整得过小，则会使柴油机的燃烧过程向后移动，最大爆发压力下降，并使滞燃期的时间增加，整体的热效率降低。因此，每一种柴油机原始设计时都会为它匹配一个最佳的喷油提前角度，使气缸内部燃烧过程相对合理，产生出较高的经济性能以及良好的动力性能，又能使发动机的工况平稳。在合理的工作前提下，经济性能最佳的喷油提前角度，最大爆发压力和设计的理论数值相近。所以，在日常的运行中，应定期对柴油机的喷油提前角进行适当的调整和测定，保持一个相对最佳的喷油提前角度。

柴油机负荷不同时，应该配备不同的提前角度。负荷小时，最大爆发的压力会较低，将喷油提前角度调整大一些，会使有效燃油消耗率降低。

为了保证发动机的可靠性，一般配备增压器的柴油机，喷油提前角度调整得偏小一些，不仅减小了它的最大爆破压力，同时也使燃烧阶段产生了后移。

柴油机使用的柴油标号不同时，最佳的喷油提前角度的调整也应有所差别。当更换成十六烷值相对较低的柴油时，增大喷油提前角度，减小后燃发生，可提高缸内最大爆发压力，使有效燃油消耗率下降。

2.6 柴油机的转速

柴油机的转速变化同样会对滞燃期和燃烧过程产生一定程度的影响。柴油机转速上升，使活塞的运动速度增加，缸内气体损失及热量散失减少，压缩终点温度和压力增大。同样，当转速升高时，会使喷油器喷出的油压增加，柴油喷出的雾化程度变好，燃烧室内的空气扰动加大，能够促使柴油和空气更好地混合到一起。所以转速的升高，能提高混合气的形成速度，使滞燃时间变短。另外发动机的转速升高，一定的滞燃角内喷入气缸的柴油会相对增多，从而使速燃期内的最大爆发压力和压力升高率变大。此外转速的升高，使以曲轴转角来计时的喷油过程加长，燃烧过程同样加长，后燃期也会加长，但带来的影响将会因为气缸内的空气扰动加强而得以减弱。

2.7 柴油机的负荷

柴油机的负荷对滞燃期也会造成一定的影响。当柴油机的负荷增加时，气缸喷油量增加，气缸内的总发热量也一同增长，燃烧室的表面温度提高，裂化分解变快，滞燃期相应减小。但是在发动机的负荷增加时，因每个周期的喷油总量喷油时间增长，燃烧持续时间成比例上涨，缸内最大的燃烧压力也上涨，后燃加剧。对于平均压力升高率的变化，会随着柴油机的机型变化而变化，低增压的四冲程柴油机，会随着负荷增大，平均压力升高率降低，高增压二冲程的柴油机则反而会上升。

2.8 喷油的规律

发动机燃烧的过程中，柴油的放热规律在很大程度上取决于它的喷油规律，凡是影响发动机喷油规律的因素都会影响它的燃烧过程。通常对燃烧的喷油要求是遵循先少后多的原则，规律是速燃期少烧油，缓燃期多烧油。

柴油机的转速、负荷、喷油提前角度、喷射的背压等条件不同，喷油规律亦有变化，各种因素对喷油规律的影响情况，应根据具体机型具体分析，找到各参数之间合理匹配的燃油喷射系统，以获得较理想的喷油规律[2]。

柴油机喷射系统本身的油泵、油管及喷油器之间的参数存在一定的相互制约关系。在使用中，凸轮磨损、喷油器的喷油压力等参数改变，将引起燃油系统的供油量及喷油规律的改变，从而影响整个发动机的燃烧参数的变化。高压油管长度经过精确的设计不允许随意变化，如在使用中更改，各缸的供油角度就会改变，使喷油的规律发生变化。因此必须按时与原车匹配进行定期检查，并校正喷油泵和喷油器[3]。

3 结 论

改变柴油机燃烧做功的因素有很多，本文只针对一些关键因素进行了分析。实际燃烧过程，是一个复杂的热物理和化学变化的过程，它受到诸多因素的影响，发动机的放热规律与理想放热规律之间存在着很大的不同。本文从管理使用的角度，分析了影响柴油机运行中能够改变燃烧做功的一些关键因素，涉及柴油的品质、换气的质量、气缸内的温度、柴油的雾化、喷油提前角度、柴油机的转速、柴油机的负荷、喷油的规律等方面。为在日常运行中科学施策，必须采取有效的控制方法，例如确保换气质量良好，确保柴油喷射正常，关注所使用柴油的品质，观察排气颜色及各缸排气温度，测量气缸最高爆发压力，测取各缸示功图等，有针对性地提升柴油机日常管理，规避使用中的不足，以提高柴油机燃烧做功的效率，切实发挥柴油机的最大效能。