提高柴油机燃烧有效性与降低燃油消耗率的措施

闫德松

【摘 要】本文介绍了柴油机的重要性，但受到石油资源储量及其燃烧产物中有害排放物质的制约，文中就如何改善换气质量、提高燃料喷射雾化质量、促进可燃混合气的行车形成和确定恰当的喷油时间、理想的喷油规律、正常的着火条件及散热损失等问题做了阐述。

【关键词】柴油机；燃烧；消耗率；措施

0.前言

柴油机是一种热能机械，它能在宽广的功率范围内以较高的效率将包含在燃料中的化学能转换为机械能。柴油机因其热效率高，用途十分广泛。而且结构相对简单，操纵较为方便，机械性能好，适用性强。这些都是其他热能动力机械无法比拟的。随着人们对生产的高效性、运输的快捷性及运用的安全性等要求的进一步瞩目，相应提高柴油机燃烧有效性，降低燃油消耗率等问题都提出了新的要求。我部现有内燃机车23台，每年柴油消耗量6000多吨，占总成本的比例很大，所以提高柴油机有效性，降低燃油消耗率就显得尤为重要。

1.措施

有效燃油消耗率是评价柴油机经济性能的一个重要指标，他取决于柴油机能量转换过程的完善成度，提高柴油机燃烧有效性，提高机械效率，是降低有效燃油消耗率的两个基本途径。其中可燃混和气的形成与燃烧是柴油机能量转换过程中的一个核心环节。在充分利用气缸内新鲜空气充量的前提下完善地组织燃烧过程；在满足平稳运转要求的同时，最大限度的提高燃烧的等容度，可使工质实现充分膨胀，并能减少散热损失。从而可以提高燃烧的有效性，使柴油机的做功能力与经济性能都得到应有的改善。所以，如何提高柴油机燃烧的有效性，降低燃油消耗率的措施主要有以下几个方面：

1.1改善换气质量

提高充量系数，充量系数的大小，实际上取决于换气过程的完善程度。降低进排气流动损失，减少气缸的残余废气，减少进气过程中高温壁面对新鲜空气的加热。适当加大进排气流通面积，合理确定进排气门与经排气管的结构。避免流通急剧折转或突然收缩，提高气道制造工艺水平，可以降低气体的流通速度，形成稳定的流场，减少进排气流动的损失。合理确定配气相位，配气定时是影响换气质量的另一个重要因素。在换气过程中，对应于活塞行程的上下止点，进排气门分别有一个恰当的提前开启和迟后关闭的角度。（12V240ZJ—1型柴油机进气门提前60°开启，迟后50°关闭；排气门提前50°开启，迟后60°关闭。12V240ZJD型柴油机进气门提前50°开启，迟后42°关闭；排气门提前50°开启，迟后50°关闭 ）这样可以在整个进气与排气过程中获得较大的气门流通面积，从而减少进排气流动损失，改善换气质量。

1.2提高燃油喷射雾化质量

燃油喷射雾化质量对于提高气缸内空气的利用率与改善可燃混和气的质量具有重大的影响。燃油的喷射雾化质量主要与喷油器的结构与流经喷孔的喷射速度有关。当喷油器喷孔结构参数一定时，燃油的喷射速度主要取决于喷射压力与燃油的密度。当前柴油机的喷油压力一般在30MPa以内，为了改善喷射初期与喷射后期燃油的雾化质量，可以采用蓄压式喷施系统，以保持喷射过程中喷油压力恒定，亦可采取措施进一步提高喷油压力，更高的喷射压力不仅可以全面改善燃油雾化质量，而且可以提高喷油速率，使喷油持续期缩短，在较小的喷油提前角下获得较大的燃烧等容度，这对提高做功能力、减少燃油消耗率及改善派发给你质量都是有利的。

2.促进可燃混和气的形成，提高燃烧的等容度

在保证换气质量与燃油雾化质量的前提下，可燃混和气的形成速度和燃料规及燃料喷雾与燃烧室结构形式的匹配有很大的关系。出于利用燃烧室内不同性质、不同强度的运动气流来改善可燃混和气体质量的考虑，中型、大型柴油机中普遍采用直接喷施式燃烧室结构。至于气缸内部气流运动特性的利用问题，在不同缸径范围的柴油机中具有不同的侧重点。对于大型柴油机来说，因其转速较低，可燃混合气形成及燃烧过程可用的时间较长，燃烧室内空气的利用率高，易于形成满足燃烧过程的均质可燃混和气，故一般仅注重调节燃油喷雾特性及其与燃烧室的恰当匹配来获得燃烧喷雾在燃烧室内的良好静态分布，即可改善燃烧过程。缸内适当强度的气流扰动，不仅可以改善燃油与空气的热交换，从而利用于燃油的蒸发气化，加速燃油的着火过程及燃烧速度，最终使燃烧持续期相应缩短。但是，当气功气流扰动强度过大时，伴随着可燃混和气浓度场与温度场均匀化历程的加速及燃烧室壁面散热强度的增大，在柴油机启动、怠速或低负荷工况等低温条件下，因高于燃油着火温度的可燃混和气不易形成，也会导致着火落后期的增大。影响可燃混和气形成速度与燃烧速率的另一个重要因素是喷油提前角和喷油规律。在相同的燃烧始点下，初期燃烧放热量越大，因燃烧的等容度提高，所以，最高燃油压力相应上升，热效率随之增大。在相同的放热规律下，着火时刻愈早，燃烧过程愈接近等容加热循环，因此，压力升高率最大，热效率也最高。燃烧初期放热量很小，大部分热量是在活塞离开上止点较远的较大气缸容积释放出来的，所以压力升高率及最高燃烧压力都很低，相应热效率也最低。

喷油规律主要取决于喷油泵凸轮型线、柱塞直径、喷油泵转速及喷油器的流通特性。对应于柱塞有效行程区段的凸轮型线愈陡，则供油速度愈高，因而可使喷油率增大，喷油持续期缩短，可使过高的柱塞加速度又会恶化相关运动元件的动力学性能而影响工作可靠性。加大柱塞直径，因单位时间内供油量增大，同样可使喷油持续期缩短。在喷孔面积一定的前提下，若进一步提高喷射压力，同样可以增大喷孔了流通能力而使喷油持续期缩短，因而面对进一步改善柴油机燃烧性能的要求，当前人们更重视采用高压喷射技术。当然，在现有基础上进一步提高喷射压力，也会给柴油机燃料喷射系统带领一些新的技术难题。在现有的机械式燃料喷射系统中，燃油压力不仅随喷射过程而变化，而且很大程度上受到柴油机转速与负荷的影响，为了在不同的运转工况下都能保证必要的燃烧雾化质量及最佳的喷油规律，可以采用电子喷射系统来取代传统的机械式喷射系统，与机械式喷射系统相比，电子喷射系统具用以下显著有点：可以根据多种影响柴油机工作过程的信息源对燃料喷射过程进行最佳控制，控制模式易于改变，控制的自由度大，可以直接检测控制对象的实际调节量，通过反馈控制进一步提高调节精度，具有系统的诊断、保护、通讯功能、安全可靠性较高。

3.减少散热损失的技术措施

在工作过程中由冷却介质及废气带走的热量约占每循环燃料燃烧放热量的二分之一。改善燃烧过程，提高燃烧的等容度，使工质得以充分膨胀，是减少冷却介质与废气散热损失的基本途径。此外，采用废气涡轮增压回收部分废气能量、适当提高冷却介质温度实现高温冷却、在固定式动力装置中利用换热元件回收冷却介质与废气的余热等等，都可以有效的减少柴油机能量转换过程中的散热损失。适当提高冷却水的工作温度，不仅可以减少冷却介质的散热损失，而且，随着燃烧室壁面温度的提高，有助于改善燃料蒸发、混和、着火与燃烧的条件，进而可以增大燃烧的等容度，提高热能利用率。但冷却介质温度升高时，柴油机受热零部件的热负荷相应增大，气缸盖、气缸套、活塞组与气门等受热零部件过热，不仅表现为零件受热膨胀变形，破坏正常配合间隙，而起当变形受到约束时在零件内部还会产生很大的热应力，加之，高温会引起材料金属组织变化，导致晶体粗化，使材料的机械强度与硬度随之下降，从而使受热零部件产生热疲劳裂损。用高温结构陶瓷制成活塞、气缸套及气缸盖底板等燃烧室零件，可以有效地隔热，使散热损失大大降低。 [科]