提高柴油機(jī)燃燒有效性與降低燃油消耗率的措施

提高柴油機(jī)燃燒有效性與降低燃油消耗率的措施0.前言柴油機(jī)是一種熱能機(jī)械，它能在寬廣的功率范圍內(nèi)以較高的效率將包含在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。柴油機(jī)因其熱效率高，用途十分廣泛。而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，操縱較為方便，機(jī)械性能好，適用性強(qiáng)。這些都是其他熱能動(dòng)力機(jī)械無(wú)法比擬的。隨著人們對(duì)生產(chǎn)的高效性、運(yùn)輸?shù)目旖菪约斑\(yùn)用的安全性等要求的進(jìn)一步矚目，相應(yīng)提高柴油機(jī)燃燒有效性，降低燃油消耗率等問(wèn)題都提出了新的要求。我部現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車23臺(tái)，每年柴油消耗量6000多噸，占總成本的比例很大，所以提高柴油機(jī)有效性，降低燃油消耗率就顯得尤為重要。措施有效燃油消耗率是評(píng)價(jià)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，他取決于柴油機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的完善成度，提高柴油機(jī)燃燒有效性，提高機(jī)械效率，是降低有效燃油消耗率的兩個(gè)基本途徑。其中可燃混和氣的形成與燃燒是柴油機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。在充分利用氣缸內(nèi)新鮮空氣充量的前提下完善地組織燃燒過(guò)程;在滿足平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)要求的同時(shí)，最大限度的提高燃燒的等容度，可使工質(zhì)實(shí)現(xiàn)充分膨脹，并能減少散熱損失。從而可以提高燃燒的有效性，使柴油機(jī)的做功能力與經(jīng)濟(jì)性能都得到應(yīng)有的改善。所以，如何提高柴油機(jī)燃燒的有效性，降低燃油消耗率的措施主要有以下幾個(gè)方面：1.1改善換氣質(zhì)量提高充量系數(shù)，充量系數(shù)的大小，實(shí)際上取決于換氣過(guò)程的完善程度。降低進(jìn)排氣流動(dòng)損失，減少氣缸的殘余廢氣，減少進(jìn)氣過(guò)程中高溫壁面對(duì)新鮮空氣的加熱。適當(dāng)加大進(jìn)排氣流通面積，合理確定進(jìn)排氣門(mén)與經(jīng)排氣管的結(jié)構(gòu)。避免流通急劇折轉(zhuǎn)或突然收縮，提高氣道制造工藝水平，可以降低氣體的流通速度，形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，減少進(jìn)排氣流動(dòng)的損失。合理確定配氣相位，配氣定時(shí)是影響換氣質(zhì)量的另一個(gè)重要因素。在換氣過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于活塞行程的上下止點(diǎn)，進(jìn)排氣門(mén)分別有一個(gè)恰當(dāng)?shù)奶崆伴_(kāi)啟和遲后關(guān)閉的角度。（12V240ZJ—1型柴油機(jī)進(jìn)氣門(mén)提前60°開(kāi)啟，遲后50°關(guān)閉；排氣門(mén)提前50°開(kāi)啟，遲后60°關(guān)閉。12V240ZJD型柴油機(jī)進(jìn)氣門(mén)提前50°開(kāi)啟，遲后42°關(guān)閉;排氣門(mén)提前50°開(kāi)啟，遲后50°關(guān)閉）這樣可以在整個(gè)進(jìn)氣與排氣過(guò)程中獲得較大的氣門(mén)流通面積，從而減少進(jìn)排氣流動(dòng)損失，改善換氣質(zhì)量。1.2提高燃油噴射霧化質(zhì)量燃油噴射霧化質(zhì)量對(duì)于提高氣缸內(nèi)空氣的利用率與改善可燃混和氣的質(zhì)量具有重大的影響。燃油的噴射霧化質(zhì)量主要與噴油器的結(jié)構(gòu)與流經(jīng)噴孔的噴射速度有關(guān)。當(dāng)噴油器噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，燃油的噴射速度主要取決于噴射壓力與燃油的密度。當(dāng)前柴油機(jī)的噴油壓力一般在30MPa以內(nèi)，為了改善噴射初期與噴射后期燃油的霧化質(zhì)量，可以采用蓄壓式噴施系統(tǒng)，以保持噴射過(guò)程中噴油壓力恒定，亦可采取措施進(jìn)一步提高噴油壓力，更高的噴射壓力不僅可以全面改善燃油霧化質(zhì)量，而且可以提高噴油速率，使噴油持續(xù)期縮短，在較小的噴油提前角下獲得較大的燃燒等容度，這對(duì)提高做功能力、減少燃油消耗率及改善派發(fā)給你質(zhì)量都是有利的。促進(jìn)可燃混和氣的形成，提高燃燒的等容度在保證換氣質(zhì)量與燃油霧化質(zhì)量的前提下，可燃混和氣的形成速度和燃料規(guī)及燃料噴霧與燃燒室結(jié)構(gòu)形式的匹配有很大的關(guān)系。出于利用燃燒室內(nèi)不同性質(zhì)、不同強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)氣流來(lái)改善可燃混和氣體質(zhì)量的考慮，中型、大型柴油機(jī)中普遍采用直接噴施式燃燒室結(jié)構(gòu)。至于氣缸內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)特性的利用問(wèn)題，在不同缸徑范圍的柴油機(jī)中具有不同的側(cè)重點(diǎn)。對(duì)于大型柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，因其轉(zhuǎn)速較低，可燃混合氣形成及燃燒過(guò)程可用的時(shí)間較長(zhǎng)，燃燒室內(nèi)空氣的利用率高，易于形成滿足燃燒過(guò)程的均質(zhì)可燃混和氣，故一般僅注重調(diào)節(jié)燃油噴霧特性及其與燃燒室的恰當(dāng)匹配來(lái)獲得燃燒噴霧在燃燒室內(nèi)的良好靜態(tài)分布，即可改善燃燒過(guò)程。缸內(nèi)適當(dāng)強(qiáng)度的氣流擾動(dòng)，不僅可以改善燃油與空氣的熱交換，從而利用于燃油的蒸發(fā)氣化，加速燃油的著火過(guò)程及燃燒速度，最終使燃燒持續(xù)期相應(yīng)縮短。但是，當(dāng)氣功氣流擾動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，伴隨著可燃混和氣濃度場(chǎng)與溫度場(chǎng)均勻化歷程的加速及燃燒室壁面散熱強(qiáng)度的增大，在柴油機(jī)啟動(dòng)、怠速或低負(fù)荷工況等低溫條件下，因高于燃油著火溫度的可燃混和氣不易形成，也會(huì)導(dǎo)致著火落后期的增大。影響可燃混和氣形成速度與燃燒速率的另一個(gè)重要因素是噴油提前角和噴油規(guī)律。在相同的燃燒始點(diǎn)下，初期燃燒放熱量越大，因燃燒的等容度提高，所以，最高燃油壓力相應(yīng)上升，熱效率隨之增大。在相同的放熱規(guī)律下，著火時(shí)刻愈早，燃燒過(guò)程愈接近等容加熱循環(huán)，因此，壓力升高率最大，熱效率也最高。燃燒初期放熱量很小，大部分熱量是在活塞離開(kāi)上止點(diǎn)較遠(yuǎn)的較大氣缸容積釋放出來(lái)的，所以壓力升高率及最高燃燒壓力都很低，相應(yīng)熱效率也最低。噴油規(guī)律主要取決于噴油泵凸輪型線、柱塞直徑、噴油泵轉(zhuǎn)速及噴油器的流通特性。對(duì)應(yīng)于柱塞有效行程區(qū)段的凸輪型線愈陡，則供油速度愈高，因而可使噴油率增大，噴油持續(xù)期縮短，可使過(guò)高的柱塞加速度又會(huì)惡化相關(guān)運(yùn)動(dòng)元件的動(dòng)力學(xué)性能而影響工作可靠性。加大柱塞直徑，因單位時(shí)間內(nèi)供油量增大，同樣可使噴油持續(xù)期縮短。在噴孔面積一定的前提下，若進(jìn)一步提高噴射壓力，同樣可以增大噴孔了流通能力而使噴油持續(xù)期縮短，因而面對(duì)進(jìn)一步改善柴油機(jī)燃燒性能的要求，當(dāng)前人們更重視采用高壓噴射技術(shù)。當(dāng)然，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高噴射壓力，也會(huì)給柴油機(jī)燃料噴射系統(tǒng)帶領(lǐng)一些新的技術(shù)難題。在現(xiàn)有的機(jī)械式燃料噴射系統(tǒng)中，燃油壓力不僅隨噴射過(guò)程而變化，而且很大程度上受到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的影響，為了在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下都能保證必要的燃燒霧化質(zhì)量及最佳的噴油規(guī)律，可以采用電子噴射系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)械式噴射系統(tǒng)，與機(jī)械式噴射系統(tǒng)相比，電子噴射系統(tǒng)具用以下顯著有點(diǎn)：可以根據(jù)多種影響柴油機(jī)工作過(guò)程的信息源對(duì)燃料噴射過(guò)程進(jìn)行最佳控制，控制模式易于改變，控制的自由度大，可以直接檢測(cè)控制對(duì)象的實(shí)際調(diào)節(jié)量，通過(guò)反饋控制進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)精度，具有系統(tǒng)的診斷、保護(hù)、通訊功能、安全可靠性較高。減少散熱損失的技術(shù)措施在工作過(guò)程中由冷卻介質(zhì)及廢氣帶走的熱量約占每循環(huán)燃料燃燒放熱量的二分之一。改善燃燒過(guò)程，提高燃燒的等容度，使工質(zhì)得以充分膨脹，是減少冷卻介質(zhì)與廢氣散熱損失的基本途徑。此外，采用廢氣渦輪增壓回收部分廢氣能量、適當(dāng)提高冷卻介質(zhì)溫度實(shí)現(xiàn)高溫冷卻、在固定式動(dòng)力裝置中利用換熱元件回收冷卻介質(zhì)與廢氣的余熱等等，都可以有效的減少柴油機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的散熱損失。適當(dāng)提高冷卻水的工作溫度，不僅可以減少冷卻介質(zhì)的散熱損失，而且，隨著燃燒室壁面溫度的提高，有助于改善燃料蒸發(fā)、混和、著火與燃燒的條件，進(jìn)而可以增大燃燒的等容度，提高熱能利用率。但冷卻介質(zhì)溫度升高時(shí)，柴油機(jī)受熱零部件的熱負(fù)荷相應(yīng)增大，氣缸蓋、氣缸套、活塞組與氣門(mén)等受熱零部件過(guò)熱，不僅表現(xiàn)為零件受熱膨脹