壓縮點火發動機

在熱力學上，壓縮點火發動機與火花點火發動機相似，這兩種發動機的循環都包括吸氣、壓縮、加熱、膨脹及排氣等，但壓縮點火發動機的燃燒過程及功率的控制方法，不同於電花點火發動機。壓縮點火發動機，通常空氣在吸氣過程間其壓縮比為12至20之間，因此在燃燒的過程中空氣的溫度變得很高。在壓縮點火發動機中，是以高壓縮比先將空氣壓縮到很高溫度，然後將液體燃料噴入，利用空氣的高溫使燃料發火燃燒。

基本介紹

• 中文名：壓縮點火發動機
• 外文名：Compression ignition engine
• 別名：柴油機
• 四個階段：發火延遲、速燃、緩燃、補燃時期
• 兩類變數：運行變數、設計變數
• 套用領域：內燃機原理

運行變數

燃-空比

柴油機的負荷是隨噴油量而變化的，這導致噴注分布、碰到壁面上的油量、氣缸壓力、溫度和噴射持續時間的變化。

在直噴式發動機中，噴油量增加（高負荷），會使噴射持續時間增加，如果噴油定時和噴油速率不變，那么，更多的燃油會在循環後期噴入，最後一部分噴入的燃油的反應時間較短，而且可利用的氧也較少，這往往會降低烴和碳煙的燒盡率；另一方面，由於更多的燃油被燒掉，所以循環溫度增加，這往往會增加燒盡率。在低負荷情況下，燃油噴注不會到達燃燒室壁，噴注核心區的燃油漿度是低的。HC和醛排放大多來自稀焰外區。當燃-空比增加時，由於溫度增加，所以稀焰外區排出的HC減少。在高負荷時，有更多的燃油附在燃燒室壁上，噴注核心區的燃油濃度增加。結果，這些區域產生大量未燃烴。在中負荷時，有足夠的氧，同時溫度較高，所以與低負荷時相比，HC和碳煙的排放濃度降低。在滿負荷情況下，燃一空氣增加，會使燃燒室壁上和噴注核心區產生更多未燃烴。稀焰外區對總排放量的影響是很小的。儘管溫度很高，但由於缺氧，所以反應受到限制。因此，在滿負荷情況下，烴和碳煙排放濃度會增加。NO排放物主要產生於稀焰區（預混的混合氣燃燒），它們的濃度隨燃一空比的增加而增加。在某些發動機中，NO質量排放量往往與所燃燒的燃油成比例。

在非直噴式發動機中，當負荷增加時，較多的燃油噴入預燃室。如果噴油定時和噴油速率不變，那么，較多的燃油將在循環後期噴入預燃室。當較多的燃油噴入和燃燒時，預燃室中氧濃度下降。這些因素限制了預燃室的燃燒程度，尤其限制了最後噴入的燃油的燃燒程度。因此，燃-空比的增加會增加預燃室中HC、CO和碳煙的生成量。但當燃-空比增加時，主燃室中的溫度增加，由此而引起的主燃室氧化反應速率的增加，會降低HC和CO排放濃度。在低負荷時，NO主要產生於燃燒大部分燃油的預燃室。當負荷增加時，預燃室中的混合氣變濃，預燃室內生成的NO的量大大減少。由於主燃室中的溫度隨負荷的增加而增加，所以可以預計，主燃室中NO的生成量將會增加。但情況不總是這樣，因為當負荷增加時，預燃窒排出的未燃燒的成分的數量會增加，而且隨後的燃燒會降低主燃室中的氧濃度。所以，當負荷增加時，NO濃度通常會降低。

噴油定時

將噴油定時提前，會增加未燃烴的排放量和NO排放量。早噴會使著火遲延加長，這促使燃油蒸氣和小油滴擴散較大的容積中，從而產生較大的稀焰外區。由於空氣密度並不象循環初期那么大，所以早噴會使碰到壁面上的油量增多。噴油定時的提前提供了膨脹衝程中附加的燃燒時間，並產生較高的燃燒溫度。可以預計，這些條件會增加碳粒的燃燒速率。推遲噴油定時，通常會在增加HC、CO和碳煙的不利情況下，降低NO排放量。這一結果是由於遲延期變短而相應預混燃燒的減少所造成的。

進氣溫度

進氣溫度的增加會導致較高的循環溫度，這會降低貫穿和增加一般揮發性燃油的霧化、蒸發和擴散，這些因素使在噴嘴附近產生濃混合氣，並增加碳煙排放量。但對揮發性較低的燃油來說，溫度的增加有助於氧化反應和導致較低的碳煙排放量。循環溫度的增加會導致較高的排放量。

燃油組分

燃油的十六烷值會影響碳粒排放量，降低燃油的十六烷值，會減少碳粒。一種可能的解釋是，由於十六烷值低的燃油具有較長的著火遲延期，所以在著火前會有更多的燃油噴入和混合。因為在非均質狀態下燃燒的油量較少，所以碳粒生成量較少。另一方面，預混燃燒部分增加，會使增加。如果著火遲延很長，稀焰外區就會增加，從而增加HC排放量，另外，HC會隨十六烷值的變化而增加或減少。

設計變數

溫度增壓

渦輪增壓增加循環溫度，從而加速氧化反應。較高的排氣溫度會增加在排氣系統中的反應。這些因素會使HC排放量減少。可以在渦輪增壓的情況下，用中間冷卻來降低循環溫度，從而減少NO排放。

渦流

直噴式柴油機內渦流的大小，會影響混合過程。渦流太強會導致較大的稀焰外區或噴注重疊。因此，對於特定的噴油方式來說，渦流太強會增加烴排放量和碳煙。由於混合不佳，渦流太弱會導致相同的排放增加。通過改變進氣道形狀或燃燒室凹坑直徑與深度之比，可以改變渦流的大小。深凹坑型活塞產生的渦流，往往比淺凹坑型活塞要強。

燃燒室設計

燃燒室設計對排放物的生成有極其重要的作用。直噴式柴油機活塞凹坑的幾何形狀和非直噴式柴油機預燃室的幾何形狀，大大影響所產生的排放物。Middlemiss深入研究了直噴式柴油機的這些影響。研究的參數有：凹坑縮口直徑、壓縮比、凹坑側面角和邊緣形狀。還考察了凹坑中心的“尖變”或凸起的影響。Radovanovic和Diordjevic廣泛調查了非直噴式柴油機的這些影響。他們改變的幾何參數有：預燃室後室幾何形狀、噴嘴頭的錐角、通道直徑、出口下降角、擴展角、通道數和預燃室容積比。可以使這些參數最佳化，以便得到所要求的排放量。

噴油嘴和噴注特性

噴油嘴及其噴注特性會對排放物產生影響。針閥座與噴孔之間的壓力室容積中會有燃油，這部分燃油在膨脹衝程後期會漏出。這部分燃油很少有機會進行反應，因此，會增加碳煙和烴排放量。由於這部分燃油是烴排放的主要來源，所以縮小壓力室容積，能大大降低烴排放量。噴嘴設計也會影響碳煙濃度。直徑較大的噴孔會導致霧化不良，從而增加碳煙。另一方面，Hames等人發現，噴孔尺寸的增加或噴孔數目的減少，會降低發動機整個轉速和負荷範圍內的NO濃度，這可能是由於減少預混燃燒所致。

廢氣再循環系統

人們採用廢氣再循環來減少NO排放。NO減少是由於增加了充量的熱容量，使充量溫度降低。在廢氣再循環的情況下，HC、CO和NO的排放量減少，而碳煙則增加。可以採用高達20%的廢氣再循環量來減塵NO，而對HC或CO影響很小，但會增加碳煙的排放。高於20%時，廢氣再循環會大大增加部分負荷時的碳煙，25%以上的廢氣再循環量就會大大增加滿負荷時的碳煙。為了在不增加其他污染物的情況下減少NO排放，在負荷增加時，應減少廢氣再循環量。

曲軸箱通風系統

在需要大大控制排放的地方，可以採用一種可靠的曲軸箱通風系統。由於柴油機竄氣大部分是空氣，所以它只占柴油機排放量的一小部分。因此，很多柴油機採用一種道路通風式曲軸箱通風系統，環保局也在考慮柴油機竄氣標準。

燃燒過程

根據實際的特徵，將客觀的總燃燒過程劃分為不同的階段，一般是分為發火延遲時期、速燃時期、緩燃時期、補燃時期等四個階段。

發火延遲時期

在噴射初期噴入氣缸的燃料液體顆粒，由於高溫空氣的影晌，經過溫度升高、蒸發、擴散等物理準備過程以及分解和氧化反應等化學準備過程之後，形成火焰中心而發火，發火的地點一般不止一處。由開始噴射燃料時起到發火為止的這一段時期，稱為發火延遲時期。這段時期一般是指噴油器針閥打開時起到氣缸內壓力偏出示功圖上的壓縮線而迅速上升時止的這一段時期。氣缸內壓力偏出壓縮線而迅速上升的時刻比火焰中心形成的時刻略晚一些；但是前者的測量比較簡便，所測結果比較穩定，而且氣缸內的壓力變化情況對於發動機工作情況說來，是最有直接意義的。發火延遲時期的長短，向誘導時期一樣，也是可以用秒數來衡量，或用曲線直角轉角度數來衡量的。

速燃時期

由於燃料是連續噴入氣缸的，所以在初期所噴射的燃料發火時，氣缸內已經有了一定量的燃料，而且這些燃料的各部分處在不同的情況下，有的在蒸發，有的已經與空氣形成混合氣，而且有的已經有相當程度的化學準備，於是當氣缸內燃料發火時，尤其是像一般情形，當在多處同時發火時，氣缸內就會出現迅速燃燒的現象，壓力迅速升高，這一段壓力迅速升高的階段稱為迅速燃燒階段。在速燃時期，壓力上升速率很高，可使柴油機工作粗暴，引起所謂的柴油機震音，有時也會發生衝波，與汽油機的爆震相似。

緩燃時期

在一般情形下，速燃時期終止以後，噴油器仍在繼續噴射燃料，這時一面噴射一面燃燒，一面膨脹。由於燃料與空氣混合不夠均勻，在噴氣終止以後，氣缸內仍在繼續燃燒，隨著氧氣的消耗，燃燒獲得氧氣的機會越來越少，因而燃燒速率會越來越慢，即使在過量空氣係數大於1的情況下，也會有許多燃料分子，只是在膨脹過程中隨著氣體的擾動才能與氧氣接觸而發生反應。一般是以速燃時期終止時到氣缸內氣體溫度達到最高值時的一段時間作為緩燃時期。

補燃時期

緩燃時期以後的燃燒稱為補燃時期。

圖1 燃燒時期的劃分