高速柴油發動機混合加熱循環燃料燃燒過程分析及故障模式研究*

■ 王銀坤 楊淳/中國民用航空飛行學院綿陽分院

0 引言

近年來，隨著電子技術的飛速發展、控制理論和算法的不斷完善和優化，高速柴油發動機在運行可靠性、運行成本、發動機全權限自動化控制以及高效的發動機故障診斷系統等方面已實現了全方位的重大升級。電控高速航空柴油發動機被通用航空營運人和私人飛機擁有者廣泛接受和認可，裝備高速柴油發動機的通航飛機保有量持續增加。此類型發動機與傳統的汽油發動機相比，在燃料燃燒特性及發動機故障模式方面存在重大差異，因此對該類型發動機燃燒特性的研究成為國內眾多通航企業的迫切需求。

1 發動機燃料燃燒過程分析對比

對于內燃發動機來說，燃料和空氣從進入氣缸混合、燃燒到對外輸出功，能量轉換可歸納為以下三個環節，如圖1 所示。

第一個環節是空氣或混合氣進入氣缸的過程。對“量調式”汽油機來說，這一過程中燃料按一定的方式先與空氣混合形成可燃混合氣，然后進入氣缸；而“質調式”柴油機進入氣缸的是純空氣，然后在壓縮行程上死點附近的某一角度向高溫高壓的壓縮空氣中噴射一定量的燃油，邊形成混合氣邊燃燒。進氣過程是將燃料的化學能轉化為熱能的前提，也是熱機對外輸出動力的物質基礎，即進氣能力決定動力性，因此發動機需合理設計燃油系統和進氣系統，以保證良好的混合氣形成條件，混合氣形成的質量將直接影響燃燒效率。對于缸內直噴柴油機的燃燒過程來說，根據其燃料及混合氣的形成特點，分為預混合燃燒過程和擴散燃燒過程。

第二個環節是燃燒放熱過程，主要通過燃燒過程的組織，有效控制燃燒放熱速率。對于混合氣或混合氣的形成過程來說，如何控制其放熱規律，將直接影響發動機的動力性、經濟性和排放特性。根據內燃機實際循環中燃燒放熱過程的不同，其動力循環可簡化為等容加熱循環、混合加熱循環和等壓加熱循環三種理論循環。不同的條件下采用什么樣的循環，即采用什么樣的加熱方式，對循環熱效率影響很大，這也是目前內燃機研究的熱點之一。根據燃料特點，“量調節”式汽油機都采用均質混合燃燒方式，火焰傳播速率很快，燃燒放熱速率較難控制，且燃燒方式會受爆燃的影響，壓縮比不能太高，所以這種燃燒放熱方式的循環熱效率不高。而“質調節”式柴油機是在高溫高壓的空氣（高壓縮比）中通過控制噴油量、噴油定時、噴油率而有效控制燃燒放熱規律的，其循環熱效率較高。

圖1 發動機燃料能量轉換示意圖

第三個環節是能量的傳遞過程。循環加熱量，即進入氣缸的燃料完全燃燒所釋放的總熱量Q1，從理論上所能轉換的機械功為Wt=ηtQ1，其中ηt為理論循環熱效率。由于在實際循環中存在混合氣混合不均勻、不完全燃燒損失、燃燒時間損失，實際推動活塞所做的循環功（指示功）Wi小于理論功Wt，這一部分能量轉換過程的損失用損失系數ηi表示，即Wi=ηiWt。第二個環節中燃燒過程組織的好與壞直接影響損失系數的大小。活塞所做的指示功經連桿驅動曲軸旋轉，對外輸出有效功時需要克服活塞與氣缸、曲軸軸頸和軸承等運動副的摩擦損失，以及驅動其他附件的阻力損失和泵氣損失，這一部分的傳遞損失用機械效率ηm來表示，則實際對外輸出的有效功為We=ηmWi；Wi-We=Wm為機械損失。因此，對一定的指示功，為提高對外輸出的有效功，應盡可能減小發動機內部的傳遞損失，以提高機械效率。

綜上所述，改善發動機性能的所有技術手段都是圍繞和完善上述三個環節而展開的實際優化工作，涉及：1）熱機能量轉換的效果和完善程度，即循環熱效率；2）實際燃燒放熱過程中的能量損失程度；3）機械部分在能量傳遞過程中的消耗比例。

2 高速柴油發動機熱效率分析

本文研究的對象是高速柴油發動機，需分析高速柴油發動機的混合加熱循環如何兼顧發動機性能與熱效率。其混合加熱循環（Dual Cycle）熱效率公式為：

可見，循環熱效率與壓縮比和等熵指數有關，提高壓縮比可以擴大熱力循環的高低溫熱源的平均溫差，增加膨脹比，從而提高循環熱效率。當壓縮比增加到14 后，熱效率的增加率逐漸減少，而機械負荷和熱負荷將成比例增加，對空氣等熵指數k=1.4。但實際循環中是工質為非純空氣的多變過程，一般多變指數n>k，因此，提高多變指數n 或使工質更接近純空氣，如采用稀薄燃燒技術、優化燃燒室構型等，均可以提高循環熱效率。在這方面現代電控柴油機已經處于領先水平。

此外，平均循環壓力（單位氣缸工作容積所做的循環功）也是評價熱力循環做功能力的指標，表達為發動機的最大輸出功率。

由此可見，提高循環熱效率ηt和循環起始點進氣壓力Pa（如采用進氣增壓技術）的措施都有利于提高平均循環壓力Ptm，以此解決發動機動力性問題。

在發動機產品設計階段，需優先考慮發動機輕量化時，壓縮比α 和總加熱量Q1被限制，欲提高混合加熱循環熱效率，應增加等容加熱部分所占的比例。這也促成了高壓燃油共軌技術在高速柴油機上的廣泛應用。此外，柴油發動機主要部件的強化程度普遍高于汽油機，其機械負荷和熱負荷直逼最高壓力和最高溫度設計水平，這樣，在大幅度提升空氣工質壓縮比的情況下，適當增加等壓加熱部分所占的比例，有利于提高高速柴油機的混合加熱循環熱效率。

3 高速柴油發動機燃料燃燒的特點分析

柴油發動機混合氣形成和燃燒具有三大特點：混合氣形成時間短；燃燒室內混合氣在空間時間上分布不均勻；燃料噴射過程和燃燒過程同時存在。

1）滯燃期。當活塞上行接近壓縮行程上死點前的某一時刻，燃油噴嘴將燃油噴入缸內高溫高壓空氣中，油霧經歷破碎、分散、蒸發、汽化等物理混合過程和局部可燃混合氣先期化學反應，使之開始自燃發生化學反應過程，這個階段稱為滯燃期（Delay Period）。當燃料成分和發動機壓縮比確定后，如何改善噴霧條件、組織缸內氣流就成為柴油發動機性能優化和技術創新的方向。最終目標是縮短滯燃期，同時為接下來的速燃期和緩燃期創造更有利的燃燒條件。

2）速燃期。滯燃期之后缸內混合氣進入速燃期。此時，活性中心積累到一定程度，開始氧化放熱，發生劇烈的燃燒反應，可燃混合氣同時燃燒（屬預混合燃燒，且燃燒過程幾乎是在等容狀態下完成的）。缸內溫度和壓力迅速達到最高值。壓力的升高率又與燃料噴入量、噴射方式相關。

3）緩燃期。速燃期之后進入緩燃期（Controlled Combustion）。此階段活塞已開始下行，在非受控燃燒階段燃氣壓力由最高點開始下降，而平均溫度卻升向最高點。之前的噴油已結束，燃料基本燃燒完畢，后續噴入的燃油是在缸內新鮮空氣量減少而燃燒產物不斷增多且氣缸容積逐漸增加的條件下燃燒的，燃燒速度變緩。燃油在已燃燒氣體、空氣和燃油微粒之間的相對擴散過程中邊混合邊燃燒。這個階段的噴油量優化控制直接關系到發動機的經濟性和碳煙排放。

4）補燃期。當發動機在高轉速、高負荷下工作時，噴油量會增加，雖然此階段絕大部分燃油能量已釋放，但一小部分燃料仍在繼續燃燒，后續的燃燒放熱環境是在氣缸容積不斷增加、壓力不斷降低、低膨脹比的狀態下進行的，熱能利用率低，排氣溫度高，發動機熱效率降低。

通過以上對柴油發動機燃料燃燒放熱四個階段的闡述，可總結得出：

1）預混合燃燒時放熱速率快，放熱量大小取決于在著火延遲期（滯燃期）內所形成的可燃混合氣量。可燃混合氣量決定壓力的升高率，而壓力的升高率又與燃料噴入量、噴射方式相關。

2）擴散燃燒時燃燒速率相對緩慢，放熱速率主要取決于空氣和燃料的相互擴散速率，擴散速率與缸內流場的組織和優化、噴油形態和壓力、噴油量、噴油率等有關。

3）氣缸內壓力的變化特性或活塞的做功能力主要與燃料燃燒后對氣體工質的加熱速率和膨脹速率有關。發動機結構確定后，氣缸容積相對于曲軸轉角的變化速率（或工質的膨脹速率）一定，所以活塞的做功能力或氣缸壓力變化特性主要取決于燃燒過程對工質的加熱規律。在確定的發動機的某一穩定工況下，傳熱規律基本保持一定，因此加熱規律取決于燃燒放熱規律。發動機制造廠家根據發動機應用場合的不同，通過發動機電子控制系統對整個燃油燃燒放熱過程的噴油率、噴油定時、噴油量進行調整和控制，可在發動機動力性、經濟性、NVH、排放法規之間做出取舍和 平衡。

4）影響高速柴油發動機燃燒放熱規律的重要因素是燃燒室結構及其內部的氣流特性以及燃料的噴射方式。燃燒室內氣流特性和噴霧特性的優化匹配是控制燃燒放熱規律的主要途徑。高壓燃油共軌技術和電子控制技術引入發動機控制后，噴油形態發生了變化。噴油率控制介入整個燃油燃燒放熱過程（如預噴射、主噴射、后噴射），預混合燃燒和擴散燃燒已沒有明顯界限劃分，極大提升了發動機控制的自由度，使得基于ECU 硬件和控制程序的先進的控制策略得以實現。

4 高速柴油發動機燃燒過程故障模式分析

根據上述研究結果，可以預測現代航空高速柴油發動機在實際使用中可能出現的故障模式及處理方法。

1）發動機排氣冒煙

正常狀態下，電控化高速柴油發動機被嚴格的冒煙極限（Smoke Limitation）標定所限制，一般不會發生明顯可見的冒煙現象。但Austro Engine E4系列發動機取消了lambda value 閉環控制環節，因此，當發動機運行在某個極端工況時，冒煙現象還是有可能發生。對于E4 系列發動機來說，高功率狀態下的輕微排氣冒煙是可以接受的，但發生明顯的排氣冒煙現象時需判斷冒煙的顏色。如果排氣冒煙呈黑色，則應考慮燃油的油品質量問題、燃油噴嘴故障、氣門/氣門座燒蝕、進氣壓力傳感器和ECU 故障、氣缸活塞組早期磨損等可能性；如果排氣冒煙呈藍色，則應考慮氣缸活塞組早期磨損、氣門導套磨損、渦輪增壓器軸承封嚴件損壞等可能性，應配合滑油顏色、滑油消耗率進行交叉確認；如果排氣冒煙呈白色，則應考慮氣缸頭與缸體之間的密封件損壞導致冷卻液竄入燃燒室的可能性，應根據冷卻液消耗量、冷卻液溫度、發動機輸出功率進行交叉確認。

2）發動機燃油消耗率增加

氣缸活塞組早期磨損、氣門/氣門座燒蝕首先發生在發動機的一個或兩個氣缸，導致這一兩個缸的工作壓力明顯低于其他缸的正常壓力，如果發動機控制系統不施加噴油補償控制，則會導致發動機運行振動。因此，先進的ECU 控制程序都會增加各缸噴油補償控制環節以抑制缸壓不均造成的發動機扭轉振動，其基本原理是：ECU 根據曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器輸入的PWM 信號，經計算獲得判缸邏輯，同時計算出相位加速值，上述兩項計算值經噴油追加補償程序，對工作壓力最低的缸執行補償噴油修正，以實現各缸工作壓力均衡。當維修人員發現發動機燃油消耗率明顯增加時，應依據AE300-Wizard 軟件判讀故障氣缸，并采取糾正措施。

3）燃油噴嘴故障

燃油噴嘴是ECU 最重要的終端執行部件，其電氣特性、可靠性、魯棒性與發動機運行安全性直接相關。噴嘴噴孔加工精度極高，僅一個噴孔的堵塞就可能造成噴油錐角的改變，進而導致缸內燃燒形態偏離設計狀態。高壓燃油共軌系統的高壓泵、燃油噴嘴為精密耦件結構，對燃油系統污染物非常敏感，因此，維修人員應嚴格執行相關燃油系統防污染措施和要求。

5 總結

隨著裝備現代航空高速柴油發動機的飛機數量的增加，對該類型發動機維護使用的研究也日趨增多。本文研究分析了高速柴油發動機燃料燃燒的特點和燃燒過程中可能的故障模式，可為該類型發動機的維護使用提供理論支持和參考。