新聞主題	柴油發(fā)電機燃燒階段劃分和放熱規律

 

柴油發(fā)電機壓縮比一般高達14～22，目的就是保證燃料噴入氣缸時(shí)，即使是在冷態(tài)下也能使氣缸內的空氣溫度升高到足以使燃料自行燃燒的程度。因此，這種高壓直噴壓燃方式，其氣缸內的壓縮壓力和溫度必然比汽油機要高得多。為了分析柴油發(fā)電機的燃燒過(guò)程，也借助于氣缸內的壓力變化規律-示功圖。

 

一、燃燒階段的劃分

 

根據柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程中氣缸壓力的變化特點(diǎn)（圖1），將燃燒過(guò)程人為地劃分為以下四個(gè)階段。

 

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機示功圖

 

1、第I階段稱(chēng)為滯燃期或著(zhù)火延遲期T_i

 

如圖1中AB段，指從噴油器噴油開(kāi)始的A點(diǎn)至由于著(zhù)火燃燒引起氣缸壓力升高使其開(kāi)始脫離壓縮線(xiàn)的B點(diǎn)。在滯燃期，噴油器在A(yíng)點(diǎn)向溫度高達900K以上的壓縮空氣噴入燃料后，使噴霧經(jīng)歷破碎、分散、蒸發(fā)、汽化等的物理混合過(guò)程，和局部可燃混合氣先期化學(xué)反應使之開(kāi)始自燃的化學(xué)反應過(guò)程。

著(zhù)火延遲期對柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程及排放特性的影響很大。著(zhù)火延遲期越長(cháng)，則在該時(shí)間內噴入的燃料量就越多，所形成的可燃混合氣量增加，所以著(zhù)火時(shí)同時(shí)燃燒的混合氣量越多，壓力升高率增大，工作越粗暴，NO_x排放量增加。若著(zhù)火延遲期過(guò)短，雖然著(zhù)火延遲期內形成的可燃混合氣量減少，工作柔和，NO_x排放量降低，但更多的燃料在后續燃燒過(guò)程中噴射，不僅不利于組織燃燒，使得CO和HC排放量增加，而且熱損失也會(huì )增加，所以不利于提高經(jīng)濟性。因此，精確控制合適的著(zhù)火延遲期，對控制柴油發(fā)電機的燃燒過(guò)程具有重要的意義。

影響柴油發(fā)電機著(zhù)火延遲期T_i的主要因素有：燃料的十六烷值，壓縮終了氣缸內的溫度和壓力，噴霧條件和氣缸內的氣流特性等。凡是能改善噴霧霧化和蒸發(fā)的條件均會(huì )使著(zhù)火延遲期縮短。

 

2、第II階段稱(chēng)為速燃期

 

指從氣缸壓力脫離壓縮線(xiàn)的B點(diǎn)開(kāi)始至達到最高氣缸壓力P_zmax的C點(diǎn)。在這一階段，主要是在T_i內形成的可燃混合氣同時(shí)燃燒，所以又稱(chēng)為預混合燃燒階段。其特點(diǎn)是燃燒等容度高，所以氣缸壓力和溫度急劇升高，最高壓力可達13～18MPa，一般用平均壓力升高率Δp/Δφ［MPa/（°）］表示氣缸內壓力的變化程度，即

 

 (公式1)                            

 

 

 

 

式中，P_C、P_B分別為C點(diǎn)和B點(diǎn)的壓力；φ_C、φ_B分別表示為C點(diǎn)和B點(diǎn)所對應的曲軸轉角。

壓力升高率越大，表示預混合燃燒量越多，這雖然有利于提高動(dòng)力性和經(jīng)濟性，但柴油發(fā)電機工作粗暴，燃燒噪聲大，NO_x排放量增加。因此，柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程中壓力升高率應限制在一定的范圍之內。壓力升高率的大小主要取決于在T_i內所形成的可燃混合氣量m_Ti，而m_Ti又與T_i的長(cháng)短和在T_i內噴入的燃料量有關(guān)。所以，柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程控制的關(guān)鍵，就在于以什么樣的噴射方式（如高壓快速多段噴射），將一定的噴射量以怎樣的噴油規律噴入氣缸，以控制壓力升高率和放熱規律。

 

3、第III階段為緩燃期

 

指從最高壓力的C點(diǎn)至氣缸內最高平均溫度的D點(diǎn)。在這一階段，一般噴射過(guò)程已結束。緩燃期的特點(diǎn)是，在前期噴射的燃料在速燃期內已基本燃燒完畢，后續噴射的燃料是在氣缸內空氣量減少而燃燒產(chǎn)物不斷增多，而且氣缸容積逐漸增加的條件下燃燒，所以燃燒速率緩慢，造成邊噴射邊燃燒的現象。在這一階段，如果燃燒組織不當，后續噴射的燃料直接噴射到高溫缺氧的火焰面上，很容易形成碳煙。因此，緩燃期通過(guò)

燃燒室內的氣流運動(dòng)和噴霧特性的優(yōu)化匹配，組織燃料和未燃空氣之間的相對擴散運動(dòng)是非常重要的。從這個(gè)意義上又稱(chēng)緩燃期為擴散燃燒階段，是柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程中控制節能與碳煙排放的重要環(huán)節。影響擴散燃燒的主要因素有燃料與空氣之間的滲透能力、燃燒室內的氣流特性及強度等，而這些因素又直接影響混合氣的形成過(guò)程。對于柴油發(fā)電機這種不均勻的混合氣形成和燃燒方式，要組織完全燃燒，只能選擇較大的空燃比，所以氣缸空氣利用率低，這是柴油發(fā)電機升功率小于汽油機的主要原因。

 

4、第IV階段為補燃期

 

指從最高溫度的D點(diǎn)至混合氣基本燃燒完畢。補燃期的終點(diǎn)很難確定，一般當放熱量達到總放熱量的95％～99％時(shí)，認為補燃結束。由于柴油發(fā)電機燃燒時(shí)間短促，且邊噴射邊燃燒，混合氣又極不均勻，總有部分燃料不能及時(shí)燃燒而拖到膨脹過(guò)程中再燃燒，因此這種燃燒現象又稱(chēng)為后燃。柴油發(fā)電機在高速、高負荷時(shí)，噴射量多，活塞平均速度快，所以后燃比較嚴重。補燃期的主要特點(diǎn)是，氣缸容積不斷增加，氣缸壓力不斷下降，燃料在較低膨脹比下燃燒放熱，所放出的熱量不能有效利用，排溫升高，散熱損失和排氣損失增加，熱效率降低。因此，要盡可能減少后燃。

 

二、燃燒放熱規律

 

如前所述，根據柴油發(fā)電機的混合氣形成和燃燒特點(diǎn)，將其燃燒過(guò)程劃分為預混合燃燒和擴散燃燒兩部分。預混合燃燒時(shí)放熱速率快，其大小取決于在著(zhù)火延遲期內所形成的可燃混合氣量。而擴散燃燒時(shí)，燃燒速率相對緩慢，主要取決于空氣和燃料的相互擴散速率。

柴油發(fā)電機的這種燃燒方式，確定了其特有的燃燒放熱規律，而正是這種放熱規律制約著(zhù)柴油發(fā)電機的性能。所以，控制放熱規律是改善柴油發(fā)電機性能的重要途徑。

所謂放熱規律，就是指放熱速率隨時(shí)間（曲軸轉角）的變化特性，它直接影響這種壓燃式發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放特性。因此，放熱規律對分析和改進(jìn)柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程具有重要的意義。放熱速率或瞬時(shí)放熱率，是指燃燒過(guò)程中任一時(shí)刻、單位時(shí)間內（每度曲軸轉角）燃燒所放出的熱量。

由能量守恒定律和熱力學(xué)第一定律，有

 

 (公式2)

 

 

式中，Q_B、Q、Q_W分別為燃料燃燒放出的熱量、工質(zhì)吸收的熱量、傳給氣缸壁面的熱量；U工質(zhì)的熱力學(xué)能；W為工質(zhì)對活塞所做的機械功；φ為曲軸轉角。

由式（2），放熱速率dQB/dφ隨曲軸轉角φ的變化規律稱(chēng)為放熱規律；加熱速率dQ/do隨曲軸轉角φ的變化規律稱(chēng)為加熱規律；而傳熱率dQw/dφ隨曲軸轉角φ的變化規律稱(chēng)為傳熱規律。

在燃燒過(guò)程中，定義從燃燒開(kāi)始至任一時(shí)刻為止燃燒所放出的累積熱量Q_B與每循環(huán)燃料燃燒總熱量Q_B0之比的百分數為累積放熱率，用x表示，即

 

（公式3）

 

 

式中，g，為循環(huán)噴射量；H，為燃料的低熱值；φ1、42分別為燃燒開(kāi)始時(shí)刻對應的曲軸轉角和燃燒過(guò)程中任意時(shí)刻對應的曲軸轉角位置。

圖2所示為放熱規律及累積放熱率，由此表示在整個(gè)燃燒期間通過(guò)燃燒過(guò)程的組織總放熱量的分配情況。

在燃燒期間工質(zhì)的質(zhì)量m變化很小，所以認為m不變，并忽略工質(zhì)成分對熱力學(xué)能的影響，即令         

                     

 (公式4)

 

圖2 柴油機放熱規律及累積放熱率

 

由式（2），燃燒放熱對工質(zhì)的加熱率dQ/dφ＝dU/dφ＋dW/dφ，工質(zhì)對活塞所做的功為dW＝pdV。又由理想氣體狀態(tài)方程pV＝mRT及R＝c_p-c_y和κ＝c_p/c_v等關(guān)系式，得燃燒后氣缸壓力的變化率為

 

 (公式5)

 

 

這就是說(shuō)，氣缸壓力的變化特性或活塞的做功能力，主要與燃燒后對工質(zhì)的加熱速率和膨脹速率有關(guān)。當發(fā)動(dòng)機結構一定時(shí)，氣缸容積相對曲軸轉角的變化速率，或工質(zhì)的膨脹速率相對一定，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后對工質(zhì)的加熱規律。對結構一定的發(fā)動(dòng)機在某一確定的工況下穩定運行時(shí)，傳熱規律也相對一定，因而加熱規律就取決于燃燒放熱規律。所以，如何控制柴油發(fā)電機的燃燒放熱規律，將直接影響柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、最高燃燒壓力、燃燒噪聲及 NO，排放等性能指標。

影響柴油發(fā)電機燃燒放熱規律的主要因素是，燃燒室結構及其內部的氣流特性，以及燃料的噴射方式。而燃燒室內氣流特性和噴霧特性的優(yōu)化匹配是控制柴油發(fā)電機燃燒放熱規律的主要途徑。對一定的噴霧特性，并非氣缸內氣流強度越強越好。隨著(zhù)柴油發(fā)電機電控技術(shù)及高壓噴射技術(shù)的發(fā)展，以及多段噴射技術(shù)的應用，柴油發(fā)電機燃燒放熱規律的優(yōu)化控制成為可能。而控制熱規律的主要內容就是燃燒過(guò)程的三要素，即燃燒放熱的時(shí)刻、放熱規律曲線(xiàn)形狀及燃燒放熱持續時(shí)間。

 

 

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