性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

影響柴油發(fā)電機(jī)組燃燒過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)因素

 

摘要：通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣、燃燒、做功、排氣四個(gè)行程的原理可以得知，柴油發(fā)電機(jī)對(duì)燃燒過(guò)程的要求是非常高的。從動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性的方面來(lái)考慮，燃燒應(yīng)該在上止點(diǎn)的附近完成，并且應(yīng)該以盡量低的空燃比而又讓燃燒完全，且讓排氣沒(méi)有煙；從運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及壽命的方面考慮，應(yīng)該降壓力升高率以及限制最高的燃燒壓力。因此，燃燒過(guò)程的基本要求是相互聯(lián)系但是又矛盾的，為了更加深入的分析該問(wèn)題，康明斯公司在本文中對(duì)影響柴油機(jī)燃燒過(guò)程的因素進(jìn)行逐一闡述。

 

1、負(fù)荷

      柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷的大小是通過(guò)噴射量來(lái)調(diào)節(jié)的，所以稱之為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。其特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨負(fù)荷的變化進(jìn)入氣缸的空氣量基本保持不變。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，循環(huán)噴射量增加，混合氣變濃，單位氣缸工作容積內(nèi)混合氣燃燒放熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，著火延遲期縮短，有利于降低柴油發(fā)電機(jī)的工作粗暴。一般在中小負(fù)荷時(shí)，燃燒效率變化不大，但是在大負(fù)荷時(shí)隨著噴射量的加大，噴射持續(xù)期延長(zhǎng)，空燃比減小，同時(shí)燃燒過(guò)程相對(duì)遲后，不利于提高熱效率。采用電控高壓噴射技術(shù)以后，通過(guò)軌壓的控制，有效地改善了燃燒熱效率和有害排放物的問(wèn)題。但是，為進(jìn)一步完善柴油發(fā)電機(jī)的工作循環(huán)，以適應(yīng)更嚴(yán)格的排放法規(guī)，達(dá)到既提高循環(huán)熱效率又降低排放的目的，需要在壓縮膨脹過(guò)程中合理地控制放熱規(guī)律。前述的多階段高壓噴射技術(shù)，為合理控制放熱規(guī)律提供了必要的技術(shù)條件。

2、轉(zhuǎn)速

      隨著發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)升功率的提高，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，工作循環(huán)所占時(shí)間縮短，使得散熱損失和漏氣損失減小，缸內(nèi)壓縮終了的溫度和壓力都得到提高，同時(shí)摩擦損失也會(huì)增大。對(duì)非恒壓控制的噴射系統(tǒng)，如泵噴油器、單體泵等，隨著轉(zhuǎn)速的升高，噴油壓力也會(huì)提高，使得噴霧質(zhì)量得到改善。但是，以曲軸轉(zhuǎn)角為單位的著火延遲期卻有可能隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，造成燃燒過(guò)程遲后，燃燒熱效率降低。

      柴油發(fā)電機(jī)高壓噴射化，在改善燃料的霧化混合條件的同時(shí)，有效地縮短了噴射時(shí)期，這是直噴式柴油發(fā)電機(jī)高速化的前提。噴油器的高速響應(yīng)特性是改善柴油發(fā)電機(jī)高速性能的重要因素。

3、燃油特性

      影響柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程的燃料的性能指標(biāo)是十六烷值。十六烷值高的燃料，自燃性好，所以著火延遲期短，壓力升高率低，柴油發(fā)電機(jī)工作溫柔，NO_x排放量少。但是，如果燃料的十六烷值過(guò)高，則在噴射過(guò)程初期噴射的燃料在噴油器噴孔附近首先著火，而后續(xù)噴射的燃料噴在已燃燒的火焰面上，所以很容易造成高溫缺氧的條件而冒黑煙。反之，如果十六烷值過(guò)低，則燃料的自燃性差，不易著火，因此著火延遲期延長(zhǎng)，使得預(yù)混合燃燒的可燃混合氣量增多，工作粗暴，NO，排放量增加。所以，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的壓縮比等，需要合理?yè)袢剂系氖橹怠?/span>

      柴油發(fā)電機(jī)冷起動(dòng)或低溫運(yùn)行時(shí)，十六烷值對(duì)著火延遲期和HC排放影響很大。在柴油發(fā)電機(jī)冷態(tài)下能正常燃燒的條件，可用燃料噴射持續(xù)時(shí)間和著火延遲期的差值Δt_p-z來(lái)表示。在其他條件相同的情況下，將壓縮比ε從16降低到14時(shí)，由于著火延遲期延長(zhǎng)，所以Δt_p-z-絕對(duì)值增加，燃燒速率減慢，燃燒溫度降低，可有效地減少NO_x排放量；同時(shí)，在壓縮比ε為14的條件下，將燃料的十六烷值從55提高到85左右時(shí)，其著火特性與壓縮比為16時(shí)的相當(dāng)（圖1），但如圖2中所示，在保證NO_x排放量變化不大的條件下，可有效地降低HC排放量。

 

圖1 壓縮比和十六烷值對(duì)著火特性的影響

圖2 壓縮比和十六烷值對(duì)排放特性的影響

 

4、EGR

      廢氣再循環(huán)（EGR）是控制NO_x排放的有效措施。但是采用EGR后，柴油發(fā)電機(jī)的耐久性和可靠性有所惡化，而且實(shí)施過(guò)量的EGR后可能帶來(lái)燃油消耗率增加和排煙惡化等問(wèn)題。因此，根據(jù)不同工況精確控制再循環(huán)廢氣量，是在保證柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，有效降低NO_x排放量的重要措施。

      柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)EGR降低NO_x排放量的機(jī)理與汽油機(jī)有所不同。汽油機(jī)是直接通過(guò)節(jié)氣門開度控制負(fù)荷，故部分負(fù)荷時(shí)對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行節(jié)流。所以，如果在部分負(fù)荷下進(jìn)行廢氣再循環(huán)的話，進(jìn)入氣缸的總進(jìn)氣量中相當(dāng)于EGR量的空氣流量減小，而燃料的噴射量是根據(jù)進(jìn)入氣缸的空氣流量來(lái)確定的，因此空燃比基本保持不變。但是，柴油發(fā)電機(jī)沒(méi)有進(jìn)氣節(jié)流現(xiàn)象，而且負(fù)荷的大小用噴射量來(lái)調(diào)節(jié)（質(zhì)調(diào)節(jié)），所以實(shí)施EGR以后，相對(duì)EGR量部分減少了進(jìn)入氣缸的空氣量，而噴射量不變，故空燃比減小，混合氣變濃。

      汽油機(jī)在高負(fù)荷時(shí)，氣缸內(nèi)的EGR量會(huì)使燃?xì)獾臒崛菰黾?，相?yīng)地平均燃?xì)鉁囟冉档?；而柴油發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷時(shí)，由于EGR量所引起的熱容變化小，而空燃比的減小使氧的濃度降低。因此，在柴油發(fā)電機(jī)上EGR降低NO_x排放量的主要原因是：一方面，具有較高比熱容的再循環(huán)廢氣的惰性作用，使混合氣的熱容增大，可以抑制混合氣的燃燒，降低最高燃燒溫度，有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著EGR率的增加，火焰溫度降低，使燃燒氣體溫度降低；另一方面，通過(guò)EGR，減小了進(jìn)入氣缸的空氣量，使氣缸內(nèi)的氧和氮的濃度降低。圖3所示為EGR對(duì)發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)降低NO_x排放的影響。由此表明，柴油發(fā)電機(jī)實(shí)施EGR以后，上述兩方面的作用，對(duì)降低NO_x排放量的效果基本上各占50％。

      當(dāng)所實(shí)施的EGR率不超過(guò)20％時(shí)，不僅能有效地降低NO_x的排放量，而且燃油消耗率也會(huì)有所改善。但當(dāng)EGR率過(guò)大時(shí)，燃油消耗率和煙度均惡化，微粒排放量也會(huì)增加。所以，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)工況的要求，需要精確控制EGR量。在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)的EGR系統(tǒng)時(shí)，與汽油機(jī)相比，由于柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)氣壓力和排氣壓力之差比較小，所以為了保證所需的EGR量，EGR回流管要設(shè)計(jì)得粗一些。因此，相應(yīng)地EGR閥也要大，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。柴油發(fā)電機(jī)的EGR閥一般用真空度來(lái)控制，而控制真空度用的電磁閥是通過(guò)ECU根據(jù)事先確定的控制策略來(lái)控制的。

 

圖3 EGR對(duì)NO排放的影響曲線圖

圖4  柴油機(jī)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

 

5、燃燒室溫度

      柴油發(fā)電機(jī)的燃燒室溫度對(duì)燃燒過(guò)程有著重要的影響。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響燃燒效率。燃燒室溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氣體熱力學(xué)效率降低，而溫度過(guò)低則會(huì)使燃燒不充分，容易產(chǎn)生煙氣和二氧化碳等有害物質(zhì)。因此，要確保燃燒室溫度在適宜的范圍內(nèi)，以提高燃燒效率和排放質(zhì)量。

6、進(jìn)氣壓力

      進(jìn)氣壓力對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃燒效率影響很大。進(jìn)氣壓力過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使燃燒效率降低。當(dāng)進(jìn)氣壓力過(guò)低時(shí)，燃料與空氣混合不充分，燃燒效率低；當(dāng)進(jìn)氣壓力過(guò)高時(shí)，空氣無(wú)法充分進(jìn)入燃燒室，同樣會(huì)影響燃燒效率。因此，需要調(diào)整進(jìn)氣壓力，確保進(jìn)氣量適中，以保證最佳的燃燒效率。

7、燃油噴射壓力

      燃油噴射壓力是影響柴油發(fā)電機(jī)燃燒效率的重要因素之一。燃油噴射壓力低會(huì)使燃料串流不充分，無(wú)法達(dá)到完全燃燒；燃油噴射壓力高會(huì)使燃料霧化不均勻，導(dǎo)致燃燒不充分。因此，需要根據(jù)具體情況調(diào)整燃油噴射壓力，保證燃料進(jìn)入燃燒室后能夠完全混合，達(dá)到最佳燃燒效果。

8、空氣濾清器的過(guò)濾效率

      空氣濾清器對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃燒效率影響很大。濾清器的過(guò)濾效率低會(huì)導(dǎo)致空氣中灰塵、雜質(zhì)等污染物進(jìn)入燃燒室，使燃料不充分燃燒，同時(shí)也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的耐久性產(chǎn)生影響。因此，選用高效的空氣濾清器以提高燃燒效率和保障發(fā)電機(jī)性能穩(wěn)定性。

 

總結(jié)：

        以上所述雖然都是影響柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程的主要因素，但康明斯發(fā)電機(jī)公司認(rèn)為這些因素都不是孤立的，它們之間是相互影響，相互聯(lián)系的，決不可單獨(dú)看待它們?？傊?，柴油機(jī)的燃燒效率受多種因素影響，需要針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高柴油發(fā)電機(jī)組的性能和經(jīng)濟(jì)性。

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