新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)燃燒階段劃分和放熱規(guī)律

 

柴油發(fā)電機(jī)壓縮比一般高達(dá)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(nèi)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(nèi)的壓縮壓力和溫度必然比汽油機(jī)要高得多。為了分析柴油發(fā)電機(jī)的燃燒過(guò)程，也借助于氣缸內(nèi)的壓力變化規(guī)律-示功圖。

 

一、燃燒階段的劃分

 

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)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(jī)示功圖

 

1、第I階段稱為滯燃期或著火延遲期T_i

 

如圖1中AB段，指從噴油器噴油開(kāi)始的A點(diǎn)至由于著火燃燒引起氣缸壓力升高使其開(kāi)始脫離壓縮線的B點(diǎn)。在滯燃期，噴油器在A點(diǎn)向溫度高達(dá)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(yīng)使之開(kāi)始自燃的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

著火延遲期對(duì)柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程及排放特性的影響很大。著火延遲期越長(zhǎng)，則在該時(shí)間內(nèi)噴入的燃料量就越多，所形成的可燃混合氣量增加，所以著火時(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。若著火延遲期過(guò)短，雖然著火延遲期內(nèi)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(xù)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(jì)性。因此，精確控制合適的著火延遲期，對(duì)控制柴油發(fā)電機(jī)的燃燒過(guò)程具有重要的意義。

影響柴油發(fā)電機(jī)著火延遲期T_i的主要因素有：燃料的十六烷值，壓縮終了氣缸內(nèi)的溫度和壓力，噴霧條件和氣缸內(nèi)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)使著火延遲期縮短。

 

2、第II階段稱為速燃期

 

指從氣缸壓力脫離壓縮線的B點(diǎn)開(kāi)始至達(dá)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(nèi)形成的可燃混合氣同時(shí)燃燒，所以又稱為預(yù)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(dá)13～18MPa，一般用平均壓力升高率Δp/Δφ［MPa/（°）］表示氣缸內(nèi)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

壓力升高率越大，表示預(yù)混合燃燒量越多，這雖然有利于提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但柴油發(fā)電機(jī)工作粗暴，燃燒噪聲大，NO_x排放量增加。因此，柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程中壓力升高率應(yīng)限制在一定的范圍之內(nèi)。壓力升高率的大小主要取決于在T_i內(nèi)所形成的可燃混合氣量m_Ti，而m_Ti又與T_i的長(zhǎng)短和在T_i內(nèi)噴入的燃料量有關(guān)。所以，柴油發(fā)電機(jī)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(guī)律噴入氣缸，以控制壓力升高率和放熱規(guī)律。

 

3、第III階段為緩燃期

 

指從最高壓力的C點(diǎn)至氣缸內(nèi)最高平均溫度的D點(diǎn)。在這一階段，一般噴射過(guò)程已結(jié)束。緩燃期的特點(diǎn)是，在前期噴射的燃料在速燃期內(nèi)已基本燃燒完畢，后續(xù)噴射的燃料是在氣缸內(nèi)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(xiàn)象。在這一階段，如果燃燒組織不當(dāng)，后續(xù)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(nèi)的氣流運(yùn)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(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是非常重要的。從這個(gè)意義上又稱緩燃期為擴(kuò)散燃燒階段，是柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程中控制節(jié)能與碳煙排放的重要環(huán)節(jié)。影響擴(kuò)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(nèi)的氣流特性及強(qiáng)度等，而這些因素又直接影響混合氣的形成過(guò)程。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)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(jī)升功率小于汽油機(jī)的主要原因。

 

4、第IV階段為補(bǔ)燃期

 

指從最高溫度的D點(diǎn)至混合氣基本燃燒完畢。補(bǔ)燃期的終點(diǎn)很難確定，一般當(dāng)放熱量達(dá)到總放熱量的95％～99％時(shí)，認(rèn)為補(bǔ)燃結(jié)束。由于柴油發(fā)電機(jī)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(xiàn)象又稱為后燃。柴油發(fā)電機(jī)在高速、高負(fù)荷時(shí)，噴射量多，活塞平均速度快，所以后燃比較嚴(yán)重。補(bǔ)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(guī)律

 

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

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

所謂放熱規(guī)律，就是指放熱速率隨時(shí)間（曲軸轉(zhuǎn)角）的變化特性，它直接影響這種壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性。因此，放熱規(guī)律對(duì)分析和改進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)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(nèi)（每度曲軸轉(zhuǎn)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(duì)活塞所做的機(jī)械功；φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

由式（2），放熱速率dQB/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律稱為放熱規(guī)律；加熱速率dQ/do隨曲軸轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律稱為加熱規(guī)律；而傳熱率dQw/dφ隨曲軸轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律稱為傳熱規(guī)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?jǐn)?shù)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角和燃燒過(guò)程中任意時(shí)刻對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置。

圖2所示為放熱規(guī)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(rèn)為m不變，并忽略工質(zhì)成分對(duì)熱力學(xué)能的影響，即令         

                     

 (公式4)

 

圖2 柴油機(jī)放熱規(guī)律及累積放熱率

 

由式（2），燃燒放熱對(duì)工質(zhì)的加熱率dQ/dφ＝dU/dφ＋dW/dφ，工質(zhì)對(duì)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(duì)工質(zhì)的加熱速率和膨脹速率有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，氣缸容積相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的變化速率，或工質(zhì)的膨脹速率相對(duì)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(duì)工質(zhì)的加熱規(guī)律。對(duì)結(jié)構(gòu)一定的發(fā)動(dòng)機(jī)在某一確定的工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，傳熱規(guī)律也相對(duì)一定，因而加熱規(guī)律就取決于燃燒放熱規(guī)律。所以，如何控制柴油發(fā)電機(jī)的燃燒放熱規(guī)律，將直接影響柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、最高燃燒壓力、燃燒噪聲及 NO，排放等性能指標(biāo)。

影響柴油發(fā)電機(jī)燃燒放熱規(guī)律的主要因素是，燃燒室結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的氣流特性，以及燃料的噴射方式。而燃燒室內(nèi)氣流特性和噴霧特性的優(yōu)化匹配是控制柴油發(fā)電機(jī)燃燒放熱規(guī)律的主要途徑。對(duì)一定的噴霧特性，并非氣缸內(nèi)氣流強(qiáng)度越強(qiáng)越好。隨著柴油發(fā)電機(jī)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(yīng)用，柴油發(fā)電機(jī)燃燒放熱規(guī)律的優(yōu)化控制成為可能。而控制熱規(guī)律的主要內(nèi)容就是燃燒過(guò)程的三要素，即燃燒放熱的時(shí)刻、放熱規(guī)律曲線形狀及燃燒放熱持續(xù)時(shí)間。

 

 

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