性能特點和作用說明

影響柴油發電機組燃燒過程的運轉因素

 

摘要：通過對柴油機進氣、燃燒、做功、排氣四個行程的原理可以得知，柴油發電機對燃燒過程的要求是非常高的。從動力性以及經濟性的方面來考慮，燃燒應該在上止點的附近完成，并且應該以盡量低的空燃比而又讓燃燒完全，且讓排氣沒有煙；從運動平穩性以及壽命的方面考慮，應該降壓力升高率以及限制最高的燃燒壓力。因此，燃燒過程的基本要求是相互聯系但是又矛盾的，為了更加深入的分析該問題，康明斯公司在本文中對影響柴油機燃燒過程的因素進行逐一闡述。

 

1、負荷

      柴油發電機負荷的大小是通過噴射量來調節的，所以稱之為“質調節”。其特點是在轉速一定時，隨負荷的變化進入氣缸的空氣量基本保持不變。當負荷增加時，循環噴射量增加，混合氣變濃，單位氣缸工作容積內混合氣燃燒放熱量增加，缸內溫度升高，著火延遲期縮短，有利于降低柴油發電機的工作粗暴。一般在中小負荷時，燃燒效率變化不大，但是在大負荷時隨著噴射量的加大，噴射持續期延長，空燃比減小，同時燃燒過程相對遲后，不利于提高熱效率。采用電控高壓噴射技術以后，通過軌壓的控制，有效地改善了燃燒熱效率和有害排放物的問題。但是，為進一步完善柴油發電機的工作循環，以適應更嚴格的排放法規，達到既提高循環熱效率又降低排放的目的，需要在壓縮膨脹過程中合理地控制放熱規律。前述的多階段高壓噴射技術，為合理控制放熱規律提供了必要的技術條件。

2、轉速

      隨著發電用柴油發電機升功率的提高，柴油發電機轉速不斷提高。當柴油發電機轉速提高時，工作循環所占時間縮短，使得散熱損失和漏氣損失減小，缸內壓縮終了的溫度和壓力都得到提高，同時摩擦損失也會增大。對非恒壓控制的噴射系統，如泵噴油器、單體泵等，隨著轉速的升高，噴油壓力也會提高，使得噴霧質量得到改善。但是，以曲軸轉角為單位的著火延遲期卻有可能隨轉速的升高而增加，造成燃燒過程遲后，燃燒熱效率降低。

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

3、燃油特性

      影響柴油發電機燃燒過程的燃料的性能指標是十六烷值。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，柴油發電機工作溫柔，NO_x排放量少。但是，如果燃料的十六烷值過高，則在噴射過程初期噴射的燃料在噴油器噴孔附近首先著火，而后續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，如果十六烷值過低，則燃料的自燃性差，不易著火，因此著火延遲期延長，使得預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，根據柴油發電機的壓縮比等，需要合理擇燃料的十六烷值。

      柴油發電機冷起動或低溫運行時，十六烷值對著火延遲期和HC排放影響很大。在柴油發電機冷態下能正常燃燒的條件，可用燃料噴射持續時間和著火延遲期的差值Δt_p-z來表示。在其他條件相同的情況下，將壓縮比ε從16降低到14時，由于著火延遲期延長，所以Δt_p-z-絕對值增加，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，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，其著火特性與壓縮比為16時的相當（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著火特性的影響

圖2 壓縮比和十六烷值對排放特性的影響

 

4、EGR

      廢氣再循環（EGR）是控制NO_x排放的有效措施。但是采用EGR后，柴油發電機的耐久性和可靠性有所惡化，而且實施過量的EGR后可能帶來燃油消耗率增加和排煙惡化等問題。因此，根據不同工況精確控制再循環廢氣量，是在保證柴油發電機動力性和經濟性的前提下，有效降低NO_x排放量的重要措施。

      柴油發電機通過EGR降低NO_x排放量的機理與汽油機有所不同。汽油機是直接通過節氣門開度控制負荷，故部分負荷時對進氣進行節流。所以，如果在部分負荷下進行廢氣再循環的話，進入氣缸的總進氣量中相當于EGR量的空氣流量減小，而燃料的噴射量是根據進入氣缸的空氣流量來確定的，因此空燃比基本保持不變。但是，柴油發電機沒有進氣節流現象，而且負荷的大小用噴射量來調節（質調節），所以實施EGR以后，相對EGR量部分減少了進入氣缸的空氣量，而噴射量不變，故空燃比減小，混合氣變濃。

      汽油機在高負荷時，氣缸內的EGR量會使燃氣的熱容增加，相應地平均燃氣溫度降低；而柴油發電機在高負荷時，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，在柴油發電機上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，有關實驗結果表明，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EGR，減小了進入氣缸的空氣量，使氣缸內的氧和氮的濃度降低。圖3所示為EGR對發電用柴油發電機降低NO_x排放的影響。由此表明，柴油發電機實施EGR以后，上述兩方面的作用，對降低NO_x排放量的效果基本上各占50％。

      當所實施的EGR率不超過20％時，不僅能有效地降低NO_x的排放量，而且燃油消耗率也會有所改善。但當EGR率過大時，燃油消耗率和煙度均惡化，微粒排放量也會增加。所以，根據柴油發電機工況的要求，需要精確控制EGR量。在設計柴油發電機的EGR系統時，與汽油機相比，由于柴油發電機的進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回流管要設計得粗一些。因此，相應地EGR閥也要大，其結構如圖4所示。柴油發電機的EGR閥一般用真空度來控制，而控制真空度用的電磁閥是通過ECU根據事先確定的控制策略來控制的。

 

圖3 EGR對NO排放的影響曲線圖

圖4  柴油機EGR系統結構圖

 

 

5、燃燒室溫度

      柴油發電機的燃燒室溫度對燃燒過程有著重要的影響。溫度過高或過低都會影響燃燒效率。燃燒室溫度過高會導致氣體熱力學效率降低，而溫度過低則會使燃燒不充分，容易產生煙氣和二氧化碳等有害物質。因此，要確保燃燒室溫度在適宜的范圍內，以提高燃燒效率和排放質量。

6、進氣壓力

      進氣壓力對柴油發電機的燃燒效率影響很大。進氣壓力過高或過低都會使燃燒效率降低。當進氣壓力過低時，燃料與空氣混合不充分，燃燒效率低；當進氣壓力過高時，空氣無法充分進入燃燒室，同樣會影響燃燒效率。因此，需要調整進氣壓力，確保進氣量適中，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電機燃燒效率的重要因素之一。燃油噴射壓力低會使燃料串流不充分，無法達到完全燃燒；燃油噴射壓力高會使燃料霧化不均勻，導致燃燒不充分。因此，需要根據具體情況調整燃油噴射壓力，保證燃料進入燃燒室后能夠完全混合，達到最佳燃燒效果。

8、空氣濾清器的過濾效率

      空氣濾清器對柴油發電機的燃燒效率影響很大。濾清器的過濾效率低會導致空氣中灰塵、雜質等污染物進入燃燒室，使燃料不充分燃燒，同時也會對發電機的耐久性產生影響。因此，選用高效的空氣濾清器以提高燃燒效率和保障發電機性能穩定性。

 

總結：

        以上所述雖然都是影響柴油發電機燃燒過程的主要因素，但康明斯發電機公司認為這些因素都不是孤立的，它們之間是相互影響，相互聯系的，決不可單獨看待它們。總之，柴油機的燃燒效率受多種因素影響，需要針對具體問題進行調整和優化，以提高柴油發電機組的性能和經濟性。

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