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新聞主題 |
柴油發(fā)電機燃燒階段劃分和放熱規(guī)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，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要高得多。為了分析柴油發(fā)電機的燃燒過程，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)電機燃燒過程中氣缸壓力的變化特點（圖1），將燃燒過程人為地劃分為以下四個階段。
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圖1 柴油發(fā)動機示功圖 |
1、第I階段稱為滯燃期或著火延遲期Ti
如圖1中AB段，指從噴油器噴油開始的A點至由于著火燃燒引起氣缸壓力升高使其開始脫離壓縮線的B點。在滯燃期，噴油器在A點向溫度高達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程，和局部可燃混合氣先期化學反應使之開始自燃的化學反應過程。
著火延遲期對柴油發(fā)電機燃燒過程及排放特性的影響很大。著火延遲期越長，則在該時間內(nèi)噴入的燃料量就越多，所形成的可燃混合氣量增加，所以著火時同時燃燒的混合氣量越多，壓力升高率增大，工作越粗暴，NOx排放量增加。若著火延遲期過短，雖然著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣量減少，工作柔和，NOx排放量降低，但更多的燃料在后續(xù)燃燒過程中噴射，不僅不利于組織燃燒，使得CO和HC排放量增加，而且熱損失也會增加，所以不利于提高經(jīng)濟性。因此，精確控制合適的著火延遲期，對控制柴油發(fā)電機的燃燒過程具有重要的意義。
影響柴油發(fā)電機著火延遲期Ti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點開始至達到最高氣缸壓力Pzmax的C點。在這一階段，主要是在Ti內(nèi)形成的可燃混合氣同時燃燒，所以又稱為預混合燃燒階段。其特點是燃燒等容度高，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(nèi)壓力的變化程度，即
(公式1) 
式中，PC、PB分別為C點和B點的壓力；φC、φB分別表示為C點和B點所對應的曲軸轉角。
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力性和經(jīng)濟性，但柴油發(fā)電機工作粗暴，燃燒噪聲大，NOx排放量增加。因此，柴油發(fā)電機燃燒過程中壓力升高率應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Ti內(nèi)所形成的可燃混合氣量mTi，而mTi又與Ti的長短和在Ti內(nèi)噴入的燃料量有關。所以，柴油發(fā)電機燃燒過程控制的關鍵，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點至氣缸內(nèi)最高平均溫度的D點。在這一階段，一般噴射過程已結束。緩燃期的特點是，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，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
燃燒室內(nèi)的氣流運動和噴霧特性的優(yōu)化匹配，組織燃料和未燃空氣之間的相對擴散運動是非常重要的。從這個意義上又稱緩燃期為擴散燃燒階段，是柴油發(fā)電機燃燒過程中控制節(jié)能與碳煙排放的重要環(huán)節(jié)。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(nèi)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點至混合氣基本燃燒完畢。補燃期的終點很難確定，一般當放熱量達到總放熱量的95％～99％時，認為補燃結束。由于柴油發(fā)電機燃燒時間短促，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燃燒而拖到膨脹過程中再燃燒，因此這種燃燒現(xiàn)象又稱為后燃。柴油發(fā)電機在高速、高負荷時，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)電機的混合氣形成和燃燒特點，將其燃燒過程劃分為預混合燃燒和擴散燃燒兩部分。預混合燃燒時放熱速率快，其大小取決于在著火延遲期內(nèi)所形成的可燃混合氣量。而擴散燃燒時，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(guī)律，而正是這種放熱規(guī)律制約著柴油發(fā)電機的性能。所以，控制放熱規(guī)律是改善柴油發(fā)電機性能的重要途徑。
所謂放熱規(guī)律，就是指放熱速率隨時間（曲軸轉角）的變化特性，它直接影響這種壓燃式發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放特性。因此，放熱規(guī)律對分析和改進柴油發(fā)電機燃燒過程具有重要的意義。放熱速率或瞬時放熱率，是指燃燒過程中任一時刻、單位時間內(nèi)（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第一定律，有
(公式2)
式中，QB、Q、QW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(guī)律稱為放熱規(guī)律；加熱速率dQ/do隨曲軸轉角φ的變化規(guī)律稱為加熱規(guī)律；而傳熱率dQw/dφ隨曲軸轉角φ的變化規(guī)律稱為傳熱規(guī)律。
在燃燒過程中，定義從燃燒開始至任一時刻為止燃燒所放出的累積熱量QB與每循環(huán)燃料燃燒總熱量QB0之比的百分數(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分別為燃燒開始時刻對應的曲軸轉角和燃燒過程中任意時刻對應的曲軸轉角位置。
圖2所示為放熱規(guī)律及累積放熱率，由此表示在整個燃燒期間通過燃燒過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)成分對熱力學能的影響，即令
(公式4)
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圖2 柴油機放熱規(guī)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＝cp-cy和κ＝cp/cv等關系式，得燃燒后氣缸壓力的變化率為
(公式5)
這就是說，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。當發(fā)動機結構一定時，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(guī)律。對結構一定的發(fā)動機在某一確定的工況下穩(wěn)定運行時，傳熱規(guī)律也相對一定，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)電機的燃燒放熱規(guī)律，將直接影響柴油發(fā)電機的動力性、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(guī)律的主要因素是，燃燒室結構及其內(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)電機燃燒放熱規(guī)律的主要途徑。對一定的噴霧特性，并非氣缸內(nèi)氣流強度越強越好。隨著柴油發(fā)電機電控技術及高壓噴射技術的發(fā)展，以及多段噴射技術的應用，柴油發(fā)電機燃燒放熱規(guī)律的優(yōu)化控制成為可能。而控制熱規(guī)律的主要內(nèi)容就是燃燒過程的三要素，即燃燒放熱的時刻、放熱規(guī)律曲線形狀及燃燒放熱持續(xù)時間。
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