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性能特點和作用說明 |
影響柴油發(fā)電機組燃燒過程的運轉(zhuǎn)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(fā)電機對燃燒過程的要求是非常高的。從動力性以及經(jīng)濟性的方面來考慮，燃燒應(yīng)該在上止點的附近完成，并且應(yīng)該以盡量低的空燃比而又讓燃燒完全，且讓排氣沒有煙；從運動平穩(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(fā)電機負荷的大小是通過噴射量來調(diào)節(jié)的，所以稱之為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。其特點是在轉(zhuǎn)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(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(xù)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(shù)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(fā)電機的工作循環(huán)，以適應(yīng)更嚴格的排放法規(guī)，達到既提高循環(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)電機升功率的提高，柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速不斷提高。當柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速提高時，工作循環(huán)所占時間縮短，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，同時摩擦損失也會增大。對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，造成燃燒過程遲后，燃燒熱效率降低。
柴油發(fā)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(fā)電機高速化的前提。噴油器的高速響應(yīng)特性是改善柴油發(fā)電機高速性能的重要因素。
3、燃油特性
影響柴油發(fā)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(fā)電機工作溫柔，NOx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(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(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)電機的壓縮比等，需要合理擇燃料的十六烷值。
柴油發(fā)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(fā)電機冷態(tài)下能正常燃燒的條件，可用燃料噴射持續(xù)時間和著火延遲期的差值Δtp-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Δtp-z-絕對值增加，燃燒速率減慢，燃燒溫度降低，可有效地減少NOx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NOx排放量變化不大的條件下，可有效地降低HC排放量。
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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(huán)（EGR）是控制NOx排放的有效措施。但是采用EGR后，柴油發(fā)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(jù)不同工況精確控制再循環(huán)廢氣量，是在保證柴油發(fā)電機動力性和經(jīng)濟性的前提下，有效降低NOx排放量的重要措施。
柴油發(fā)電機通過EGR降低NOx排放量的機理與汽油機有所不同。汽油機是直接通過節(jié)氣門開度控制負荷，故部分負荷時對進氣進行節(jié)流。所以，如果在部分負荷下進行廢氣再循環(huán)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(jù)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(fā)電機沒有進氣節(jié)流現(xiàn)象，而且負荷的大小用噴射量來調(diào)節(jié)（質(zhì)調(diào)節(jié)），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(nèi)的EGR量會使燃氣的熱容增加，相應(yīng)地平均燃氣溫度降低；而柴油發(fā)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(fā)電機上EGR降低NOx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)實驗結(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EGR，減小了進入氣缸的空氣量，使氣缸內(nèi)的氧和氮的濃度降低。圖3所示為EGR對發(fā)電用柴油發(fā)電機降低NOx排放的影響。由此表明，柴油發(fā)電機實施EGR以后，上述兩方面的作用，對降低NOx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NOx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(jù)柴油發(fā)電機工況的要求，需要精確控制EGR量。在設(shè)計柴油發(fā)電機的EGR系統(tǒng)時，與汽油機相比，由于柴油發(fā)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(shè)計得粗一些。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(jù)事先確定的控制策略來控制的。
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圖3 EGR對NO排放的影響曲線圖 |
圖4 柴油機EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
5、燃燒室溫度
柴油發(fā)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(dǎo)致氣體熱力學(xué)效率降低，而溫度過低則會使燃燒不充分，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、進氣壓力
進氣壓力對柴油發(fā)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(diào)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(fā)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(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(fā)電機的燃燒效率影響很大。濾清器的過濾效率低會導(dǎo)致空氣中灰塵、雜質(zhì)等污染物進入燃燒室，使燃料不充分燃燒，同時也會對發(fā)電機的耐久性產(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)電機燃燒過程的主要因素，但康明斯發(fā)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(lián)系的，決不可單獨看待它們?？傊?，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(diào)整和優(yōu)化，以提高柴油發(fā)電機組的性能和經(jīng)濟性。
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