康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

影响柴油发电机组燃烧过程的运转因素

 

摘要：通过对柴油机进气、燃烧、做功、排气四个行程的原理可以得知，柴油发电机对燃烧过程的要求是非常高的。从动力性以及经济性的方面来考虑，燃烧应该在上止点的附近完成，并且应该以尽量低的空燃比而又让燃烧完全，且让排气没有烟；从运动平稳性以及寿命的方面考虑，应该降压力升高率以及限制最高的燃烧压力。因此，燃烧过程的基本要求是相互联系但是又矛盾的，为了更加深入的分析该问题，康明斯公司在本文中对影响柴油机燃烧过程的因素进行逐一阐述。

 

1、负荷

      柴油发电机负荷的大小是通过喷射量来调节的，所以称之为“质调节”。其特点是在转速一定时，随负荷的变化进入气缸的空气量基本保持不变。当负荷增加时，循环喷射量增加，混合气变浓，单位气缸工作容积内混合气燃烧放热量增加，缸内温度升高，着火延迟期缩短，有利于降低柴油发电机的工作粗暴。一般在中小负荷时，燃烧效率变化不大，但是在大负荷时随着喷射量的加大，喷射持续期延长，空燃比减小，同时燃烧过程相对迟后，不利于提高热效率。采用电控高压喷射技术以后，通过轨压的控制，有效地改善了燃烧热效率和有害排放物的问题。但是，为进一步完善柴油发电机的工作循环，以适应更严格的排放法规，达到既提高循环热效率又降低排放的目的，需要在压缩膨胀过程中合理地控制放热规律。前述的多阶段高压喷射技术，为合理控制放热规律提供了必要的技术条件。

2、转速

      随着发电用柴油发电机升功率的提高，柴油发电机转速不断提高。当柴油发电机转速提高时，工作循环所占时间缩短，使得散热损失和漏气损失减小，缸内压缩终了的温度和压力都得到提高，同时摩擦损失也会增大。对非恒压控制的喷射系统，如泵喷油器、单体泵等，随着转速的升高，喷油压力也会提高，使得喷雾质量得到改善。但是，以曲轴转角为单位的着火延迟期却有可能随转速的升高而增加，造成燃烧过程迟后，燃烧热效率降低。

      柴油发电机高压喷射化，在改善燃料的雾化混合条件的同时，有效地缩短了喷射时期，这是直喷式柴油发电机高速化的前提。喷油器的高速响应特性是改善柴油发电机高速性能的重要因素。

3、燃油特性

      影响柴油发电机燃烧过程的燃料的性能指标是十六烷值。十六烷值高的燃料，自燃性好，所以着火延迟期短，压力升高率低，柴油发电机工作温柔，NO_x排放量少。但是，如果燃料的十六烷值过高，则在喷射过程初期喷射的燃料在喷油器喷孔附近首先着火，而后续喷射的燃料喷在已燃烧的火焰面上，所以很容易造成高温缺氧的条件而冒黑烟。反之，如果十六烷值过低，则燃料的自燃性差，不易着火，因此着火延迟期延长，使得预混合燃烧的可燃混合气量增多，工作粗暴，NO，排放量增加。所以，根据柴油发电机的压缩比等，需要合理择燃料的十六烷值。

      柴油发电机冷起动或低温运行时，十六烷值对着火延迟期和HC排放影响很大。在柴油发电机冷态下能正常燃烧的条件，可用燃料喷射持续时间和着火延迟期的差值Δt_p-z来表示。在其他条件相同的情况下，将压缩比ε从16降低到14时，由于着火延迟期延长，所以Δt_p-z-绝对值增加，燃烧速率减慢，燃烧温度降低，可有效地减少NO_x排放量；同时，在压缩比ε为14的条件下，将燃料的十六烷值从55提高到85左右时，其着火特性与压缩比为16时的相当（图1），但如图2中所示，在保证NO_x排放量变化不大的条件下，可有效地降低HC排放量。

 

图1 压缩比和十六烷值对着火特性的影响

图2 压缩比和十六烷值对排放特性的影响

 

4、EGR

      废气再循环（EGR）是控制NO_x排放的有效措施。但是采用EGR后，柴油发电机的耐久性和可靠性有所恶化，而且实施过量的EGR后可能带来燃油消耗率增加和排烟恶化等问题。因此，根据不同工况精确控制再循环废气量，是在保证柴油发电机动力性和经济性的前提下，有效降低NO_x排放量的重要措施。

      柴油发电机通过EGR降低NO_x排放量的机理与汽油机有所不同。汽油机是直接通过节气门开度控制负荷，故部分负荷时对进气进行节流。所以，如果在部分负荷下进行废气再循环的话，进入气缸的总进气量中相当于EGR量的空气流量减小，而燃料的喷射量是根据进入气缸的空气流量来确定的，因此空燃比基本保持不变。但是，柴油发电机没有进气节流现象，而且负荷的大小用喷射量来调节（质调节），所以实施EGR以后，相对EGR量部分减少了进入气缸的空气量，而喷射量不变，故空燃比减小，混合气变浓。

      汽油机在高负荷时，气缸内的EGR量会使燃气的热容增加，相应地平均燃气温度降低；而柴油发电机在高负荷时，由于EGR量所引起的热容变化小，而空燃比的减小使氧的浓度降低。因此，在柴油发电机上EGR降低NO_x排放量的主要原因是：一方面，具有较高比热容的再循环废气的惰性作用，使混合气的热容增大，可以抑制混合气的燃烧，降低最高燃烧温度，有关实验结果表明，随着EGR率的增加，火焰温度降低，使燃烧气体温度降低；另一方面，通过EGR，减小了进入气缸的空气量，使气缸内的氧和氮的浓度降低。图3所示为EGR对发电用柴油发电机降低NO_x排放的影响。由此表明，柴油发电机实施EGR以后，上述两方面的作用，对降低NO_x排放量的效果基本上各占50％。

      当所实施的EGR率不超过20％时，不仅能有效地降低NO_x的排放量，而且燃油消耗率也会有所改善。但当EGR率过大时，燃油消耗率和烟度均恶化，微粒排放量也会增加。所以，根据柴油发电机工况的要求，需要精确控制EGR量。在设计柴油发电机的EGR系统时，与汽油机相比，由于柴油发电机的进气压力和排气压力之差比较小，所以为了保证所需的EGR量，EGR回流管要设计得粗一些。因此，相应地EGR阀也要大，其结构如图4所示。柴油发电机的EGR阀一般用真空度来控制，而控制真空度用的电磁阀是通过ECU根据事先确定的控制策略来控制的。

 

图3 EGR对NO排放的影响曲线图

图4  柴油机EGR系统结构图

 

 

5、燃烧室温度

      柴油发电机的燃烧室温度对燃烧过程有着重要的影响。温度过高或过低都会影响燃烧效率。燃烧室温度过高会导致气体热力学效率降低，而温度过低则会使燃烧不充分，容易产生烟气和二氧化碳等有害物质。因此，要确保燃烧室温度在适宜的范围内，以提高燃烧效率和排放质量。

6、进气压力

      进气压力对柴油发电机的燃烧效率影响很大。进气压力过高或过低都会使燃烧效率降低。当进气压力过低时，燃料与空气混合不充分，燃烧效率低；当进气压力过高时，空气无法充分进入燃烧室，同样会影响燃烧效率。因此，需要调整进气压力，确保进气量适中，以保证最佳的燃烧效率。

7、燃油喷射压力

      燃油喷射压力是影响柴油发电机燃烧效率的重要因素之一。燃油喷射压力低会使燃料串流不充分，无法达到完全燃烧；燃油喷射压力高会使燃料雾化不均匀，导致燃烧不充分。因此，需要根据具体情况调整燃油喷射压力，保证燃料进入燃烧室后能够完全混合，达到最佳燃烧效果。

8、空气滤清器的过滤效率

      空气滤清器对柴油发电机的燃烧效率影响很大。滤清器的过滤效率低会导致空气中灰尘、杂质等污染物进入燃烧室，使燃料不充分燃烧，同时也会对发电机的耐久性产生影响。因此，选用高效的空气滤清器以提高燃烧效率和保障发电机性能稳定性。

 

总结：

        以上所述虽然都是影响柴油发电机燃烧过程的主要因素，但康明斯发电机公司认为这些因素都不是孤立的，它们之间是相互影响，相互联系的，决不可单独看待它们。总之，柴油机的燃烧效率受多种因素影响，需要针对具体问题进行调整和优化，以提高柴油发电机组的性能和经济性。

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