摘要： 柴油发电机压缩比一般高达14～22，目的就是保证燃料喷入气缸时，即使是在冷态下也能使气缸内的空气温度升高到足以使燃料自行燃烧的程度。因此，这种高压直喷压燃方式，其气缸内的压缩压力和温度必然比汽油机要高得多。为了分析柴油发电机的燃烧过程，也借助于气缸内的压力变化规律——示功图。本文依据示功图将燃烧过程划分为滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期四个阶段，系统分析各阶段的物理化学过程、压力变化特征及影响因素，并阐述燃烧放热规律的基本方程、累积放热率和气缸压力变化率，明确控制放热规律三要素对改善柴油发电机动力性、经济性和排放特性的重要意义。
一、燃烧阶段的划分
根据柴油发电机燃烧过程中气缸压力的变化特点（图1），将燃烧过程人为地划分为以下四个阶段。
1. 第I阶段称为滞燃期或着火延迟期Ti
（1）阶段定义
如图1中AB段，指从喷油器喷油开始的A点至由于着火燃烧引起气缸压力升高使其开始脱离压缩线的B点。滞燃期是燃烧过程的准备阶段，虽然这一时期气缸内尚未出现明显的火焰，但物理和化学准备过程正在激烈进行。
（2）物理与化学过程
在滞燃期，喷油器在A点向温度高达900K以上的压缩空气喷入燃料后，使喷雾经历破碎、分散、蒸发、汽化等的物理混合过程，和局部可燃混合气先期化学反应使之开始自燃的化学反应过程。物理过程决定了燃料与空气的混合质量，化学过程决定了着火能否顺利发生。
（3）对着火延迟期的影响
着火延迟期对柴油发电机燃烧过程及排放特性的影响很大。着火延迟期越长，则在该时间内喷入的燃料量就越多，所形成的可燃混合气量增加，所以着火时同时燃烧的混合气量越多，压力升高率增大，工作越粗暴，NOx排放量增加。若着火延迟期过短，虽然着火延迟期内形成的可燃混合气量减少，工作柔和，NOx排放量降低，但更多的燃料在后续燃烧过程中喷射，不仅不利于组织燃烧，使得CO和HC排放量增加，而且热损失也会增加，所以不利于提高经济性。因此，精确控制合适的着火延迟期，对控制柴油发电机的燃烧过程具有重要的意义。
（4）主要影响因素
影响柴油发电机着火延迟期Ti的主要因素有：燃料的十六烷值，压缩终了气缸内的温度和压力，喷雾条件和气缸内的气流特性等。凡是能改善喷雾雾化和蒸发的条件均会使着火延迟期缩短。十六烷值越高，燃料的自燃性越好，着火延迟期越短；压缩终了温度压力越高，燃料蒸发和化学反应速度越快；喷雾雾化质量越好，燃料与空气混合越充分。
2. 第II阶段称为速燃期
（1）阶段定义
指从气缸压力脱离压缩线的B点开始至达到最高气缸压力Pzmax的C点。在这一阶段，主要是在Ti内形成的可燃混合气同时燃烧，所以又称为预混合燃烧阶段。速燃期是燃烧过程中压力升高最快的阶段。
（2）主要特点
其特点是燃烧等容度高，所以气缸压力和温度急剧升高，最高压力可达13～18MPa。一般用平均压力升高率Δp/Δφ［MPa/（°）］表示气缸内压力的变化程度，即：
式中，PC、PB分别为C点和B点的压力；φC、φB分别表示为C点和B点所对应的曲轴转角。
（3）压力升高率的影响
压力升高率越大，表示预混合燃烧量越多，这虽然有利于提高动力性和经济性，但柴油发电机工作粗暴，燃烧噪声大，NOx排放量增加。因此，柴油发电机燃烧过程中压力升高率应限制在一定的范围之内。压力升高率的大小主要取决于在Ti内所形成的可燃混合气量mTi，而mTi又与Ti的长短和在Ti内喷入的燃料量有关。所以，柴油发电机燃烧过程控制的关键，就在于以什么样的喷射方式（如高压快速多段喷射），将一定的喷射量以怎样的喷油规律喷入气缸，以控制压力升高率和放热规律。
3. 第III阶段为缓燃期
（1）阶段定义
指从最高压力的C点至气缸内最高平均温度的D点。在这一阶段，一般喷射过程已结束。缓燃期是燃烧过程的主体阶段，大部分燃料在这一阶段燃烧完毕。
（2）主要特点
缓燃期的特点是，在前期喷射的燃料在速燃期内已基本燃烧完毕，后续喷射的燃料是在气缸内空气量减少而燃烧产物不断增多，而且气缸容积逐渐增加的条件下燃烧，所以燃烧速率缓慢，造成边喷射边燃烧的现象。在这一阶段，如果燃烧组织不当，后续喷射的燃料直接喷射到高温缺氧的火焰面上，很容易形成碳烟。
（3）扩散燃烧的优化
因此，缓燃期通过燃烧室内的气流运动和喷雾特性的优化匹配，组织燃料和未燃空气之间的相对扩散运动是非常重要的。从这个意义上又称缓燃期为扩散燃烧阶段，是柴油发电机燃烧过程中控制节能与碳烟排放的重要环节。影响扩散燃烧的主要因素有燃料与空气之间的渗透能力、燃烧室内的气流特性及强度等，而这些因素又直接影响混合气的形成过程。
（4）空气利用率问题
对于柴油发电机这种不均匀的混合气形成和燃烧方式，要组织完全燃烧，只能选择较大的空燃比，所以气缸空气利用率低，这是柴油发电机升功率小于汽油机的主要原因。
4. 第IV阶段为补燃期
（1）阶段定义
指从最高温度的D点至混合气基本燃烧完毕。补燃期的终点很难确定，一般当放热量达到总放热量的95％～99％时，认为补燃结束。
（2）后燃现象
由于柴油发电机燃烧时间短促，且边喷射边燃烧，混合气又极不均匀，总有部分燃料不能及时燃烧而拖到膨胀过程中再燃烧，因此这种燃烧现象又称为后燃。柴油发电机在高速、高负荷时，喷射量多，活塞平均速度快，所以后燃比较严重。
（3）主要特点与危害
补燃期的主要特点是，气缸容积不断增加，气缸压力不断下降，燃料在较低膨胀比下燃烧放热，所放出的热量不能有效利用，排温升高，散热损失和排气损失增加，热效率降低。因此，要尽可能减少后燃。
图1 柴油发动机示功图
二、燃烧放热规律
如前所述，根据柴油发电机的混合气形成和燃烧特点，将其燃烧过程划分为预混合燃烧和扩散燃烧两部分。预混合燃烧时放热速率快，其大小取决于在着火延迟期内所形成的可燃混合气量。而扩散燃烧时，燃烧速率相对缓慢，主要取决于空气和燃料的相互扩散速率。
1. 放热规律的基本概念
（1）放热规律的定义
柴油发电机的这种燃烧方式，确定了其特有的燃烧放热规律，而正是这种放热规律制约着柴油发电机的性能。所以，控制放热规律是改善柴油发电机性能的重要途径。所谓放热规律，就是指放热速率随时间（曲轴转角）的变化特性，它直接影响这种压燃式发动机的动力性、经济性及排放特性。因此，放热规律对分析和改进柴油发电机燃烧过程具有重要的意义。
（2）放热速率的定义
放热速率或瞬时放热率，是指燃烧过程中任一时刻、单位时间内（每度曲轴转角）燃烧所放出的热量。放热速率越大，单位曲轴转角内放出的热量越多，气缸压力升高越快。
2. 能量守恒与热力学第一定律
（1）基本方程
由能量守恒定律和热力学第一定律，有：
式中，QB、Q、QW分别为燃料燃烧放出的热量、工质吸收的热量、传给气缸壁面的热量；U为工质的热力学能；W为工质对活塞所做的机械功；φ为曲轴转角。
（2）放热规律、加热规律与传热规律
由式（2），放热速率dQB/dφ随曲轴转角φ的变化规律称为放热规律；加热速率dQ/dφ随曲轴转角φ的变化规律称为加热规律；而传热率dQW/dφ随曲轴转角φ的变化规律称为传热规律。
3. 累积放热率
（1）累积放热率的定义
在燃烧过程中，定义从燃烧开始至任一时刻为止燃烧所放出的累积热量QB与每循环燃料燃烧总热量QB0之比的百分数为累积放热率，用x表示，即：
式中，g_f为循环喷射量；H_u为燃料的低热值；φ1、φ分别为燃烧开始时刻对应的曲轴转角和燃烧过程中任意时刻对应的曲轴转角位置。
（2）放热规律与累积放热率的关系
图2所示为放热规律及累积放热率，由此表示在整个燃烧期间通过燃烧过程的组织总放热量的分配情况。放热规律曲线下的面积等于累积放热率，累积放热率反映了燃烧过程的进度。
4. 气缸压力变化率
（1）简化假设
在燃烧期间工质的质量m变化很小，所以认为m不变，并忽略工质成分对热力学能的影响，即令：
（2）压力变化率公式
由式（2），燃烧放热对工质的加热率dQ/dφ＝dU/dφ＋dW/dφ，工质对活塞所做的功为dW＝pdV。又由理想气体状态方程pV＝mRT及R＝cp-cv和κ＝cp/cv等关系式，得燃烧后气缸压力的变化率为：
（3）物理意义
这就是说，气缸压力的变化特性或活塞的做功能力，主要与燃烧后对工质的加热速率和膨胀速率有关。当发动机结构一定时，气缸容积相对曲轴转角的变化速率，或工质的膨胀速率相对一定，所以活塞的做功能力，或气缸压力变化特性主要取决于燃烧后对工质的加热规律。对结构一定的发动机在某一确定的工况下稳定运行时，传热规律也相对一定，因而加热规律就取决于燃烧放热规律。所以，如何控制柴油发电机的燃烧放热规律，将直接影响柴油发电机的动力性、经济性、最高燃烧压力、燃烧噪声及NOx排放等性能指标。
5. 放热规律的影响因素与控制途径
（1）主要影响因素
影响柴油发电机燃烧放热规律的主要因素是，燃烧室结构及其内部的气流特性，以及燃料的喷射方式。而燃烧室内气流特性和喷雾特性的优化匹配是控制柴油发电机燃烧放热规律的主要途径。
（2）气流强度的合理选择
对一定的喷雾特性，并非气缸内气流强度越强越好。过强的气流会导致燃油碰壁和混合气过稀，过弱的气流则无法保证燃油与空气的充分混合。因此，应根据燃烧室结构和喷雾特性合理选择气流强度。
（3）电控技术与多段喷射
随着柴油发电机电控技术及高压喷射技术的发展，以及多段喷射技术的应用，柴油发电机燃烧放热规律的优化控制成为可能。多段喷射可以将一次喷射分为预喷射、主喷射和后喷射等多段，分别控制不同阶段的放热速率。
（4）控制热规律的三要素
而控制热规律的主要内容就是燃烧过程的三要素，即燃烧放热的时刻、放热规律曲线形状及燃烧放热持续时间。燃烧放热时刻决定了燃烧过程与活塞运动的相位关系；放热规律曲线形状决定了压力升高率和最高燃烧压力；燃烧放热持续时间决定了燃烧效率和排放特性。
图2 柴油机放热规律及累积放热率
总结
柴油发电机燃烧过程依据示功图划分为滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期四个阶段。滞燃期是物理混合与化学准备的阶段，其长短直接影响后续燃烧的粗暴程度和排放特性；速燃期是预混合燃烧阶段，压力升高率大，最高压力可达13～18MPa；缓燃期是扩散燃烧阶段，是控制节能与碳烟排放的关键环节；补燃期是后燃阶段，应尽可能减少。燃烧放热规律制约着柴油发电机的动力性、经济性和排放特性，控制放热规律是改善性能的重要途径。放热规律的三要素——放热时刻、曲线形状和持续时间——是燃烧过程控制的核心内容。随着电控技术和高压多段喷射技术的发展，柴油发电机燃烧放热规律的优化控制成为可能，为提升柴油发电机综合性能提供了技术支撑。
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