柴油发电机燃烧阶段划分和放热规律

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，这种高压直喷压燃程序，其汽缸内的压缩压力和温度必然比柴油机要高得多。为了详解柴油发电机的燃烧流程，也借助于汽缸内的压力变化规律-示功图。

如图1中AB段，指从喷油嘴喷油开始的A点至因为着火燃烧引起气缸压力升高使其开始脱离压缩线的B点。在滞燃期，喷油嘴在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。

着火延长期对柴油发电机燃烧程序及排放特点的危害很大。着火增长期越长，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，虽然着火延长期内形成的可燃混合气量降低，作业柔和，NOx排放量减少，但更多的燃料在后续燃烧流程中喷射，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，故而不利于提升经济性。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流程具有重要的意义。

影响柴油发电机着火延长期Ti的具体要素有：燃料的十六烷值，压缩终了气缸内的温度和压力，喷雾要素和汽缸内的气流特性等。凡是能改良喷雾雾化和蒸发的条件均会使着火延长期缩短。

指从气缸压力脱离压缩线的B点开始至达到较高汽缸压力Pzmax的C点。在这一阶段，具体是在Ti内形成的可燃混合气同时燃烧，故而又称为预混合燃烧阶段。其优势是燃烧等容度高，故而汽缸压力和温度急剧升高，较高压力可达13～18MPa，通常用平均压力升高率Δp/Δφ［MPa/（°）］表示气缸内压力的变化程度，即

 (公式1)                            

压力升高率越大，表示预混合燃烧量越多，这虽然有利于提升动力性和经济性，但柴油发电机作业粗暴，燃烧噪音大，NOx排放量增加。因此，柴油发电机燃烧步骤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。于是，柴油发电机燃烧流程控制的关键，就在于以什么样的喷射步骤（如高压快速多段喷射），将一定的喷射量以怎么样的喷油规律喷入汽缸，以控制压力升高率和放热规律。

指从较高压力的C点至气缸内较高平均温度的D点。在这一阶段，通常喷射程序已结束。缓燃期的优势是，在前期喷射的燃料在速燃期内已基础燃烧完毕，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，而且汽缸容积逐渐增加的因素下燃烧，故而燃烧速率缓慢，造成边喷射边燃烧的现象。在这一阶段，如果燃烧组织“非法”，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。因此，缓燃期通过

燃烧室内的气流运动和喷雾特征的优化匹配，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。影响扩散燃烧的具体条件有燃料与空气之间的渗透能力、燃烧室内的气流特点及强度等，而这些因素又直接危害混合气的形成步骤。对于柴油发电机这种不均匀的混合气形成和燃烧步骤，要组织完全燃烧，只能选型较大的空燃比，所以汽缸空气利用率低，这是柴油发电机升功率小于柴油机的具体因由。

指从较发烫度的D点至混合气基础燃烧完毕。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。因为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，总有部分燃料无法及时燃烧而拖到膨胀步骤中再燃烧，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，于是后燃比较严重。补燃期的主要优点是，汽缸容积不断增加，汽缸压力不断下降，燃料在较低膨胀比下燃烧放热，所放出的热量无法有效利用，排温升高，散热损失和排烟损失增加，热效率减轻。因此，要尽可能减轻后燃。

如前所述，根据柴油发电机的混合气形成和燃烧特点，将其燃烧程序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增长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。

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，控制放热规律是改良柴油发电机性能的重要手段。

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，它直接危害这种压燃式发电机的动力性、经济性及排放特点。因此，放热规律对解惑和改良柴油发电机燃烧过程具有重要的意义。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（每度主轴转角）燃烧所放出的热量。

式中，QB、Q、QW分别为燃料燃烧放出的热量、工质吸收的热量、传给汽缸壁面的热量；U工质的热力学能；W为工质对活塞所做的机械功；φ为主轴转角。

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/do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。

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，为循环喷射量；H，为燃料的低热值；φ1、42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。

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步骤的组织总放热量的分配情形。

在燃烧期间工质的质量m变化很小，故而认为m不变，并忽略工质成分对热力学能的影响，即令         

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-cy和κ＝cp/cv等关系式，得燃烧后气缸压力的变化率为

这就是说，气缸压力的变化特性或活塞的做用途力，详细与燃烧后对工质的加热速率和膨胀速率有关。当发电机构成一定时，气缸容积相对主轴转角的变化速率，或工质的膨胀速率相对一定，于是活塞的做功用力，或汽缸压力变化特征详细取决于燃烧后对工质的加热规律。对构造一定的发电机在某一确定的工况下稳定运转时，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。故而，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、较高燃烧压力、燃烧噪音及 NO，排放等性能指标。

危害柴油发电机燃烧放热规律的具体条件是，燃烧室结构及其内部的气流特征，以及燃料的喷射步骤。而燃烧室内气流特征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具体途径。对一定的喷雾特性，并非气缸内气流强度越强越好。随着柴油发电机电喷技术及高压喷射技术的发展，以及多段喷射技术的运用，柴油发电机燃烧放热规律的优化控制成为可能。而控制热规律的主要内容就是燃烧流程的三条件，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。