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新聞主題 |
柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)背壓和使用要求 |
摘要：排氣系統(tǒng)的功用是將柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣排到大氣中去。在排氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，排氣背壓是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，因?yàn)榕艢獗硥旱拇笮≈苯佑绊懼裼蜋C(jī)的功率損失和排氣系統(tǒng)的噪聲水平。如果排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配不合理，排氣系統(tǒng)的背壓過(guò)大，會(huì)造成機(jī)械效率下降，排氣消耗的機(jī)械功增多，功率降低，排氣溫度升高，燃油消耗率的惡化等問(wèn)題發(fā)生?？得魉构驹诒疚闹懈鶕?jù)背壓產(chǎn)生機(jī)理和排氣要求，分析了排氣背壓的原因和造成的影響，并指出了研究排氣背壓的實(shí)際意義和方向。
一、排氣背壓的概述
當(dāng)排氣背壓升高時(shí)，柴油機(jī)排氣不暢，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性。排氣背壓指柴油機(jī)尾氣流經(jīng)排氣系統(tǒng)的壓降。排氣背壓對(duì)柴油機(jī)綜合性能有非常大的影響。一般情況下，排氣背壓變大直接導(dǎo)致柴油機(jī)燃油消耗率上升，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能惡化，于此同時(shí)柴油機(jī)動(dòng)力性也變差，尾氣排放質(zhì)量也會(huì)由于缸內(nèi)燃燒的不充分也加劇惡化。
1、排氣背壓研究原因
排氣背壓對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及聲音品質(zhì)有著重要影響，是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中參衡的重要指標(biāo)之一。
（1）排氣背壓過(guò)大，導(dǎo)致充氣損失增加，柴油機(jī)燃燒效率下降，功率輸出降低，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。
（2）排氣背壓過(guò)小，會(huì)使排氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本增大，聲品質(zhì)變差。
因此，合理的排氣背壓對(duì)柴油機(jī)的性能至關(guān)重要。
2、排氣背壓的實(shí)際意義
排氣背壓升高會(huì)造成泵氣功損失增加，從而導(dǎo)致機(jī)械功消耗增多，機(jī)械效率降低。同時(shí)，背壓過(guò)高使得殘余廢氣系數(shù)增大（一定程度上類似于高溫 EGR），導(dǎo)致燃燒不充分，燃燒做功減少，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。殘余廢氣系數(shù)過(guò)大還會(huì)引起排氣溫度升高，煙度加大，排放惡化，若安裝渦輪增壓器，其工作環(huán)境變差，柴油機(jī)進(jìn)氣壓力相應(yīng)減少。合理的排氣背壓，能夠排除在自由排氣階段的大部分廢氣，同時(shí)減小在強(qiáng)制排氣階段活塞上行的排氣消耗功，因此減小排氣背壓能夠使排氣阻力小，柴油機(jī)動(dòng)力性提高。
3、排氣背壓研究方向
當(dāng)今柴油機(jī)技術(shù)多應(yīng)用多氣門技術(shù)，進(jìn)氣門的增加可顯著增加進(jìn)氣量，而多排氣門技術(shù)又可以顯著增加排氣流經(jīng)截面積，從而促使排氣阻力減小，減小排氣背壓的產(chǎn)生，在排氣自由時(shí)間內(nèi)大量廢氣被排出，同時(shí)可使強(qiáng)制排氣時(shí)間活塞上行由于排氣消耗的有效功也變少，所以柴油機(jī)扭矩高，動(dòng)力性得到改善。此時(shí)缸內(nèi)新鮮工質(zhì)比例也得到提高，排放尾氣的質(zhì)量得到控制。因此排氣背壓的減小對(duì)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及尾氣排放都有好處。
排氣背壓主要發(fā)生在排氣系統(tǒng)及尾氣凈化裝置中，目前，研究排氣背壓的影響也主要集中在消聲器結(jié)構(gòu)。另外，由于排氣背壓對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）也有較大影響，一般在處理此方面排放問(wèn)題時(shí)，背壓是重點(diǎn)考慮對(duì)象。
二、排氣背壓對(duì)柴油機(jī)的影響
柴油發(fā)電機(jī)未裝配各種尾氣裝置前，正常工作過(guò)程如圖1所示；加裝各種尾氣裝置后產(chǎn)生背壓的機(jī)理如圖2所示。下列為大家分析排氣背壓的大小影響，是否對(duì)柴油機(jī)造成不利的后果。
1、排氣背壓對(duì)排氣功率損失的影響
排氣背壓的形成是由于管路對(duì)氣流的阻滯以及氣流之間的摩擦，主要包括摩擦阻力以及局部阻力。排氣系統(tǒng)內(nèi)的功率損失主要由摩擦阻力損失以及局部阻力損失兩部分組成，其中摩擦阻力損失發(fā)生于管道壁面上，由氣流與管道摩擦產(chǎn)生，取決于管道粗糙度及氣體流動(dòng)速度的大小。摩擦阻力損失可由公式（1）計(jì)算得知。
ΔE?=λ（L/d）（ρν2/2）...............（公式1）
式中：p—氣流密度；L—管道長(zhǎng)度；d—管道橫截面直徑；λ—摩擦阻力系數(shù)；v—管道橫截面氣體平均流速。
局部阻力損失發(fā)生于排氣管路流通界面的突變處，主要集中于消聲器、管路、DOC、DPF以及SCR內(nèi)氣流通道擴(kuò)張和縮小等截面突變處。此處氣流的動(dòng)能、壓能發(fā)生突變，流速的突變生成渦流加劇了氣流間的動(dòng)能交換，增加了能量損耗，進(jìn)一步增大了流體間的摩擦損失。其主要取決于管路的結(jié)構(gòu)尺寸以及氣體流速，局部阻力損失可由公式（2）計(jì)算所得。
ΔEp=ερν2/2...............（公式2）
式中：ε—局部阻力系數(shù)，與管道橫截面積無(wú)關(guān)；v—管道橫截面氣體平均流速。
由此可知，排氣背壓的增大造成排氣系統(tǒng)功率損失的增大，減少柴油機(jī)的輸出功率，增大燃油消耗。
2、排氣背壓對(duì)充氣效率的影響
柴油機(jī)的換氣過(guò)程包括進(jìn)氣和排氣兩部分，其中排氣過(guò)程又包含自由排氣和強(qiáng)制排氣兩個(gè)階段，自由排氣階段指排氣門開(kāi)啟到氣缸內(nèi)壓力接近排氣管壓力的時(shí)段。強(qiáng)制排氣階段指氣缸內(nèi)氣體被活塞上行強(qiáng)制推出氣缸的時(shí)段。
在自由排氣和強(qiáng)制排氣初期，柴油機(jī)缸內(nèi)氣體壓力高，有可能處于超臨界排氣狀態(tài)，其余大部分曲軸轉(zhuǎn)角則處于亞臨界排氣狀態(tài)。超臨界排氣階段廢氣排出量與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效流通面積；亞臨界排氣階段廢氣排出量不只取決于有效流通面積，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)氣體壓差相關(guān)。超臨界排氣階段所占整個(gè)排氣時(shí)間比例較小，但由于廢氣流速高，排出廢氣量可達(dá)60%左右；亞臨界排氣階段隨著缸內(nèi)與排氣管內(nèi)氣體壓差的增大，排氣損失隨之加大，缸內(nèi)殘留廢氣量增加。
充氣效率η指實(shí)際進(jìn)入柴油機(jī)氣缸的新鮮充量與進(jìn)氣狀態(tài)（增壓器壓氣機(jī)出口的狀態(tài)）下充滿氣缸工作容積的新鮮充量之比，可由公式（3）表示。
ην=V?/V?=m?/m?...............（公式3）
式中：V?、m?一實(shí)際進(jìn)入柴油機(jī)氣缸新鮮充量的體積和質(zhì)量；V?、m?—進(jìn)氣狀態(tài)充滿柴油機(jī)氣缸新鮮充量的體積和質(zhì)量。
由上述可知，隨著排氣背壓的增大，亞臨界排氣狀態(tài)廢氣排出量越小，缸內(nèi)殘余廢氣量越大，實(shí)際新鮮充量越小，充氣效率也隨之降低。
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圖1 柴油機(jī)排氣系統(tǒng)正常工作過(guò)程 |
圖2 柴油發(fā)電機(jī)背壓產(chǎn)生機(jī)理 |
三、柴油機(jī)排氣背壓要求
1、排氣系統(tǒng)的作用
（1）削減發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的排氣噪聲以滿足法規(guī)和客戶對(duì)噪聲的要求。
（2）保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳的同時(shí)，把排氣安全地運(yùn)離發(fā)動(dòng)機(jī)并安靜的排到大氣中。
（3）使排氣遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和冷卻/通風(fēng)系統(tǒng)，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度并保證其性能。
2、排氣背壓計(jì)算方法
為降低排氣噪聲，防止排氣泄露，保持排氣暢通，對(duì)排氣系統(tǒng)的阻力一般要求∶最大排氣阻力對(duì)于臺(tái)架上試驗(yàn)標(biāo)定工況排氣溫度≤530°C不得超過(guò)10kPa（帶后處理裝置允許為20kPa），對(duì)于臺(tái)架上試驗(yàn)工況排氣溫度≥2530°C不得超過(guò)15kPa （帶后處理裝置允許為25kPa），否則將引起發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的降低，油耗增加，煙度過(guò)大，有害排放物增多，加載也將受到影響。
對(duì)于已給定長(zhǎng)度和直徑情況的排煙系統(tǒng)，下列公式可計(jì)算出排煙系統(tǒng)的背壓：
P=575[（L×S×Q²）/D?]
式中，L=直管及彎頭長(zhǎng)度（米）；
Q=排煙流量（立方米/每分鐘）；
D=煙管內(nèi)徑（厘米）；
S=隨排煙絕對(duì)溫度的變化關(guān)系：S=23 / [273+排溫（℃）]；
P=背壓（千帕），必須低于規(guī)定的許可背壓值。
注：具體計(jì)算時(shí)請(qǐng)參照康明斯應(yīng)用工程部編寫(xiě)的排煙背壓計(jì)算工具。
3、排氣系統(tǒng)的安裝要求
（1）柴油發(fā)電機(jī)有噪音的規(guī)定，而且柴油機(jī)排氣的高速流動(dòng)造成的噪音不可忽視，為了降低噪音，柴油機(jī)的排氣管都會(huì)裝有消音器以達(dá)到符合要求的噪音范圍。
（2）消音器會(huì)對(duì)排氣產(chǎn)生阻力，而且排氣管要有防止雨水倒灌的措施，所以有一些消音器裝有泄水裝置把從外面進(jìn)入排氣管的水份分離出來(lái)。
（3）對(duì)于排氣管的使用，盡量使用薄的排氣管，減輕排氣管的重量，減低支撐管路的支撐負(fù)荷。排氣管的管徑要嚴(yán)格按照廠家要求去匹配，如果排氣管的彎頭過(guò)多，要在廠家要求基礎(chǔ)上適當(dāng)加大排氣管的管徑，不然管路排氣背壓會(huì)過(guò)大，嚴(yán)重影響增壓器性能，直接降低柴油機(jī)功率。
（4）由于排氣流速快，壓力波動(dòng)大，加上柴油機(jī)的震動(dòng)造成管路的震動(dòng)，所以排氣管要在適當(dāng)?shù)奈恢醚b有管路的減震器，并且增壓器不能受任何的管路重量，這樣才能保證柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的可靠性，最大發(fā)揮柴油機(jī)的性能。
（5）波紋管離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口至少610毫米，排氣口在柴油機(jī)上的位置如圖3所示。不得用于改變方向、排煙管校直的方面使用。
（6）消音器第一級(jí)盡可能靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，并設(shè)冷凝水排放閥（位置設(shè)在排煙管垂直轉(zhuǎn)向爬升處），管路較長(zhǎng)末端安裝第二級(jí)消聲器。
（7）排煙管與易燃建筑物距離至少230 mm，煙管穿過(guò)墻壁用隔熱套管。彎曲半徑盡量大，例如90°彎頭內(nèi)彎半徑等于3倍管徑。排煙管各個(gè)連接處應(yīng)采用法蘭連接方式，柴油機(jī)排煙管法蘭材質(zhì)的選用要根據(jù)安裝位置、介質(zhì)溫度、耐腐蝕性等因素進(jìn)行綜合考慮。安裝時(shí)要保證法蘭連接平面的表面清潔平整，法蘭嘴的直線度和圓度誤差不得超過(guò)規(guī)定范圍，如圖4所示。
（8）煙囪防雨帽或排氣閥安裝做到垂直排煙、出口水平、排氣口應(yīng)修斜并加防鳥(niǎo)網(wǎng)。
（9）室內(nèi)消音器及排煙管路一般為50毫米厚隔熱材料和鋁質(zhì)護(hù)套，機(jī)組排煙管道不得與其它機(jī)組或鍋爐等設(shè)備共用。
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圖3 柴油機(jī)排氣口連接處位置圖 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)組排煙管法蘭尺寸規(guī)格 |
總結(jié)：
作為柴油發(fā)電機(jī)廠家總是希望通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)為發(fā)電設(shè)備得到最大的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)最大化的性價(jià)比和節(jié)能減排的目的。排氣系統(tǒng)的背壓是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要因素之一，會(huì)直接影響柴油機(jī)功率的輸出。排氣背壓越大越不利于柴油機(jī)功率的輸出。本文上述內(nèi)容中介紹了柴油機(jī)排氣系統(tǒng)及排氣背壓的相關(guān)信息，并運(yùn)用排煙管阻力計(jì)算的公式，結(jié)合柴油機(jī)性能參數(shù)對(duì)排氣背壓進(jìn)行計(jì)算分析。
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