新聞主題	增壓中冷前后對柴油發(fā)電機(jī)的影響

 

摘要：由于對改善柴油機(jī)排氣品質(zhì)、排放量的控制、盡可能的節(jié)約能源和提高柴油機(jī)的功率的要求越來越高，導(dǎo)致目前渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而中冷技術(shù)對以上的要求同樣起著十分重要的作用。增壓中冷型柴油機(jī)的突出優(yōu)點在今天已毋庸置疑，諸如在高海拔出的功率輸出，而伴隨著高功率的輸出，也出現(xiàn)了以下一些不滿意的因素：如柴油的燃燒質(zhì)量下降、排氣溫度升高和排氣量增加等。因此，如何選擇和匹配性能良好的增壓器、中冷器便是柴油發(fā)電機(jī)廠家的重要研究課題。

 

一、增壓中冷的作用

 

      柴油機(jī)增壓中冷是指在柴油機(jī)的增壓系統(tǒng)中添加一個中冷器，將增壓后的高溫空氣冷卻后再進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室。它的作用主要有以下幾個方面：

1. 提高進(jìn)氣密度

      通過增壓后降低進(jìn)氣溫度，使得同一容積的進(jìn)氣中包含更多的氧氣，從而提高進(jìn)氣密度，增加燃油燃燒時的氧氣供應(yīng)量，提高發(fā)動機(jī)的輸出功率。

2、減少燃油消耗

      增壓中冷可以提高發(fā)動機(jī)的熱效率，減少燃油的消耗，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

3、降低排放

      增壓中冷可以降低進(jìn)入燃燒室的空氣溫度，從而減少發(fā)動機(jī)燃燒時產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）排放。

4、延長發(fā)動機(jī)壽命

      增壓中冷可以減少進(jìn)入發(fā)動機(jī)的熱量，降低發(fā)動機(jī)內(nèi)部的溫度，從而延長柴油機(jī)的使用壽命。

      總之，增壓中冷是一種有效的提高柴油機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)手段，可以使柴油機(jī)在高功率輸出的同時，滿足更嚴(yán)格的環(huán)保要求，提高柴油機(jī)的使用壽命。

 

二、增壓中冷的選擇

 

1、增壓器的設(shè)計

      柴油發(fā)電機(jī)增壓的目的就是提高進(jìn)氣密度，以提高單位氣缸的工作能力，由此改善柴油發(fā)電機(jī)的外特性和萬有特性，增壓原理如圖1所示。對發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)常采用廢氣渦輪增壓，以回收利用部分排氣能量渦輪增壓器的增壓能力取決于增壓器的轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)，增壓器的轉(zhuǎn)速是通過柴油發(fā)電機(jī)排出的廢氣流入渦輪機(jī)時所產(chǎn)生的動量矩來推動葉輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。

      柴油發(fā)電機(jī)的工況用轉(zhuǎn)速和負(fù)荷表示，在不同工況下柴油發(fā)電機(jī)排出的廢氣能量不同。低速時排氣流量低，所以渦輪轉(zhuǎn)速低，從而壓氣機(jī)的增壓效果降低。這與動力機(jī)械所要求的柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩特性互相矛盾。而且柴油機(jī)與增壓器之間沒有機(jī)械聯(lián)系，只有氣動聯(lián)系。因此，作為動力機(jī)械的柴油機(jī)和作為流體機(jī)械的增壓器如何匹配，或?qū)σ慌_柴油發(fā)電機(jī)如何選配增壓器，一直是增壓型柴油機(jī)的重要問題。

     為了說明柴油發(fā)電機(jī)采用增壓后輸出功率的提高程度，引用增壓度的概念，即柴油發(fā)電機(jī)增壓后功率的增量與增壓前的功率之比，即：

 

 

      式中，P_e0、P_ez分別為增壓前后柴油發(fā)電機(jī)的額定功率。

      對自然吸氣式柴油發(fā)電機(jī)可根據(jù)提高功率的不同要求，選擇不同增壓度或設(shè)計不同增壓比的增壓器。但近年來隨著節(jié)能與排放法規(guī)的要求日趨嚴(yán)格，以及用戶對舒適性等的要求不斷提高，發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)的增壓問題已不再是單純地追求高功率，而是在寬廣的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)滿足發(fā)電機(jī)組的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放以及成本等多方面的要求。因此，應(yīng)根據(jù)具體要求選擇不同的增壓方式。

      圖2所示為一臺缸徑為110mm的六缸發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)上增壓比π_b對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響。圖中用Ф_i表示增壓前后各項性能指標(biāo)的影響因子，其定義式為：

 

      式中，X_iA、X_iB分別表示增壓前后的i項性能指標(biāo)，i項性能指標(biāo)包括輸出功率P_e以及NO_x、CO、HC、煙度（BSU）等排放指標(biāo)。

      當(dāng)某項性能指標(biāo)隨π_b的提高而增加時，Ф_i為正，反之隨π_b的提高而減小時為負(fù)。由圖2可見，在π_b＜1.6的低增壓區(qū)域，隨π_b的增加柴油發(fā)電機(jī)的動力性和CO、HC及煙度的排放特性都有明顯的改善，而且相對功率的提高，NO_x排放量增加不多。當(dāng)π，為1.5左右時，在NO排放量增加不多的前提下，CO、HC及煙度排放分別降低83％、20％和50％，而且輸出功率提高25％以上。但是，當(dāng)2.5＞π_b＞1.6時，隨π_b的增加CO、HC及煙度排放基本保持不變，但輸出功率和NO_x排放量明顯增加，而且在此π，范圍內(nèi)，隨π_b的增加，因缸內(nèi)空氣密度和溫度都增加，所以NO_x排放量隨π_b的變化斜率大于功率隨π_b的變化斜率。因此，從降低排放角度考慮時，可以選擇低π_b，但為了同時提高柴油發(fā)電機(jī)的升功率并改善經(jīng)濟(jì)性時，就要采取增壓中冷等相應(yīng)的技術(shù)措施。

 

圖1  增壓型柴油機(jī)原理圖

圖2  增壓器對柴油發(fā)電機(jī)性能影響曲線圖

 

2、柴油器中冷器設(shè)計分析

      柴油機(jī)中冷器運行當(dāng)中，成效與壓力損失是最關(guān)鍵的性能參數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，要把提升中冷器換熱成效與減少壓力損失當(dāng)成主要環(huán)節(jié)。為達(dá)到此種目標(biāo)，不但要重視冷卻元件傳熱系統(tǒng)，還應(yīng)當(dāng)合理提升阻力，實現(xiàn)減少最小壓力，提升最大傳熱指數(shù)等目標(biāo)。在優(yōu)化設(shè)計中，為達(dá)到中冷效率，就要讓中冷器可以在柴油機(jī)各種環(huán)境下都可以提供恒定溫度氣體，可是氣體溫度和負(fù)荷具有一定的關(guān)聯(lián)。

（1）中冷器優(yōu)化

      為有效減少柴油機(jī)溫度，就要運用柴油機(jī)與渦輪增壓器對中冷器運行特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，把進(jìn)氣溫度有效控制到70℃，為達(dá)到此種目標(biāo)可在幾個層面對中冷器展開優(yōu)化。

① 首先要盡可能減少相應(yīng)的氣壓損失，一般要低于2%；

② 其次要讓冷卻空氣側(cè)壓力減到最低；

③ 再次選用低阻力有效傳熱部件；

④ 最后保證中冷器結(jié)構(gòu)緊湊，具備良好的經(jīng)濟(jì)性能。

       按照這四個目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)對中冷器換熱性能、冷卻介質(zhì)與壓力損失的參數(shù)展開校核測算。

（2）中冷器參數(shù)校核

      按照校核指數(shù)，在測算過程中重點分成兩種狀況。

① 首先是采取對數(shù)平均溫差法校核散熱范圍是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；

② 其次是通過效傳單元數(shù)法校核冷卻空氣與增壓空氣在出口溫度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

 

三、增壓中冷的影響

 

      對增壓柴油發(fā)電機(jī)，當(dāng)最高π_b為2.5左右時，在外特性上壓氣機(jī)出口的最高溫度（柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣溫度）可達(dá)到100～120℃，這不利于降低NO_x排放。為此，一般采用增壓中冷技術(shù)，由此在進(jìn)一步強(qiáng)化柴油發(fā)電機(jī)性能的同時降低NO_x排放。增壓中冷器常采用空對空式，設(shè)置在壓氣機(jī)出口到柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣總管之間，由此降低增壓后的進(jìn)氣溫度。中冷器對進(jìn)氣溫度的降溫效果，用式（公式3）所示的中冷器的換熱效率來表示，即：

 

 

      式中，n_z為中冷器的換熱效率；c₁、c₂分別表示冷熱物體的比熱容，對增壓中冷器而言，冷熱物體均為空氣，所以c₁＝c₂；t′₂、t″₂分別為冷卻空氣流經(jīng)中冷器時中冷器前后的空氣溫度；t′₁、t″₁分別表示增壓氣體流經(jīng)中冷器時的進(jìn)、出口溫度。

      圖3～圖10所示為在某一臺輕型增壓柴油發(fā)電機(jī)上，采用中冷器前后，在萬有特性曲線上對經(jīng)濟(jì)性和NO₂、HC及CO排放特性對比的結(jié)果。由于采用中冷器以后柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)氣溫度明顯降低，有效地提高了進(jìn)氣密度，同時有效地控制了燃燒溫度，所以，在相同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)在NO_x排放水平基本保持不變的前提下，不僅擴(kuò)大了燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，而且大幅度地提高了轉(zhuǎn)矩，從而有效地提高了升功率（圖3~圖6）；同時，在整個萬有特性區(qū)域明顯降低了HC和CO排放（圖7~圖10）。因此，增壓中冷技術(shù)是同時改善柴油發(fā)電機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的重要手段。

 

圖3  加裝中冷后對柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗率的影響曲線圖	圖4  無中冷器對柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗率的影響曲線圖
圖5  加裝中冷后對柴油發(fā)電機(jī)NOx的影響曲線圖	圖6  無中冷器對柴油發(fā)電機(jī)NOx的影響曲線圖
圖7  加裝中冷后對柴油發(fā)電機(jī)HC的影響曲線圖	圖8  無中冷器對柴油發(fā)電機(jī)HC的影響曲線圖
圖9  加裝中冷后對柴油發(fā)電機(jī)CO的影響曲線圖	圖10  無中冷器對柴油發(fā)電機(jī)CO的影響曲線圖

 

總結(jié)：

      總之，增壓中冷是一種有效的提高柴油機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)手段，可以使柴油機(jī)在高功率輸出的同時，滿足更嚴(yán)格的環(huán)保要求，提高柴油機(jī)的使用壽命。本文從中冷器在柴油發(fā)電機(jī)的作用來探討渦輪增壓柴油機(jī)的中冷技術(shù)，從中提出問題，以此作為提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性的前進(jìn)方向。目前，柴油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而作為非常重要的一部分---中冷技術(shù)，也是得到了很大改進(jìn)，同樣處于一個極其難去再改進(jìn)的狀態(tài)。但是，再完美的東西也有它脆弱的一面，我們應(yīng)該不斷的改革、創(chuàng)新，制造出經(jīng)濟(jì)性更高的、環(huán)保、節(jié)能的柴油機(jī)。

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