新聞主題	增壓中冷前后對柴油發電機的影響

 

摘要：由于對改善柴油機排氣品質、排放量的控制、盡可能的節約能源和提高柴油機的功率的要求越來越高，導致目前渦輪增壓技術應用非常廣泛，而中冷技術對以上的要求同樣起著十分重要的作用。增壓中冷型柴油機的突出優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，也出現了以下一些不滿意的因素：如柴油的燃燒質量下降、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、中冷器便是柴油發電機廠家的重要研究課題。

 

一、增壓中冷的作用

 

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

1. 提高進氣密度

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

2、減少燃油消耗

      增壓中冷可以提高發動機的熱效率，減少燃油的消耗，提高柴油機的經濟性。

3、降低排放

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

4、延長發動機壽命

      增壓中冷可以減少進入發動機的熱量，降低發動機內部的溫度，從而延長柴油機的使用壽命。

      總之，增壓中冷是一種有效的提高柴油機性能和經濟性的技術手段，可以使柴油機在高功率輸出的同時，滿足更嚴格的環保要求，提高柴油機的使用壽命。

 

二、增壓中冷的選擇

 

1、增壓器的設計

      柴油發電機增壓的目的就是提高進氣密度，以提高單位氣缸的工作能力，由此改善柴油發電機的外特性和萬有特性，增壓原理如圖1所示。對發電用柴油發電機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速和壓氣機的結構，增壓器的轉速是通過柴油發電機排出的廢氣流入渦輪機時所產生的動量矩來推動葉輪旋轉而產生的。

      柴油發電機的工況用轉速和負荷表示，在不同工況下柴油發電機排出的廢氣能量不同。低速時排氣流量低，所以渦輪轉速低，從而壓氣機的增壓效果降低。這與動力機械所要求的柴油機轉矩特性互相矛盾。而且柴油機與增壓器之間沒有機械聯系，只有氣動聯系。因此，作為動力機械的柴油機和作為流體機械的增壓器如何匹配，或對一臺柴油發電機如何選配增壓器，一直是增壓型柴油機的重要問題。

     為了說明柴油發電機采用增壓后輸出功率的提高程度，引用增壓度的概念，即柴油發電機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電機的額定功率。

      對自然吸氣式柴油發電機可根據提高功率的不同要求，選擇不同增壓度或設計不同增壓比的增壓器。但近年來隨著節能與排放法規的要求日趨嚴格，以及用戶對舒適性等的要求不斷提高，發電用柴油發電機的增壓問題已不再是單純地追求高功率，而是在寬廣的轉速和負荷范圍內滿足發電機組的動力性、經濟性、排放以及成本等多方面的要求。因此，應根據具體要求選擇不同的增壓方式。

      圖2所示為一臺缸徑為110mm的六缸發電用柴油發電機上增壓比π_b對柴油發電機性能的影響。圖中用Ф_i表示增壓前后各項性能指標的影響因子，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，i項性能指標包括輸出功率P_e以及NO_x、CO、HC、煙度（BSU）等排放指標。

      當某項性能指標隨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。由圖2可見，在π_b＜1.6的低增壓區域，隨π_b的增加柴油發電機的動力性和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，隨π_b的增加，因缸內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電機的升功率并改善經濟性時，就要采取增壓中冷等相應的技術措施。

 

圖1  增壓型柴油機原理圖

圖2  增壓器對柴油發電機性能影響曲線圖

 

2、柴油器中冷器設計分析

      柴油機中冷器運行當中，成效與壓力損失是最關鍵的性能參數。在優化設計當中，要把提升中冷器換熱成效與減少壓力損失當成主要環節。為達到此種目標，不但要重視冷卻元件傳熱系統，還應當合理提升阻力，實現減少最小壓力，提升最大傳熱指數等目標。在優化設計中，為達到中冷效率，就要讓中冷器可以在柴油機各種環境下都可以提供恒定溫度氣體，可是氣體溫度和負荷具有一定的關聯。

（1）中冷器優化

      為有效減少柴油機溫度，就要運用柴油機與渦輪增壓器對中冷器運行特性進行調節，把進氣溫度有效控制到70℃，為達到此種目標可在幾個層面對中冷器展開優化。

① 首先要盡可能減少相應的氣壓損失，一般要低于2%；

② 其次要讓冷卻空氣側壓力減到最低；

③ 再次選用低阻力有效傳熱部件；

④ 最后保證中冷器結構緊湊，具備良好的經濟性能。

       按照這四個目標，應當對中冷器換熱性能、冷卻介質與壓力損失的參數展開校核測算。

（2）中冷器參數校核

      按照校核指數，在測算過程中重點分成兩種狀況。

① 首先是采取對數平均溫差法校核散熱范圍是否達到標準；

② 其次是通過效傳單元數法校核冷卻空氣與增壓空氣在出口溫度是否達到標準。

 

三、增壓中冷的影響

 

      對增壓柴油發電機，當最高π_b為2.5左右時，在外特性上壓氣機出口的最高溫度（柴油發電機進氣溫度）可達到100～120℃，這不利于降低NO_x排放。為此，一般采用增壓中冷技術，由此在進一步強化柴油發電機性能的同時降低NO_x排放。增壓中冷器常采用空對空式，設置在壓氣機出口到柴油發電機進氣總管之間，由此降低增壓后的進氣溫度。中冷器對進氣溫度的降溫效果，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中冷器時的進、出口溫度。

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

 

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

 

總結：

      總之，增壓中冷是一種有效的提高柴油機性能和經濟性的技術手段，可以使柴油機在高功率輸出的同時，滿足更嚴格的環保要求，提高柴油機的使用壽命。本文從中冷器在柴油發電機的作用來探討渦輪增壓柴油機的中冷技術，從中提出問題，以此作為提高柴油機的經濟性的前進方向。目前，柴油機廢氣渦輪增壓技術已經非常成熟，而作為非常重要的一部分---中冷技術，也是得到了很大改進，同樣處于一個極其難去再改進的狀態。但是，再完美的東西也有它脆弱的一面，我們應該不斷的改革、創新，制造出經濟性更高的、環保、節能的柴油機。

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