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柴油发电机排气系统背压和使用要求 |
摘要：排气系统的功用是将柴油机产生的废气排到大气中去。在排气系统的开发过程中，排气背压是排气系统设计的关键设计目标之一，因为排气背压的大小直接影响着柴油机的功率损失和排气系统的噪声水平。如果排气系统的设计匹配不合理，排气系统的背压过大，会造成机械效率下降，排气消耗的机械功增多，功率降低，排气温度升高，燃油消耗率的恶化等问题发生。康明斯公司在本文中根据背压产生机理和排气要求，分析了排气背压的原因和造成的影响，并指出了研究排气背压的实际意义和方向。
一、排气背压的概述
当排气背压升高时，柴油机排气不畅，从而影响柴油机的动力性。排气背压指柴油机尾气流经排气系统的压降。排气背压对柴油机综合性能有非常大的影响。一般情况下，排气背压变大直接导致柴油机燃油消耗率上升，柴油机经济性能恶化，于此同时柴油机动力性也变差，尾气排放质量也会由于缸内燃烧的不充分也加剧恶化。
1、排气背压研究原因
排气背压对柴油机经济性、动力性以及声音品质有着重要影响，是开发设计过程中参衡的重要指标之一。
（1）排气背压过大，导致充气损失增加，柴油机燃烧效率下降，功率输出降低，燃油经济性恶化。
（2）排气背压过小，会使排气系统开发成本增大，声品质变差。
因此，合理的排气背压对柴油机的性能至关重要。
2、排气背压的实际意义
排气背压升高会造成泵气功损失增加，从而导致机械功消耗增多，机械效率降低。同时，背压过高使得残余废气系数增大（一定程度上类似于高温 EGR），导致燃烧不充分，燃烧做功减少，燃油经济性恶化。残余废气系数过大还会引起排气温度升高，烟度加大，排放恶化，若安装涡轮增压器，其工作环境变差，柴油机进气压力相应减少。合理的排气背压，能够排除在自由排气阶段的大部分废气，同时减小在强制排气阶段活塞上行的排气消耗功，因此减小排气背压能够使排气阻力小，柴油机动力性提高。
3、排气背压研究方向
当今柴油机技术多应用多气门技术，进气门的增加可显著增加进气量，而多排气门技术又可以显著增加排气流经截面积，从而促使排气阻力减小，减小排气背压的产生，在排气自由时间内大量废气被排出，同时可使强制排气时间活塞上行由于排气消耗的有效功也变少，所以柴油机扭矩高，动力性得到改善。此时缸内新鲜工质比例也得到提高，排放尾气的质量得到控制。因此排气背压的减小对经济性、动力性以及尾气排放都有好处。
排气背压主要发生在排气系统及尾气净化装置中，目前，研究排气背压的影响也主要集中在消声器结构。另外，由于排气背压对柴油机颗粒捕集器（DPF）也有较大影响，一般在处理此方面排放问题时，背压是重点考虑对象。
二、排气背压对柴油机的影响
柴油发电机未装配各种尾气装置前，正常工作过程如图1所示；加装各种尾气装置后产生背压的机理如图2所示。下列为大家分析排气背压的大小影响，是否对柴油机造成不利的后果。
1、排气背压对排气功率损失的影响
排气背压的形成是由于管路对气流的阻滞以及气流之间的摩擦，主要包括摩擦阻力以及局部阻力。排气系统内的功率损失主要由摩擦阻力损失以及局部阻力损失两部分组成，其中摩擦阻力损失发生于管道壁面上，由气流与管道摩擦产生，取决于管道粗糙度及气体流动速度的大小。摩擦阻力损失可由公式（1）计算得知。
ΔE∱=λ（L/d）（ρν2/2）...............（公式1）
式中：p—气流密度；L—管道长度；d—管道横截面直径；λ—摩擦阻力系数；v—管道横截面气体平均流速。
局部阻力损失发生于排气管路流通界面的突变处，主要集中于消声器、管路、DOC、DPF以及SCR内气流通道扩张和缩小等截面突变处。此处气流的动能、压能发生突变，流速的突变生成涡流加剧了气流间的动能交换，增加了能量损耗，进一步增大了流体间的摩擦损失。其主要取决于管路的结构尺寸以及气体流速，局部阻力损失可由公式（2）计算所得。
ΔEp=ερν2/2...............（公式2）
式中：ε—局部阻力系数，与管道横截面积无关；v—管道横截面气体平均流速。
由此可知，排气背压的增大造成排气系统功率损失的增大，减少柴油机的输出功率，增大燃油消耗。
2、排气背压对充气效率的影响
柴油机的换气过程包括进气和排气两部分，其中排气过程又包含自由排气和强制排气两个阶段，自由排气阶段指排气门开启到气缸内压力接近排气管压力的时段。强制排气阶段指气缸内气体被活塞上行强制推出气缸的时段。
在自由排气和强制排气初期，柴油机缸内气体压力高，有可能处于超临界排气状态，其余大部分曲轴转角则处于亚临界排气状态。超临界排气阶段废气排出量与柴油机转速无关，只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面积；亚临界排气阶段废气排出量不只取决于有效流通面积，还与缸内和排气管内气体压差相关。超临界排气阶段所占整个排气时间比例较小，但由于废气流速高，排出废气量可达60%左右；亚临界排气阶段随着缸内与排气管内气体压差的增大，排气损失随之加大，缸内残留废气量增加。
充气效率η指实际进入柴油机气缸的新鲜充量与进气状态（增压器压气机出口的状态）下充满气缸工作容积的新鲜充量之比，可由公式（3）表示。
ην=V₁/V₂=m₁/m₂...............（公式3）
式中：V₁、m₁一实际进入柴油机气缸新鲜充量的体积和质量；V₂、m₂—进气状态充满柴油机气缸新鲜充量的体积和质量。
由上述可知，随着排气背压的增大，亚临界排气状态废气排出量越小，缸内残余废气量越大，实际新鲜充量越小，充气效率也随之降低。
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图1 柴油机排气系统正常工作过程 |
图2 柴油发电机背压产生机理 |
三、柴油机排气背压要求
1、排气系统的作用
（1）削减发动机产生的排气噪声以满足法规和客户对噪声的要求。
（2）保证发动机性能最佳的同时，把排气安全地运离发动机并安静的排到大气中。
（3）使排气远离发动机进气口和冷却/通风系统，以降低发动机工作温度并保证其性能。
2、排气背压计算方法
为降低排气噪声，防止排气泄露，保持排气畅通，对排气系统的阻力一般要求∶最大排气阻力对于台架上试验标定工况排气温度≤530°C不得超过10kPa（带后处理装置允许为20kPa），对于台架上试验工况排气温度≥2530°C不得超过15kPa （带后处理装置允许为25kPa），否则将引起发动机输出功率的降低，油耗增加，烟度过大，有害排放物增多，加载也将受到影响。
对于已给定长度和直径情况的排烟系统，下列公式可计算出排烟系统的背压：
P=575[（L×S×Q²）/D⁵]
式中，L=直管及弯头长度（米）；
Q=排烟流量（立方米/每分钟）；
D=烟管内径（厘米）；
S=随排烟绝对温度的变化关系：S=23 / [273+排温（℃）]；
P=背压（千帕），必须低于规定的许可背压值。
注：具体计算时请参照康明斯应用工程部编写的排烟背压计算工具。
3、排气系统的安装要求
（1）柴油发电机有噪音的规定，而且柴油机排气的高速流动造成的噪音不可忽视，为了降低噪音，柴油机的排气管都会装有消音器以达到符合要求的噪音范围。
（2）消音器会对排气产生阻力，而且排气管要有防止雨水倒灌的措施，所以有一些消音器装有泄水装置把从外面进入排气管的水份分离出来。
（3）对于排气管的使用，尽量使用薄的排气管，减轻排气管的重量，减低支撑管路的支撑负荷。排气管的管径要严格按照厂家要求去匹配，如果排气管的弯头过多，要在厂家要求基础上适当加大排气管的管径，不然管路排气背压会过大，严重影响增压器性能，直接降低柴油机功率。
（4）由于排气流速快，压力波动大，加上柴油机的震动造成管路的震动，所以排气管要在适当的位置装有管路的减震器，并且增压器不能受任何的管路重量，这样才能保证柴油机排气系统的可靠性，最大发挥柴油机的性能。
（5）波纹管离发动机排气口至少610毫米，排气口在柴油机上的位置如图3所示。不得用于改变方向、排烟管校直的方面使用。
（6）消音器第一级尽可能靠近发动机，并设冷凝水排放阀（位置设在排烟管垂直转向爬升处），管路较长末端安装第二级消声器。
（7）排烟管与易燃建筑物距离至少230 mm，烟管穿过墙壁用隔热套管。弯曲半径尽量大，例如90°弯头内弯半径等于3倍管径。排烟管各个连接处应采用法兰连接方式，柴油机排烟管法兰材质的选用要根据安装位置、介质温度、耐腐蚀性等因素进行综合考虑。安装时要保证法兰连接平面的表面清洁平整，法兰嘴的直线度和圆度误差不得超过规定范围，如图4所示。
（8）烟囱防雨帽或排气阀安装做到垂直排烟、出口水平、排气口应修斜并加防鸟网。
（9）室内消音器及排烟管路一般为50毫米厚隔热材料和铝质护套，机组排烟管道不得与其它机组或锅炉等设备共用。
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图3 柴油机排气口连接处位置图 |
图4 柴油发电机组排烟管法兰尺寸规格 |
总结：
作为柴油发电机厂家总是希望通过优化设计为发电设备得到最大的输出功率，从而实现最大化的性价比和节能减排的目的。排气系统的背压是排气系统设计时所必须考虑的重要因素之一，会直接影响柴油机功率的输出。排气背压越大越不利于柴油机功率的输出。本文上述内容中介绍了柴油机排气系统及排气背压的相关信息，并运用排烟管阻力计算的公式，结合柴油机性能参数对排气背压进行计算分析。
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