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新闻主题 |
柴油发电机热效率和能量损失之间的关系 |
摘 要：在柴油发电机中，效率表明输入与输出的联系，柴油发电机的效率等于输出功率与柴油燃烧时所能获得的功率之比。柴油发电机的效率有机械效率和热效率两个指标：机械效率等于有用功率与指示功率之比；柴油发电机的机械效率一般为0.8～0.9。热效率是柴油燃烧后用于作功的那部分热量与所能发生的总热量之比。柴油完全燃烧发生的热量，一部分被柴油发电机冷却系带走，一部分随废气排出，只有少部分热量用于作功。因此，内燃机的热效率很低，一般四行程汽油柴油发电机为20%～25%，即使是高性能的柴油发电机，其热效率也不到30%。也就是说，柴油燃烧发生的有用能量，只有不到1/3被有用使用，那么还有超过2/3的热量究竟到哪儿去呢？为了弄清楚这个问题，有必要了解一下柴油发电机的各种能量损失。
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一、机械能量损失
1、活塞环与气缸壁间的冲突
在环的外圆和装置圈内壁之间存在着冲突阻力，即当活塞环发生变形时，活塞环外圆必定要移动，因此存在着阻止移动的冲突，于是就增大了活塞环变形所需求的负荷，这种冲突损失随活塞环的弹力、环的厚度和环的根数成正比。在某种情况下，它们之间的冲突损失占总冲突损失的75%。短行程、少活塞环柴油发电机在这方面有明显的改进。为了降低活塞环与气缸之间的冲突损失，有的柴油发电机的活塞环厚度现已减薄到0.8mm，在保证活塞环密封的前提下，尽量减小环的弹性。随着工艺水平的和设计制造质量的不断进步，活塞环的数量正在减少，少数高性能柴油发电机有采用一道活塞环的。
2、支撑轴承和曲轴的滑动冲突损失
这些滑动冲突损失包括主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承（或衬套）等的冲突损失，尤其是随着轴承直径的增大，轴颈圆周速度的增大，运动件的惯性力增大，这部分损失也随之增大。
3、光滑油粘度及粘温的冲突损失
进步光滑油粘度能够添加光滑油膜厚度，即添加其接受载荷的能力，添加光滑的可靠性。但是，同时会添加冲突损失，由于柴油发电机内冲突机件的冲突面积很大，一般都在0.5m2以上。在这些面上盖满一层光滑油，当机件运动速度很快时，即使光滑油的粘度稍有添加，冲突功的损失便增大许多，使柴油发电机可使用的功率相应减少，柴油耗费增多。再加上部分用户为了减轻柴油发电机的运动噪声，有意使用高粘度的光滑油。由于油的粘度大，机件间的冲突阻力增大，这样不光增大机件的磨损，而且柴油燃烧后散布的热能，就要多耗费一些变为冲突功，以战胜添加了的冲突力，因此也就降低了柴油发电机的有用功率。
以上这些摩擦损失统称为机械损失，机械损失约占汽油总能量的5%～8%左右。据有关資料统计，柴油发电机中机械损失功率的分布大致为：活塞和活塞环的摩擦损失约45%～65%;整个活塞连杆曲轴机构中的摩擦损失约60%～70%;气门机构的驱动损失2%～3%;附属机构的驱动损失约10%～20%，换（泵）气损失约10%～20%。
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柴油发电机能量损失示意图 |
二、机械损失的测定
机械损失的测定是在柴油发电机不燃烧的条件下，在制造厂用测功机倒拖柴油发电机，试验时，柴油发电机与电力测功器有效连接：有级变速机构必须在最高档位，无级变速机则拆去离心变速器，测功机直接与曲轴左端花键联结。当柴油发电机以给定工况稳定运行，机油温度、冷却水（水冷机型）达到正常数值时，切断对柴油发电机的供油，以给定转速倒拖柴油发电机，并尽量维持机油温度和冷却水温度不变，这样测得的倒拖功率，是柴油发电机在运转过程中克服机械摩擦阻力损耗掉的，因此叫做机械损失功率。
上面讲到的各项损失，是指曲轴输出端之前的能量损失。此后由于初级减速机构或变速器的传动损失，将产生更多的能量损失，尤其是变速器机构，据资料介绍，跨式柴油发电机采用齿轮传动方式，其传动效率约为0.92，而坐式装用齿形皮带的传动效率只有0.70～0.76（如：市场上常见的康明斯柴油发电机的皮带传动效率为0.70，1P52QMI（即GY6）柴油发电机和152MI水冷柴油发电机的传动效率为0.76）。传动效率越低，摩擦损失越大，反之，则摩擦损失越小。以上所述的这些传动效率损失包括柴油发电机多级传动的损耗。
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柴油机热效率 |
一年四季中，不同地区、不同季节的气温、气压和湿度都是不同的，尤其是到了炎热的夏季，气温急剧升高，气压下降，相对湿度增大，柴油发电机实际吸入的氧气减少、吸入的水汽加大的同时，其实际发出的有效功率也相对减少。这当中，炎热的夏季温度最高，冬季气温最低。为了弥补柴油发电机在各种环境条件使用时产生的功率损失，柴油发电机制造厂在检测柴油发电机功率时，都在标准状况下进行测定：
（1）大气压力：101.325kPa（760mmHg）;
（2）进气温度：293K±5（20±5℃）;
（3）湿度：≤65%。
如试验时不在以上的标准状况，均在直流电力测功机电脑程序输入相关数据适当给予修正。即便如此，经过功率修正的柴油发电机实际有效功率，还是与在其他接近标准状况下季节测定的功率有所差异。据康明斯公司试验统计得出初步结论，同样一台柴油发电机，在不同季节测量的有效功率至少相差5%，即在秋高气爽的秋天测量的有效功率，比炎热的夏季测量的有效功率要偏高5%～8%。这个试验结果与用户在不同季节骑时感受到的动力存在明显差异是吻合的。
目前，柴油发电机转变为有效功的热量在柴油燃烧发热量（输入热量）中的比例为30%～40%，冷却水散热在输入热量中的比例为20%～25%，尾气散热在输入热量中的比例为40%～45%，也就是说，当人们操作康明斯发电机组时，仅仅利用了1/3左右的柴油化学能，其他2/3左右的能量则白白损失掉了，这是通过高温尾气排热和柴油发电机的冷却水散热造成的，如果能够有效利用这部分热量，必定会在一定程度上提高柴油发电机的能量利用率。
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