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新闻主题	增压中冷前后对柴油发电机的影响

 

摘要：由于对改善柴油机排气品质、排放量的控制、尽可能的节约能源和提高柴油机的功率的要求越来越高，导致目前涡轮增压技术应用非常广泛，而中冷技术对以上的要求同样起着十分重要的作用。增压中冷型柴油机的突出优点在今天已毋庸置疑，诸如在高海拔出的功率输出，而伴随着高功率的输出，也出现了以下一些不满意的因素：如柴油的燃烧质量下降、排气温度升高和排气量增加等。因此，如何选择和匹配性能良好的增压器、中冷器便是柴油发电机厂家的重要研究课题。

 

一、增压中冷的作用

 

      柴油机增压中冷是指在柴油机的增压系统中添加一个中冷器，将增压后的高温空气冷却后再进入发动机燃烧室。它的作用主要有以下几个方面：

1. 提高进气密度

      通过增压后降低进气温度，使得同一容积的进气中包含更多的氧气，从而提高进气密度，增加燃油燃烧时的氧气供应量，提高发动机的输出功率。

2、减少燃油消耗

      增压中冷可以提高发动机的热效率，减少燃油的消耗，提高柴油机的经济性。

3、降低排放

      增压中冷可以降低进入燃烧室的空气温度，从而减少发动机燃烧时产生的氮氧化物（NOx）排放。

4、延长发动机寿命

      增压中冷可以减少进入发动机的热量，降低发动机内部的温度，从而延长柴油机的使用寿命。

      总之，增压中冷是一种有效的提高柴油机性能和经济性的技术手段，可以使柴油机在高功率输出的同时，满足更严格的环保要求，提高柴油机的使用寿命。

 

二、增压中冷的选择

 

1、增压器的设计

      柴油发电机增压的目的就是提高进气密度，以提高单位气缸的工作能力，由此改善柴油发电机的外特性和万有特性，增压原理如图1所示。对发电用柴油发电机常采用废气涡轮增压，以回收利用部分排气能量涡轮增压器的增压能力取决于增压器的转速和压气机的结构，增压器的转速是通过柴油发电机排出的废气流入涡轮机时所产生的动量矩来推动叶轮旋转而产生的。

      柴油发电机的工况用转速和负荷表示，在不同工况下柴油发电机排出的废气能量不同。低速时排气流量低，所以涡轮转速低，从而压气机的增压效果降低。这与动力机械所要求的柴油机转矩特性互相矛盾。而且柴油机与增压器之间没有机械联系，只有气动联系。因此，作为动力机械的柴油机和作为流体机械的增压器如何匹配，或对一台柴油发电机如何选配增压器，一直是增压型柴油机的重要问题。

     为了说明柴油发电机采用增压后输出功率的提高程度，引用增压度的概念，即柴油发电机增压后功率的增量与增压前的功率之比，即：

 

 

      式中，P_e0、P_ez分别为增压前后柴油发电机的额定功率。

      对自然吸气式柴油发电机可根据提高功率的不同要求，选择不同增压度或设计不同增压比的增压器。但近年来随着节能与排放法规的要求日趋严格，以及用户对舒适性等的要求不断提高，发电用柴油发电机的增压问题已不再是单纯地追求高功率，而是在宽广的转速和负荷范围内满足发电机组的动力性、经济性、排放以及成本等多方面的要求。因此，应根据具体要求选择不同的增压方式。

      图2所示为一台缸径为110mm的六缸发电用柴油发电机上增压比π_b对柴油发电机性能的影响。图中用Ф_i表示增压前后各项性能指标的影响因子，其定义式为：

 

      式中，X_iA、X_iB分别表示增压前后的i项性能指标，i项性能指标包括输出功率P_e以及NO_x、CO、HC、烟度（BSU）等排放指标。

      当某项性能指标随π_b的提高而增加时，Ф_i为正，反之随π_b的提高而减小时为负。由图2可见，在π_b＜1.6的低增压区域，随π_b的增加柴油发电机的动力性和CO、HC及烟度的排放特性都有明显的改善，而且相对功率的提高，NO_x排放量增加不多。当π，为1.5左右时，在NO排放量增加不多的前提下，CO、HC及烟度排放分别降低83％、20％和50％，而且输出功率提高25％以上。但是，当2.5＞π_b＞1.6时，随π_b的增加CO、HC及烟度排放基本保持不变，但输出功率和NO_x排放量明显增加，而且在此π，范围内，随π_b的增加，因缸内空气密度和温度都增加，所以NO_x排放量随π_b的变化斜率大于功率随π_b的变化斜率。因此，从降低排放角度考虑时，可以选择低π_b，但为了同时提高柴油发电机的升功率并改善经济性时，就要采取增压中冷等相应的技术措施。

 

图1  增压型柴油机原理图

图2  增压器对柴油发电机性能影响曲线图

 

2、柴油器中冷器设计分析

      柴油机中冷器运行当中，成效与压力损失是最关键的性能参数。在优化设计当中，要把提升中冷器换热成效与减少压力损失当成主要环节。为达到此种目标，不但要重视冷却元件传热系统，还应当合理提升阻力，实现减少最小压力，提升最大传热指数等目标。在优化设计中，为达到中冷效率，就要让中冷器可以在柴油机各种环境下都可以提供恒定温度气体，可是气体温度和负荷具有一定的关联。

（1）中冷器优化

      为有效减少柴油机温度，就要运用柴油机与涡轮增压器对中冷器运行特性进行调节，把进气温度有效控制到70℃，为达到此种目标可在几个层面对中冷器展开优化。

① 首先要尽可能减少相应的气压损失，一般要低于2%；

② 其次要让冷却空气侧压力减到最低；

③ 再次选用低阻力有效传热部件；

④ 最后保证中冷器结构紧凑，具备良好的经济性能。

       按照这四个目标，应当对中冷器换热性能、冷却介质与压力损失的参数展开校核测算。

（2）中冷器参数校核

      按照校核指数，在测算过程中重点分成两种状况。

① 首先是采取对数平均温差法校核散热范围是否达到标准；

② 其次是通过效传单元数法校核冷却空气与增压空气在出口温度是否达到标准。

 

三、增压中冷的影响

 

      对增压柴油发电机，当最高π_b为2.5左右时，在外特性上压气机出口的最高温度（柴油发电机进气温度）可达到100～120℃，这不利于降低NO_x排放。为此，一般采用增压中冷技术，由此在进一步强化柴油发电机性能的同时降低NO_x排放。增压中冷器常采用空对空式，设置在压气机出口到柴油发电机进气总管之间，由此降低增压后的进气温度。中冷器对进气温度的降温效果，用式（公式3）所示的中冷器的换热效率来表示，即：

 

 

      式中，n_z为中冷器的换热效率；c₁、c₂分别表示冷热物体的比热容，对增压中冷器而言，冷热物体均为空气，所以c₁＝c₂；t′₂、t″₂分别为冷却空气流经中冷器时中冷器前后的空气温度；t′₁、t″₁分别表示增压气体流经中冷器时的进、出口温度。

      图3～图10所示为在某一台轻型增压柴油发电机上，采用中冷器前后，在万有特性曲线上对经济性和NO₂、HC及CO排放特性对比的结果。由于采用中冷器以后柴油发电机的进气温度明显降低，有效地提高了进气密度，同时有效地控制了燃烧温度，所以，在相同转速范围内在NO_x排放水平基本保持不变的前提下，不仅扩大了燃油经济区，而且大幅度地提高了转矩，从而有效地提高了升功率（图3~图6）；同时，在整个万有特性区域明显降低了HC和CO排放（图7~图10）。因此，增压中冷技术是同时改善柴油发电机动力性、经济性和排放特性的重要手段。

 

图3  加装中冷后对柴油发电机燃油消耗率的影响曲线图	图4  无中冷器对柴油发电机燃油消耗率的影响曲线图
图5  加装中冷后对柴油发电机NOx的影响曲线图	图6  无中冷器对柴油发电机NOx的影响曲线图
图7  加装中冷后对柴油发电机HC的影响曲线图	图8  无中冷器对柴油发电机HC的影响曲线图
图9  加装中冷后对柴油发电机CO的影响曲线图	图10  无中冷器对柴油发电机CO的影响曲线图

 

总结：

      总之，增压中冷是一种有效的提高柴油机性能和经济性的技术手段，可以使柴油机在高功率输出的同时，满足更严格的环保要求，提高柴油机的使用寿命。本文从中冷器在柴油发电机的作用来探讨涡轮增压柴油机的中冷技术，从中提出问题，以此作为提高柴油机的经济性的前进方向。目前，柴油机废气涡轮增压技术已经非常成熟，而作为非常重要的一部分---中冷技术，也是得到了很大改进，同样处于一个极其难去再改进的状态。但是，再完美的东西也有它脆弱的一面，我们应该不断的改革、创新，制造出经济性更高的、环保、节能的柴油机。

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