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新聞主題 |
柴油發(fā)電機(jī)組中冷器的作用和主要檢測項(xiàng)目 |
引言：渦輪增壓器的渦輪機(jī)是通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫接近500~600℃，熱傳遞到增壓器側(cè)，進(jìn)氣溫度隨之升高，且增壓器壓縮空氣，也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣溫度升高。進(jìn)氣溫度過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，從而產(chǎn)生增壓效果降低、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命短等負(fù)面影響，因此增加中冷器對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)非常必要。簡單來說，柴油發(fā)電機(jī)中的中冷器是個(gè)熱交換器，它為壓縮后溫度較高的空氣進(jìn)行降溫，從而提高進(jìn)氣密度和充氣量。為了更好的使用和維護(hù)柴油發(fā)電機(jī)組，日常都需要對(duì)中冷器進(jìn)行檢查與壓力試驗(yàn)。
一、中冷器的作用
1、降低進(jìn)氣溫度
渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是有中冷器的，即在渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間引入了一個(gè)中冷器。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)直接排出的廢氣溫度通常高達(dá)8、9百度，會(huì)造成渦輪本體、進(jìn)氣溫度升高，加之壓縮空氣時(shí)做功，增壓壓縮進(jìn)氣缸的氣體就有可能過熱而造成汽油預(yù)燃而發(fā)生爆震，影響動(dòng)力輸出；同時(shí)，高溫也是引擎的隱形殺手。所以，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)引入中冷器來降低進(jìn)氣溫度。一般來說，使用中冷后能減小50～60度的進(jìn)氣溫度（離開臨界值），可以適當(dāng)?shù)奶岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，改善低轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力輸出；同時(shí)由于冷空氣的密度大，所以在相同條件下，這種設(shè)計(jì)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率更高。
由于渦輪的溫度上升，所以會(huì)導(dǎo)致處在進(jìn)氣增壓部分的渦輪的溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣溫度的急劇升溫，這樣就會(huì)出現(xiàn)爆燃和進(jìn)氣效率下降，以前采取的辦法是推遲點(diǎn)火，但是這樣又會(huì)喪失最大扭矩的最佳點(diǎn)火時(shí)間，而且會(huì)出現(xiàn)新的點(diǎn)火時(shí)間下的排氣溫度上升，因而造成惡性循環(huán)。隨著中冷器的誕生，這樣的問題將會(huì)得到很好的改善，中冷器說白了就是冷卻被增壓完的空氣，因此中冷器的作用就是冷卻。有數(shù)據(jù)表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就能提高3%~5%。
2、降低排放
柴油機(jī)的排放污染物主要有CO、HC 、NO? 和微粒物等。此外，由于溫室效應(yīng)引起全球變暖的問題， CO?的排放量也受到限制。采用渦輪增壓和增壓中冷技術(shù)可降低其排放值。
（1）一氧化碳（CO）
柴油機(jī)中CO 是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要是在局部缺氧或低溫下形成的。采用渦輪增壓后，可供燃燒的空氣增多，并且增壓發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)工況負(fù)荷較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)溫度能保證燃料更充分燃燒， CO 排放可進(jìn)一步降低。
（2）碳?xì)浠衔铮℉C）
柴油機(jī)排氣中的HC 是主要由原始燃料分子、分解的燃料分子以及再化合的中間化合物所組成；小部分HC是由潤滑油生成的。增壓時(shí)，由于進(jìn)氣密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油霧化質(zhì)量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油， HC減少；增壓還使柴油機(jī)燃燒整個(gè)循環(huán)的平均介質(zhì)溫度升高，氧化反應(yīng)速率大，未燃HC排放降低。
（3）氮氧化物（NO?）
柴油機(jī)中氮氧化物的主要成分NO的生成取決于氧的濃度、溫度及反應(yīng)時(shí)間等。降低NO的措施是以降低火焰溫度、氧濃度及高溫下停留時(shí)間為目標(biāo)。對(duì)于現(xiàn)有的自然吸氣柴油機(jī)，如果只簡單采用增壓措施，可能會(huì)因?yàn)檫^量空氣系數(shù)增大和燃燒溫度的升高而導(dǎo)致NO?增加。采用進(jìn)氣中冷技術(shù)降低進(jìn)氣溫度，可降低增壓柴油機(jī)NO?排放；如果采用先進(jìn)的中冷技術(shù)后，可進(jìn)一步降低進(jìn)氣充量的溫度。進(jìn)氣充量溫度降低，燃燒溫度可以得到有效控制，有利于NO?的減少。實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)增壓時(shí)采用減小壓縮比、推遲噴油定時(shí)等措施來減小熱負(fù)荷、降低最高燃燒溫度。壓縮比的減小可以降低壓縮終了的介質(zhì)溫度從而降低燃燒火焰溫度；推遲噴油定時(shí)，可以縮短滯燃期，減少油束稀薄火焰區(qū)的燃料蒸發(fā)和混合，降低最高燃燒溫度。為減少噴油定時(shí)導(dǎo)致的后燃期過長的問題，須增大供油速率，縮短噴油時(shí)間，以加快燃燒速率，縮短燃燒時(shí)間。
（4）微粒物（PM）
影響柴油機(jī)微粒物生成的原因較復(fù)雜，其主要因素是過量空氣系數(shù)、燃油霧化質(zhì)量、噴油速率、燃燒過程和燃油質(zhì)量等。此外，柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化降低NO?的措施通常會(huì)帶來PM增加。增壓柴油機(jī)，特別是采用高增壓壓比和空—空中冷技術(shù)后，可顯著增大進(jìn)氣密度，增加缸內(nèi)可用的空氣量。如同時(shí)采用高壓燃油噴射、共軌電控噴射、低排放燃燒室和中心噴嘴四氣閥技術(shù)，并提高燃油霧化質(zhì)量，改善燃燒過程，則可有效地控制PM排放。
二、中冷器類別與布置型式
1 、中冷器分類
中冷器按冷卻介質(zhì)分為水冷中冷器和空空中冷器，目前采用較多的是空空中冷器。
（1）水冷中冷器通常集成在進(jìn)氣歧管上，利用散熱器的冷卻液對(duì)歧管內(nèi)氣體進(jìn)行冷卻，熱效率低，冷卻后的溫度很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，但響應(yīng)時(shí)間快。
（2）空空中冷器通常與散熱器一起布置在整車前端，利用柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣流對(duì)增壓空氣進(jìn)行冷卻，熱效率較高，但由于中冷管路的容積延緩了響應(yīng)時(shí)間。
2、中冷器布置型式
柴油發(fā)電機(jī)空空中冷器有以下幾種常見的布置型式：
（1）前置式
前置式中冷器一般橫置在前蒙皮內(nèi)側(cè)，位于散熱器冷凝器之前偏下位置。這種布置方式因其位于機(jī)體最前端，冷卻性能好、維修也方便。
（2）集成式
集成式中冷器布置在冷凝器與散熱器之間，三器集成一體。該布置冷卻性能較好。但增加了系統(tǒng)冷側(cè)的風(fēng)阻，需額外加大散熱器或風(fēng)扇功率，且中冷器壓降較大。拆裝不方便。
（3）側(cè)置式
側(cè)置式中冷器安裝在前蒙皮的左內(nèi)側(cè)或右內(nèi)側(cè)，大丁下方，由于空間有限，中冷器體積較小，該布置需要為中冷器設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)風(fēng)罩。冷卻性能差。
（4）頂置式
頂置式中冷器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上方，通過在發(fā)罩上開一個(gè)進(jìn)氣口，將迎面冷風(fēng)導(dǎo)到中冷器進(jìn)行散熱。該布置型式結(jié)構(gòu)緊湊，管道短，響應(yīng)快，但由于中冷器距離發(fā)動(dòng)機(jī)近，會(huì)受發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射的影響。
目前大部分柴油發(fā)電機(jī)上采用前置式中冷器。側(cè)置式和頂置式中冷器由于需要額外增加導(dǎo)風(fēng)裝置和進(jìn)氣開口對(duì)成本及造型產(chǎn)生不利，目前應(yīng)用較少。
三、空空中冷器檢測
1、泄漏與堵塞檢查
（1）檢查空空中冷器管路和軟管有無泄漏、孔洞、裂紋或松動(dòng)的連接。如有必要，擰緊軟管卡箍，如圖1所示。參考柴油發(fā)電機(jī)組制造商的技術(shù)規(guī)范以確定正確的扭矩值。
（2）檢查空空中冷器 (CAC) 有無堵塞散熱片的污垢和碎屑。檢查有無裂紋、孔洞或其它損壞。檢查部位如圖2所示。
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圖1 柴油機(jī)中冷器管路和軟管松動(dòng)檢查 |
圖2 柴油機(jī)中冷器堵塞檢查 |
2、泄漏和堵塞試驗(yàn)
（1）泄漏測試
要檢查空一空中冷器或集氣管有無裂紋，從空空中冷器上拆下進(jìn)氣軟管和出氣軟管。不必將空空中冷器從底盤上拆下。為避免某個(gè)堵頭在測試中吹落而造成傷害，應(yīng)將測試堵頭上的安全保護(hù)鏈固定好。此項(xiàng)測試不能在沒有安全保護(hù)鏈的情況下進(jìn)行。
其測試步驟如圖3所示，在中冷器的出氣口上安裝一個(gè)堵頭或帽蓋。在中冷器的進(jìn)氣口上安裝一個(gè)壓力表和帶有切斷閥的可調(diào)節(jié)壓縮空氣供氣管。向中冷器施加空氣壓力，直到壓力表顯示的空氣壓力穩(wěn)定在207kPa(30psi)，然后切斷向中冷器的供氣。如果15s內(nèi)壓降等于或小于34kPa(5psi)，則中冷器功能完好；如果15s內(nèi)壓降大于34kPa(5psi)，則說明有泄漏，需要更換中冷器。
注：空一空中冷器的設(shè)計(jì)不能保證100％無泄漏。如果15s內(nèi)壓降小于34kPa(5psi)，則不需要更換空一空中冷器。
（2）溫差測試
空一空中冷器外部是否堵塞，清除散熱片中的雜物。將風(fēng)扇直連，以免測量結(jié)果出錯(cuò)。在靠近進(jìn)氣歧管的空氣管道上安裝數(shù)字式溫度計(jì)。在空氣濾清器進(jìn)氣口上安裝另外一個(gè)數(shù)字式溫度計(jì)以測量周圍空氣溫度。進(jìn)行一次道路測試，讓發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)保證車速大于或等于48kh（30mile/h），記錄進(jìn)氣歧管溫度和環(huán)境空氣溫度
計(jì)算溫差公式：
進(jìn)氣歧管溫度-環(huán)境空氣溫度=溫差
最大溫差為28℃。如果溫差大于技術(shù)規(guī)范，則檢查空一空中冷器的散熱片上有無污垢或碎屑，必要時(shí)清潔。
（3）壓差測試
如圖4所示，將水銀壓力計(jì)的一端接到渦輪增壓器壓縮機(jī)出口彎管的接頭上。將水銀壓力計(jì)的另一端接到進(jìn)氣歧管上，讓發(fā)動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄壓力計(jì)的讀數(shù)。如果壓差大于20kPa（152mmHg，6inHg)，則檢查空一空中冷器和相應(yīng)的管路是否堵塞。如有必要，則進(jìn)行清潔或更換。也可以使用兩塊量程合適的壓力表進(jìn)行此項(xiàng)測試。
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圖3 中冷器泄漏測試 |
圖4 中冷器壓差測試 |
四、進(jìn)排氣阻力檢測
1、進(jìn)氣阻力檢測
如圖5所示，在渦輪增壓器前進(jìn)氣管內(nèi)安裝真空表或水壓差計(jì)。儀表接頭必須與氣流方向成90°。使發(fā)動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速和最大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。記錄儀表或壓力表上的讀數(shù)。最大允許進(jìn)氣阻力為0.6kPa（63.5mmH2O，2.5inH2O)。若進(jìn)氣阻力過大，則應(yīng)檢查空濾器和進(jìn)氣管。
2、排氣阻力檢測
在消聲器前的排氣管上安裝壓力表（如圖6所示）。從排氣管接頭處引出最短長度為305mm（12in）的金屬管，保護(hù)軟管以防過熱。讓發(fā)動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄壓力表讀數(shù)。
排氣阻力規(guī)范：
（1）不帶后處理（最大數(shù)據(jù)）：10kPa（75.0mmHg，3.0inHg）
（2）帶后處理（最大數(shù)據(jù)）：41kPa（305.0mmHg，12.0inHg）
如果排氣壓力超過技術(shù)規(guī)范，則檢查排氣管是否損壞。如果柴油發(fā)電機(jī)組配備有后處理系統(tǒng)，則檢查后處理柴油微粒濾清器或柴油氧化劑催化器是否堵塞。在高排氣阻力下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間過長會(huì)損壞渦輪增壓器油封。
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圖5 中冷器進(jìn)氣阻力測試 |
圖6 測試壓力表外觀圖 |
總結(jié)：
綜上所述，中冷器能夠進(jìn)一步提升柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)功率，減少能源損耗、降低環(huán)境污染。伴隨柴油機(jī)中冷器的不斷發(fā)展，其冷卻方法具有相應(yīng)的差異，當(dāng)前已具有多種類型的結(jié)構(gòu)。通過中冷器的具體應(yīng)用狀況展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定常見的校核測算方式，如此能夠進(jìn)一步提升中冷器的運(yùn)行效率。
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