新聞主題	柴油發電機采用增壓中冷技術的目的和原因

 

在柴油發電機中，增加平均有效壓力是提高和強化柴油發電機功率的最有效措施之一。而增加平均有效壓力通過增壓來提高進氣壓力，增加燃燒的過量空氣因數，同時增加柴油機的空氣進氣量，可有效降低大負載工況下的排氣煙度、PM排放量以及燃油消耗。

 

一、增壓器技術

 

增壓方式取決于增壓能量，增壓方式有機械增壓、廢氣渦輪增壓、復合增壓、氣波增壓，目前應用最廣泛的是廢氣渦輪增壓。廢氣渦輪增壓因排氣能量利用方式不同分為定壓渦輪增壓系統和脈沖渦輪增壓系統，低增壓的中小型柴油發電機，高增壓的柴油機采用脈沖渦輪增壓系統，大型柴油機一般為定壓渦輪增壓系統。

渦輪增壓系統分單級和多級，單級的壓比從1.1～3.5，而二級的壓比可達6.0以上。二級增壓在增壓器低轉速的情況下獲得較高的壓比，而且不依賴于氣體流量的大小，因此在提高進氣壓力的同時，擴展了增壓器的工作范圍，使得增壓器適應柴油發電機不同工況的需求，特別是改善了啟動性能。

1、廢氣渦輪增壓器的工作原理

（1）單級軸流式渦輪機的基本工作原理

它的主要元件是固定的噴嘴環和旋的工作葉輪。一列噴嘴葉片和其后的一列工作葉片組成了渦輪機的一個級。圖中上部為噴嘴環和工作葉輪的局部剖視圖。中部的葉型斷面是用一個通過I-I的圓柱面切割渦輪，將所得切面展開在平面上，稱為平面葉柵。噴嘴環的各葉片間和葉輪各葉片之間構成了廢氣流道。廢氣流經噴嘴和葉輪時，其參數（壓力p、溫度T、流速c）沿流道的變化情況如圖中下部所示。

（2）離心式壓氣機的基本工作原理

廢氣渦輪增壓器的壓氣機一般都采用單級離心式壓氣機。它由進氣道、工作輪、擴壓器和排氣渦殼組成。當壓氣機工作時，新鮮空氣經進氣道軸向進入壓氣機葉輪。由于通道的導流作用，氣流能在最小的損失下均勻進入壓氣機葉輪。進氣道是漸縮流道，在進氣道中，壓力、溫度略有降低，流速提高。正是因為壓力降低，空氣才被吸入工作輪。空氣進入壓氣機葉輪后，隨葉輪高速回轉，因而產生離心力。這樣，空氣在葉輪葉片間隨葉輪作圓周運動的同時，在離心力的作用下向葉輪外緣流動并被壓縮。在葉輪中氣體的流速、壓力、溫度都升高了，其中流速提高了很多。這是由于葉輪對氣體作功，把葉輪的機械能變成了氣體的動能和壓力能。氣體被壓縮時也提高了溫度。在擴壓器中，由于流道逐漸擴大，使空氣的動能轉換為壓力能，流速降低，壓力升高。排氣蝸殼中的通道也是漸擴的，因而空氣流過時繼續將動能轉換為壓力能。

2、廢氣渦輪增壓的特點

提高功率20％～50％；提高經濟性能、機械效率和熱效率（油耗降低5％～10％）；降低排氣噪聲和煙度；加速性能差；熱負載（活塞溫度、渦輪前廢氣溫度高）問題嚴重；機械負載（最高燃燒壓力）大；對氣溫與氣壓敏感；易發生增壓器低壓級漏油高壓級漏氣現象。

圖1 康明斯柴油發電機中冷器芯示意圖

 

 

二、中冷器技術

 

    中冷器是增壓系統的一部分。當空氣被高比例壓縮后會產生很高的熱量，從而使空氣膨脹密度降低，而同時也會使柴油發電機溫度過高造成損壞。為了得到更高的容積效率，需要在注入氣缸之前對高溫空氣進行冷卻。這就需要加裝一個散熱器，中冷器使柴油發電機的進氣溫度降低。柴油發電機排出的廢氣有非常高的溫度，增壓器的熱傳導使進氣的溫度提高。且被壓縮的空氣密度會升高，導致空氣溫度升高，柴油發電機的充氣效率受到影響，若想要充氣效率進一步提高，就要使進氣溫度降低。數據表明，在空燃比相同條件下，增壓空氣每下降10℃溫度，柴油發電機就能提高3％～5％功率。通常中冷器可以將氣體溫度從150℃降到0℃左右；如果燃燒室進入未經冷卻的增壓空氣，除了柴油發電機的充氣效率會影響外，柴油發電機容易導致燃燒溫度過高，造成爆震等故障，而且柴油發電機廢氣中的NO，的含量會增加，造成空氣污染。

    為了消除增壓后的空氣升溫造成的不利影響，需要加裝中冷器使進氣溫度降低。中冷器由鋁合金材質制作。按照冷卻介質區分，常見的中冷器有兩種：風冷式和水冷式。

1、風冷式

    風冷式利用外界空氣對通過中冷器的空氣進行冷卻。優點是整個冷卻系統的組成部件少，結構比水冷式中冷器相對簡單。缺點是冷卻效率比水冷式中冷器低，一般需要較長的連接管路，空氣通過阻力較大。風冷式中冷器因其結構簡單和制造成本低而得到廣泛應用，大部分渦輪增壓柴油發電機使用的都是風冷式中冷器。

圖2 康明斯柴油發電機增壓器示意圖

 

 2、水冷式

    水冷式利用循環冷卻水對通過中冷器的空氣進行冷卻。優點是冷卻效率較高，而且安裝位置比較靈活，無需使用很長的連接管路，使得整個進氣管路更加順暢。缺點是需要一個與柴油發電機冷卻系統相對獨立的循環水系統與之配合，因此整個系統的組成部件較多，制造成本較高，面且結構復雜。水冷式中冷器的應用比較少，一般在柴油發電機中置或后置的車輛上，以及大排量柴油發電機上使用。凡事有利就有弊，渦輪增壓也不例外。柴油發電機在采用廢氣渦輪增壓技術后，工作中產生的最高爆發壓力和平均溫度將大幅度提高，從而使柴油發電機的機械性能、潤滑性能都會受到影響。為了保證增壓柴油發電機在較高的機械負載和熱負載條件下，能可靠耐久地工作，必須在柴油發電機主要熱力參數的選取、結構設計、材料、工藝等方面作必要的改變，而不是簡單地在柴油發電機上裝一個增壓器就行了。由于這個改變過程在實行中難度頗大，而且還要考慮增壓器與柴油發電機的匹配問題，因此在一定程度上也限制了廢氣渦輪增壓技術在柴油發電機上的應用。

    采用有效的空一空中冷系統使工作循環溫度下降，增壓空氣溫度到50℃以下，有助于NO，的低排放和PM的下降，目前大中功率柴油機普遍采用增壓中冷型，不僅燃油經濟性良好且有助于低排放。此外，渦輪前排氣旁通閥的應用，可以改善渦輪增壓柴油機的瞬態性能和低速扭矩，降低PM-和CO排放。

 

 

 

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