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柴油發電機排氣系統背壓和使用要求 |
摘要：排氣系統的功用是將柴油機產生的廢氣排到大氣中去。在排氣系統的開發過程中，排氣背壓是排氣系統設計的關鍵設計目標之一，因為排氣背壓的大小直接影響著柴油機的功率損失和排氣系統的噪聲水平。如果排氣系統的設計匹配不合理，排氣系統的背壓過大，會造成機械效率下降，排氣消耗的機械功增多，功率降低，排氣溫度升高，燃油消耗率的惡化等問題發生。康明斯公司在本文中根據背壓產生機理和排氣要求，分析了排氣背壓的原因和造成的影響，并指出了研究排氣背壓的實際意義和方向。
一、排氣背壓的概述
當排氣背壓升高時，柴油機排氣不暢，從而影響柴油機的動力性。排氣背壓指柴油機尾氣流經排氣系統的壓降。排氣背壓對柴油機綜合性能有非常大的影響。一般情況下，排氣背壓變大直接導致柴油機燃油消耗率上升，柴油機經濟性能惡化，于此同時柴油機動力性也變差，尾氣排放質量也會由于缸內燃燒的不充分也加劇惡化。
1、排氣背壓研究原因
排氣背壓對柴油機經濟性、動力性以及聲音品質有著重要影響，是開發設計過程中參衡的重要指標之一。
（1）排氣背壓過大，導致充氣損失增加，柴油機燃燒效率下降，功率輸出降低，燃油經濟性惡化。
（2）排氣背壓過小，會使排氣系統開發成本增大，聲品質變差。
因此，合理的排氣背壓對柴油機的性能至關重要。
2、排氣背壓的實際意義
排氣背壓升高會造成泵氣功損失增加，從而導致機械功消耗增多，機械效率降低。同時，背壓過高使得殘余廢氣系數增大（一定程度上類似于高溫 EGR），導致燃燒不充分，燃燒做功減少，燃油經濟性惡化。殘余廢氣系數過大還會引起排氣溫度升高，煙度加大，排放惡化，若安裝渦輪增壓器，其工作環境變差，柴油機進氣壓力相應減少。合理的排氣背壓，能夠排除在自由排氣階段的大部分廢氣，同時減小在強制排氣階段活塞上行的排氣消耗功，因此減小排氣背壓能夠使排氣阻力小，柴油機動力性提高。
3、排氣背壓研究方向
當今柴油機技術多應用多氣門技術，進氣門的增加可顯著增加進氣量，而多排氣門技術又可以顯著增加排氣流經截面積，從而促使排氣阻力減小，減小排氣背壓的產生，在排氣自由時間內大量廢氣被排出，同時可使強制排氣時間活塞上行由于排氣消耗的有效功也變少，所以柴油機扭矩高，動力性得到改善。此時缸內新鮮工質比例也得到提高，排放尾氣的質量得到控制。因此排氣背壓的減小對經濟性、動力性以及尾氣排放都有好處。
排氣背壓主要發生在排氣系統及尾氣凈化裝置中，目前，研究排氣背壓的影響也主要集中在消聲器結構。另外，由于排氣背壓對柴油機顆粒捕集器（DPF）也有較大影響，一般在處理此方面排放問題時，背壓是重點考慮對象。
二、排氣背壓對柴油機的影響
柴油發電機未裝配各種尾氣裝置前，正常工作過程如圖1所示；加裝各種尾氣裝置后產生背壓的機理如圖2所示。下列為大家分析排氣背壓的大小影響，是否對柴油機造成不利的后果。
1、排氣背壓對排氣功率損失的影響
排氣背壓的形成是由于管路對氣流的阻滯以及氣流之間的摩擦，主要包括摩擦阻力以及局部阻力。排氣系統內的功率損失主要由摩擦阻力損失以及局部阻力損失兩部分組成，其中摩擦阻力損失發生于管道壁面上，由氣流與管道摩擦產生，取決于管道粗糙度及氣體流動速度的大小。摩擦阻力損失可由公式（1）計算得知。
ΔE?=λ（L/d）（ρν2/2）...............（公式1）
式中：p—氣流密度；L—管道長度；d—管道橫截面直徑；λ—摩擦阻力系數；v—管道橫截面氣體平均流速。
局部阻力損失發生于排氣管路流通界面的突變處，主要集中于消聲器、管路、DOC、DPF以及SCR內氣流通道擴張和縮小等截面突變處。此處氣流的動能、壓能發生突變，流速的突變生成渦流加劇了氣流間的動能交換，增加了能量損耗，進一步增大了流體間的摩擦損失。其主要取決于管路的結構尺寸以及氣體流速，局部阻力損失可由公式（2）計算所得。
ΔEp=ερν2/2...............（公式2）
式中：ε—局部阻力系數，與管道橫截面積無關；v—管道橫截面氣體平均流速。
由此可知，排氣背壓的增大造成排氣系統功率損失的增大，減少柴油機的輸出功率，增大燃油消耗。
2、排氣背壓對充氣效率的影響
柴油機的換氣過程包括進氣和排氣兩部分，其中排氣過程又包含自由排氣和強制排氣兩個階段，自由排氣階段指排氣門開啟到氣缸內壓力接近排氣管壓力的時段。強制排氣階段指氣缸內氣體被活塞上行強制推出氣缸的時段。
在自由排氣和強制排氣初期，柴油機缸內氣體壓力高，有可能處于超臨界排氣狀態，其余大部分曲軸轉角則處于亞臨界排氣狀態。超臨界排氣階段廢氣排出量與柴油機轉速無關，只取決于缸內氣體狀態和排氣門有效流通面積；亞臨界排氣階段廢氣排出量不只取決于有效流通面積，還與缸內和排氣管內氣體壓差相關。超臨界排氣階段所占整個排氣時間比例較小，但由于廢氣流速高，排出廢氣量可達60%左右；亞臨界排氣階段隨著缸內與排氣管內氣體壓差的增大，排氣損失隨之加大，缸內殘留廢氣量增加。
充氣效率η指實際進入柴油機氣缸的新鮮充量與進氣狀態（增壓器壓氣機出口的狀態）下充滿氣缸工作容積的新鮮充量之比，可由公式（3）表示。
ην=V?/V?=m?/m?...............（公式3）
式中：V?、m?一實際進入柴油機氣缸新鮮充量的體積和質量；V?、m?—進氣狀態充滿柴油機氣缸新鮮充量的體積和質量。
由上述可知，隨著排氣背壓的增大，亞臨界排氣狀態廢氣排出量越小，缸內殘余廢氣量越大，實際新鮮充量越小，充氣效率也隨之降低。
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圖1 柴油機排氣系統正常工作過程 |
圖2 柴油發電機背壓產生機理 |
三、柴油機排氣背壓要求
1、排氣系統的作用
（1）削減發動機產生的排氣噪聲以滿足法規和客戶對噪聲的要求。
（2）保證發動機性能最佳的同時，把排氣安全地運離發動機并安靜的排到大氣中。
（3）使排氣遠離發動機進氣口和冷卻/通風系統，以降低發動機工作溫度并保證其性能。
2、排氣背壓計算方法
為降低排氣噪聲，防止排氣泄露，保持排氣暢通，對排氣系統的阻力一般要求∶最大排氣阻力對于臺架上試驗標定工況排氣溫度≤530°C不得超過10kPa（帶后處理裝置允許為20kPa），對于臺架上試驗工況排氣溫度≥2530°C不得超過15kPa （帶后處理裝置允許為25kPa），否則將引起發動機輸出功率的降低，油耗增加，煙度過大，有害排放物增多，加載也將受到影響。
對于已給定長度和直徑情況的排煙系統，下列公式可計算出排煙系統的背壓：
P=575[（L×S×Q²）/D?]
式中，L=直管及彎頭長度（米）；
Q=排煙流量（立方米/每分鐘）；
D=煙管內徑（厘米）；
S=隨排煙絕對溫度的變化關系：S=23 / [273+排溫（℃）]；
P=背壓（千帕），必須低于規定的許可背壓值。
注：具體計算時請參照康明斯應用工程部編寫的排煙背壓計算工具。
3、排氣系統的安裝要求
（1）柴油發電機有噪音的規定，而且柴油機排氣的高速流動造成的噪音不可忽視，為了降低噪音，柴油機的排氣管都會裝有消音器以達到符合要求的噪音范圍。
（2）消音器會對排氣產生阻力，而且排氣管要有防止雨水倒灌的措施，所以有一些消音器裝有泄水裝置把從外面進入排氣管的水份分離出來。
（3）對于排氣管的使用，盡量使用薄的排氣管，減輕排氣管的重量，減低支撐管路的支撐負荷。排氣管的管徑要嚴格按照廠家要求去匹配，如果排氣管的彎頭過多，要在廠家要求基礎上適當加大排氣管的管徑，不然管路排氣背壓會過大，嚴重影響增壓器性能，直接降低柴油機功率。
（4）由于排氣流速快，壓力波動大，加上柴油機的震動造成管路的震動，所以排氣管要在適當的位置裝有管路的減震器，并且增壓器不能受任何的管路重量，這樣才能保證柴油機排氣系統的可靠性，最大發揮柴油機的性能。
（5）波紋管離發動機排氣口至少610毫米，排氣口在柴油機上的位置如圖3所示。不得用于改變方向、排煙管校直的方面使用。
（6）消音器第一級盡可能靠近發動機，并設冷凝水排放閥（位置設在排煙管垂直轉向爬升處），管路較長末端安裝第二級消聲器。
（7）排煙管與易燃建筑物距離至少230 mm，煙管穿過墻壁用隔熱套管。彎曲半徑盡量大，例如90°彎頭內彎半徑等于3倍管徑。排煙管各個連接處應采用法蘭連接方式，柴油機排煙管法蘭材質的選用要根據安裝位置、介質溫度、耐腐蝕性等因素進行綜合考慮。安裝時要保證法蘭連接平面的表面清潔平整，法蘭嘴的直線度和圓度誤差不得超過規定范圍，如圖4所示。
（8）煙囪防雨帽或排氣閥安裝做到垂直排煙、出口水平、排氣口應修斜并加防鳥網。
（9）室內消音器及排煙管路一般為50毫米厚隔熱材料和鋁質護套，機組排煙管道不得與其它機組或鍋爐等設備共用。
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圖3 柴油機排氣口連接處位置圖 |
圖4 柴油發電機組排煙管法蘭尺寸規格 |
總結：
作為柴油發電機廠家總是希望通過優化設計為發電設備得到最大的輸出功率，從而實現最大化的性價比和節能減排的目的。排氣系統的背壓是排氣系統設計時所必須考慮的重要因素之一，會直接影響柴油機功率的輸出。排氣背壓越大越不利于柴油機功率的輸出。本文上述內容中介紹了柴油機排氣系統及排氣背壓的相關信息，并運用排煙管阻力計算的公式，結合柴油機性能參數對排氣背壓進行計算分析。
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