新聞主題	柴油發(fā)電機高原功率恢復的試驗研究

 

摘要：由于高原地區地理位置的獨特性，柴油機在高原地區運行過(guò)程中往往會(huì )出現相應的問(wèn)題。本文中便主要通過(guò)臺架模擬柴油發(fā)電機在不同高原海拔高度下，對柴油發(fā)電機內部的性能進(jìn)行實(shí)驗研究。在實(shí)驗研究過(guò)程中實(shí)驗人員通過(guò)分析柴油發(fā)電機在不同海拔高度下的動(dòng)力性能、經(jīng)濟性的、排氣煙度等其他相關(guān)因素，來(lái)探尋柴油發(fā)電機在不同海拔高度下，增壓器轉速和壓氣機效率等設備的變化，通過(guò)此次實(shí)驗結果就可以為提高柴油發(fā)電機研發(fā)過(guò)程中提供一些參考意見(jiàn)，從而提高柴油發(fā)電機在我國高原地區的運行性能。為了提高柴油發(fā)電機的高原工作能力，以康明斯6CTA8.3- G2為例， 通過(guò)合理匹配增壓器進(jìn)行了高原功率恢復的試驗研究。試驗結果證明該機型在高原地區使用時(shí)能夠滿(mǎn)足使用要求。

 

一、高原對柴發(fā)的影響

 

      當前我國國土面積中有近1/3的區域為高原地帶，而這些地帶普遍的特性便是空氣稀薄、海拔偏高等，同時(shí)隨著(zhù)近些年來(lái)我國西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)程逐步加快，我國中西部地區在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要裝備大量的大功率柴油貨運汽車(chē)及工程機械來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但是由于我國的中西部地區高原地帶氣壓普遍偏低，同時(shí)空氣密度較低，這樣就會(huì )導致大功率柴油機在高原地區運行過(guò)程中，常常會(huì )由于氣缸內部給氣量不足，這樣就導致對柴油的燃燒空燃比降低，使柴油發(fā)電機的有功效率降低，同時(shí)還會(huì )導致柴油發(fā)電機油耗升高。如果柴油發(fā)電機長(cháng)期在這種環(huán)境的使用中，便會(huì )導致柴油發(fā)電機的使用性能進(jìn)一步降低，同時(shí)根據有關(guān)調查數據顯示與平原地區相比，在海拔達到3000~3500米時(shí)，柴油發(fā)電機的有功功率動(dòng)力和相應的燃油經(jīng)濟性能平均下降3.8%和4.7%，同時(shí)柴油發(fā)電機在高原海拔地區壓氣機效率也平均下降5%~6%。因此現階段對柴油發(fā)電機在高于海拔地區運行的性能以及試驗性進(jìn)行研究，對提升柴油發(fā)電機的性能具有重要性的意義。

      目前對柴油發(fā)電機在高原特性進(jìn)行研究的過(guò)程中，主要是通過(guò)建立相應的高原模擬艙環(huán)境，來(lái)模擬柴油發(fā)電機在低氣壓環(huán)境下的實(shí)驗場(chǎng)所，通過(guò)這樣的實(shí)驗場(chǎng)所，可以對柴油發(fā)電機在有關(guān)功率下的動(dòng)力性能、經(jīng)濟性能、高原熱平衡狀態(tài)、排放狀態(tài)等相關(guān)特性進(jìn)行實(shí)驗研究。但是目前我們國內在真實(shí)的高原地區開(kāi)展柴油發(fā)電機有功功率實(shí)驗的研究還較少，這主要是源于在高原地區不同海拔進(jìn)行柴油發(fā)電機的有功功率實(shí)驗需要耗貴大量的人力物力，同時(shí)試驗結果也受到相關(guān)不可控因素的影響。本次開(kāi)展的柴油發(fā)電機的性能實(shí)驗，通過(guò)昆明當地1900米實(shí)驗臺架的進(jìn)排氣海拔模擬設備對柴油發(fā)電機進(jìn)排氣進(jìn)行加壓以及抽負壓從而模擬平原及高原環(huán)境進(jìn)行柴油發(fā)電機性能測試，因而本次實(shí)驗分別模擬海拔0米、當地海拔1900米和海拔3500米這三個(gè)高度進(jìn)行柴油發(fā)電機的性能實(shí)驗。在實(shí)驗過(guò)程中通過(guò)對柴油發(fā)電機的動(dòng)力性能、經(jīng)濟性能、增壓器效率性能等相關(guān)性的進(jìn)行，便可以更好的總結出柴油發(fā)電機在高原環(huán)境下，隨著(zhù)海拔高度的變化柴油發(fā)電機的性能會(huì )發(fā)生如何的變化趨勢。

 

二、高原柴油機的增壓器試驗

 

1、試驗機型

      柴油機作為給發(fā)電機組主要配套動(dòng)力，適應于3000 m以下海拔高度。隨著(zhù)西部大開(kāi)發(fā)序幕的拉開(kāi)，各種電力設備在西部的需求量日益增大。但由于環(huán)境的巨大變化，低海拔地區使用的柴油發(fā)電機不能滿(mǎn)足高海拔地區的使用要求。為了提高柴油發(fā)電機的高原工作能力，對康明斯6CTA8.3-G2原型機進(jìn)行了一系列的匹配與試驗工作，開(kāi)發(fā)出了能在5000 m海拔高度正常使用的高原柴油發(fā)電機。

      隨著(zhù)海拔高度的增加，大氣狀態(tài)發(fā)生很大的變化，使柴油發(fā)電機的進(jìn)氣量、燃燒、熱損失、燃油消耗率、渦輪增壓器的性能等都發(fā)生變化，致使柴油發(fā)電機機械負荷和熱負荷狀況與平原地區不同。一般情況下，限制渦輪增壓柴油發(fā)電機功率發(fā)揮的主要因素是渦輪前燃氣溫度和渦輪增壓器轉速。渦輪轉速提高，會(huì )使壓氣機形成較高的增壓壓力，壓比升高，以此來(lái)補償因海拔升高所產(chǎn)生的進(jìn)氣減少，體現了渦輪增壓的自動(dòng)補償能力。但高壓比同時(shí)會(huì )引起柴油發(fā)電機的進(jìn)氣溫度過(guò)高，導致進(jìn)氣量減少，柴油發(fā)電機性能惡化。通過(guò)采用中冷器可以降低增壓器進(jìn)入氣缸的空氣溫度。理想的高原用柴油發(fā)電機是增壓中冷型柴油發(fā)電機，能使柴油發(fā)電機受環(huán)境因素諸如大氣壓力和大氣溫度的影響降到最小。

2、增壓器選型

      康明斯6CTA8.3-G2增壓中冷柴油發(fā)電機選用3種增壓器，分別在海拔70 m、2200 m高原恢復功率的試驗研究和3800 m進(jìn)行試驗對比，試驗結果如表1。從試驗結果看出，3種增壓器在低海拔分不出明顯優(yōu)劣；高原用柴油發(fā)電機恢復功率，應全面考慮整機系1#和3#增壓器在海拔2200 m時(shí)的額定點(diǎn)功率相統。優(yōu)化進(jìn)排氣系統，降低進(jìn)氣阻力，加大進(jìn)氣量，對于原機額定點(diǎn)160 kW功率下降達5%，2#增壓盡量保證燃燒正常進(jìn)行所需的進(jìn)氣量；調整和優(yōu)器的額定功率和最大扭矩均在期望值內，在2200轉匹配供油系統，使燃燒較好，最高爆發(fā)壓力是較好的選擇；在海拔3800 m時(shí)，1#和3#增壓允許的范圍內，保證機械負荷；調整和優(yōu)化冷卻系器功率下降較多，增壓器轉速超過(guò)130000 r/min，統，使柴油發(fā)電機能得到好的冷卻效果，保證柴油發(fā)電機熱不能滿(mǎn)足高原柴油發(fā)電機對動(dòng)力性和可靠性的要求。負荷在允許的范圍內。在本試驗研究中，主要是從柴油發(fā)電機整機性能發(fā)面的分析，2#增壓器是較為對增壓器進(jìn)行選型和調整最理想的選擇。

表1    柴油發(fā)電機選配3種增壓器在不同海拔下匹配試驗數據比較

3、增壓器性能試驗

（1）選擇 2# 增壓器在不同海拔下性能試驗比較

      柴油機增壓器高原高海拔模擬試驗如圖1所示。選用 2# 增壓器在柴油發(fā)電機上進(jìn)行不同海拔高度的性能試驗， 隨著(zhù)海拔高度的升高， 柴油發(fā)電機和增壓器各項性能指標也在發(fā)生變化， 試驗結果如圖1、圖2所示。從試驗結果可以看出，隨著(zhù)海拔高度的升高，柴油發(fā)電機扭矩和功率下降幅度不大；但柴油發(fā)電機油耗、增壓器轉速和渦前排溫呈同步上升趨勢，但都在工作范圍之內。 

      增壓器與柴油發(fā)電機在不同海拔下聯(lián)合運行曲線(xiàn)隨著(zhù)海拔的升高，空氣稀薄，柴油發(fā)電機的進(jìn)氣量減少，會(huì )使增壓器在轉速升高的同時(shí)，壓比升高、進(jìn)氣流量降低，從而導致柴油發(fā)電機在壓氣機特性曲線(xiàn)上的外特性運行線(xiàn)會(huì )向喘振線(xiàn)方向偏移。

      從圖4中可看出，隨著(zhù)海拔高度增加，柴油發(fā)電機運行線(xiàn)接近高效率區，同時(shí)3800 m運行線(xiàn)離喘振線(xiàn)還有較大裕度，有更高海拔高度的工作潛力。

圖1  柴油機增壓器高原高海拔模擬試驗圖	圖2  增壓器在不同海撥下的性能特性曲線(xiàn)圖.
圖3  在不同海撥下的增壓器轉速和溫度曲線(xiàn)圖	圖4  增壓器與2#柴油發(fā)電機聯(lián)合運行曲線(xiàn)圖

 

（2）海拔5000米性能預測

      由于條件限制無(wú)法對5000 m海拔進(jìn)行高原試驗，因此利用海拔70 m、海拔2200 m、海拔3800 m狀態(tài)下試驗結果，對海拔5000 m下的增壓器轉速、進(jìn)氣流量和柴油發(fā)電機的主要性能進(jìn)行了預測。預測結果如表2、表3。從表2看出，在5000 m海拔高度下，增壓器轉速有增加，進(jìn)氣量有減小，但都在允許范圍內，從表3看出柴油發(fā)電機整機性能下降幅度不大，額定點(diǎn)功率下降4%，預測結果顯示該柴油發(fā)電機能夠基本滿(mǎn)足高原工作要求。

表2    增壓器轉速、進(jìn)氣流量不同海拔實(shí)測值及5000m預測

表3    高原柴油發(fā)電機不同海拔性能實(shí)測值

 

三、柴發(fā)高原性能實(shí)驗裝置及實(shí)驗方案

 

1、柴油發(fā)電機測試臺架主要部件型號

      本次進(jìn)行的柴油發(fā)電機高原性能試驗，主要是在高原1900米發(fā)動(dòng)機臺架上進(jìn)行，通過(guò)進(jìn)排氣加壓實(shí)現0海撥及進(jìn)排氣抽負壓模擬3500米海拔，從而開(kāi)展不同環(huán)境下柴油發(fā)電機的性能測驗工作。本次實(shí)驗的測試臺架系統主要是由測功機、進(jìn)排氣海拔模擬設備、柴油發(fā)電機燃油溫控及測量系統、冷卻水系統、功能模擬系統、臺架自動(dòng)控制系統、計算機模擬系統等相應單元模塊組成。同時(shí)該臺架系統還具有柴油發(fā)電機轉矩測量?jì)x器、油溫測量?jì)x器、油耗測量?jì)x器、排氣檢測儀器等常規的性能檢測儀器，除此之外該臺架系統還具有柴油發(fā)電機排煙濃度、燃燒爆發(fā)壓力、增壓器轉速等相關(guān)的特殊參數實(shí)驗能力。該測試臺架系統主要有以下9個(gè)部分組成：HORIBA HD460型導的電力測功機；HORIBASTARS的臺架主控系統；HORIBAFQ2100型導的油耗儀；SIERRA780S型號的空氣流量計；KISTLER6125B型導的燥壓傳感器來(lái)測量缸內燃燒燥發(fā)壓力；AVL439型號的不透光煙度計。來(lái)測量柴油發(fā)電機的排煙煙度以及臺架冷卻水系統和中冷模擬系統。

2、實(shí)驗中柴油發(fā)電機主要技術(shù)參數

      在本次實(shí)驗中所應用的實(shí)驗柴油發(fā)電機技術(shù)參數中，實(shí)驗柴油發(fā)電機所應用的缸數和排列形式為直列6缸形式；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的缸徑和沖程大小分別為123毫米和156毫米；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的壓縮比為17.4:1；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的工作容積為12升；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的額定功耗為330千瓦，平均發(fā)動(dòng)機轉速是1900轉/min；實(shí)驗中柴油發(fā)電機最大轉矩工況為2000N.m；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的燃油供給方式是電控高壓共軌供給方式；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的增壓器使用渦輪前溫度為小于或等于760攝氏度；實(shí)驗中柴油發(fā)電機的進(jìn)氣方式主要為廢氣渦輪增壓和空中冷這兩種方式；實(shí)驗中增壓器使用渦輪轉速為小于或等于11.5×10't/min。

3、柴油發(fā)電機不同海拔高度實(shí)驗條件

      同時(shí)為了研究柴油發(fā)電機在不同海拔高度下的實(shí)驗性能，本次實(shí)驗分別模擬在海拔0米、海撥1900米和海撥3500米這三個(gè)高度進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗研究，通過(guò)實(shí)地調查不同海拔下的環(huán)境數據得到以下實(shí)驗環(huán)境數據。實(shí)際測試實(shí)景如圖5、圖6所示。

      根據實(shí)地調查數據可知，隨著(zhù)海拔區城的上升試驗區域的大氣壓力和大氣溫度隨之下降，在海拔高度高達3500米時(shí)，大氣壓力僅在65-67.6kPa，大氣溫度在-45攝氏度，同時(shí)從上述數據還可以發(fā)現海拔高度0米至3500米之間，大氣壓力最大差距在36kPa；大氣溫度最大差距在16攝氏度，由此可見(jiàn)，海拔高度下的大氣壓力和大氣溫度的差距必然會(huì )對柴油發(fā)電機的運行性能造成一定的影響。

 

圖5  高海拔柴油發(fā)電機組吊裝

圖6  高海拔柴油發(fā)電機組測試

 

四、柴發(fā)高原性能實(shí)驗結果研究分析

 

1、不同海拔對柴油發(fā)電機動(dòng)力性能和經(jīng)濟性的影響

      通過(guò)模擬不同海拔區域對柴油發(fā)電機動(dòng)力性能和經(jīng)濟性能進(jìn)行研究的過(guò)程中可以發(fā)現，柴油發(fā)電機的外特特性性能直接取決于柴油發(fā)電機全復合動(dòng)力性能和油耗水平。同時(shí)根據柴油發(fā)電機萬(wàn)有特性曲線(xiàn)的綜合運行指標中，可以發(fā)現在三個(gè)不同海拔高度下柴油發(fā)電機所進(jìn)行的外特性實(shí)驗和萬(wàn)有特性實(shí)驗中，柴油發(fā)電機運行過(guò)程中的柴油機轉矩、柴油發(fā)電機油耗、柴油發(fā)電機進(jìn)氣流量、柴油發(fā)電機燃燒燥發(fā)壓力、柴油發(fā)電機排氣溫度參數都有明顯的變化。

      根據實(shí)驗中調查數據可以發(fā)現，隨著(zhù)實(shí)驗模擬海拔的升高，柴油發(fā)電機的動(dòng)力性能明顯下降。在海拔1900米處進(jìn)行柴油發(fā)電機的實(shí)驗數據中可以發(fā)現，柴油發(fā)電機在運行過(guò)程中機動(dòng)力性能明顯低于海撥0米的機動(dòng)性能，再對柴油發(fā)電機外特性轉矩進(jìn)行實(shí)測的過(guò)程中可以發(fā)現，柴油發(fā)電機在1900米處海拔區比0米處海拔區外特性轉矩減小至1.6%；當柴油發(fā)電機在3500米海拔區域比0米處海拔區域柴油發(fā)電機外特性轉矩減小至3.8%；在研究中還發(fā)現隨著(zhù)海拔高度的升高，柴油發(fā)電機在運行過(guò)程中的燃油經(jīng)濟性能進(jìn)一步惡化，在實(shí)驗中柴油發(fā)電機在海撥0米處外特性最低油耗僅為190克(kW.h)，但是隨著(zhù)海拔上升至3500米處，柴油發(fā)電機的外特性油耗高達210克(kW.h)，在海撥區0米處與海拔區域3500米處相比，柴油發(fā)電機的外特性油耗比增加至5.4%。由此可見(jiàn)，柴油發(fā)電機在隨著(zhù)海拔高度的上升，發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能和經(jīng)濟性能隨之下降。

2、高原海拔地區對廢氣渦輪增壓器的性能影響

      目前我國的柴油發(fā)電機普遍應用廢氣渦輪增壓，通過(guò)廢棄渦輪增壓就可以彌補柴油發(fā)電機在高原運行過(guò)程中的進(jìn)氣損失值，從而提高柴油發(fā)電機在高原區域的進(jìn)氣流量。這樣就可以進(jìn)一步的增加柴油發(fā)電機，在高原區運行過(guò)程中有功功率。

      但是在本次實(shí)驗中，可以發(fā)現柴油發(fā)電機廢氣渦輪增壓器性能在隨著(zhù)海拔高度的不同，柴油發(fā)電機廢氣渦輪增壓器的轉速會(huì )隨之發(fā)生不同的變化。在實(shí)驗中隨首海拔高度的升高，柴油發(fā)電機廢氣渦輪增壓器內部的增壓器壓比也隨之升高；同時(shí)隨著(zhù)海拔高度升高至1900米和3500米處，柴油發(fā)電機廢氣渦輪增壓器的轉速分別達到了12.4×10*r/min和12.7×10r/min，但是本次實(shí)驗中所應用的柴油發(fā)電機最高轉速僅為11.5×10't/min，由此可見(jiàn)柴油發(fā)電機在高海拔地區內部的增壓器明顯超速，這就會(huì )導致柴油發(fā)電機一直處于危險的工作狀態(tài)。對于柴油發(fā)電機在額定相應工況下發(fā)生超速這一問(wèn)題，試驗人員通過(guò)減小柴油發(fā)電機的燃油供給比例，并可以有效地降低增壓器的轉速。此外，在對柴油發(fā)電機增壓器的聯(lián)合運行曲線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)案的過(guò)程中，試驗人員還進(jìn)一步的發(fā)現，隨著(zhù)海拔的升高柴油發(fā)電機外特性運行工況會(huì )逐漸的向壓氣機低效率區域進(jìn)行轉移，而這也代表著(zhù)隨著(zhù)海拔的升高，柴油發(fā)電機的壓氣機效率也會(huì )隨之下降。在調查研究中可以發(fā)現，柴油發(fā)電機在海撥3500米處與海拔1900米處，柴油發(fā)電機的壓氣機工作運行效率明顯下降了6.7%。但是實(shí)驗人員還觀(guān)察到實(shí)驗中柴油發(fā)電機在1100r/min的轉速下，距高增壓器喘振線(xiàn)可保持一定的安全距高，這樣就可以確保還有發(fā)動(dòng)機在運行過(guò)程中無(wú)喘振的危險。

 

總結：

      在本次研究中可以發(fā)現，隨著(zhù)海拔區域的升高，柴油發(fā)電機在增壓過(guò)程中的動(dòng)力性能和經(jīng)濟性能會(huì )隨之下降。并且隨著(zhù)海拔從0米升高至3500米處柴油發(fā)電機的燃油經(jīng)濟性能比會(huì )下降到最低。此外柴油發(fā)電機在運行過(guò)程中的煙度比也會(huì )隨著(zhù)實(shí)驗過(guò)程中海拔的升高從而發(fā)生明顯的上升現象。經(jīng)過(guò)高原臺架方案的性能試驗，通過(guò)匹配及5000m預測過(guò)合理選擇增壓器和其他的匹配試驗，使輸出功率得到恢復，燃油消耗及煙度得到補償，能夠滿(mǎn)足高原條件對柴油發(fā)電機的工作要求，使康明斯柴油發(fā)電機高原應用得到更好地發(fā)揮。

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