新聞主題	柴油發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程中往往會出現相應的問題。本文中便主要通過臺架模擬柴油發電機在不同高原海拔高度下，對柴油發電機內部的性能進行實驗研究。在實驗研究過程中實驗人員通過分析柴油發電機在不同海拔高度下的動力性能、經濟性的、排氣煙度等其他相關因素，來探尋柴油發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，通過此次實驗結果就可以為提高柴油發電機研發過程中提供一些參考意見，從而提高柴油發電機在我國高原地區的運行性能。為了提高柴油發電機的高原工作能力，以康明斯6CTA8.3- G2為例， 通過合理匹配增壓器進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能夠滿足使用要求。

 

一、高原對柴發的影響

 

      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，同時隨著近些年來我國西部大開發的進程逐步加快，我國中西部地區在開發的過程中，需要裝備大量的大功率柴油貨運汽車及工程機械來進行開發。但是由于我國的中西部地區高原地帶氣壓普遍偏低，同時空氣密度較低，這樣就會導致大功率柴油機在高原地區運行過程中，常常會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，使柴油發電機的有功效率降低，同時還會導致柴油發電機油耗升高。如果柴油發電機長期在這種環境的使用中，便會導致柴油發電機的使用性能進一步降低，同時根據有關調查數據顯示與平原地區相比，在海拔達到3000~3500米時，柴油發電機的有功功率動力和相應的燃油經濟性能平均下降3.8%和4.7%，同時柴油發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電機在高于海拔地區運行的性能以及試驗性進行研究，對提升柴油發電機的性能具有重要性的意義。

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

 

二、高原柴油機的增壓器試驗

 

1、試驗機型

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

      隨著海拔高度的增加，大氣狀態發生很大的變化，使柴油發電機的進氣量、燃燒、熱損失、燃油消耗率、渦輪增壓器的性能等都發生變化，致使柴油發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電機功率發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，會使壓氣機形成較高的增壓壓力，壓比升高，以此來補償因海拔升高所產生的進氣減少，體現了渦輪增壓的自動補償能力。但高壓比同時會引起柴油發電機的進氣溫度過高，導致進氣量減少，柴油發電機性能惡化。通過采用中冷器可以降低增壓器進入氣缸的空氣溫度。理想的高原用柴油發電機是增壓中冷型柴油發電機，能使柴油發電機受環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劣；高原用柴油發電機恢復功率，應全面考慮整機系1#和3#增壓器在海拔2200 m時的額定點功率相統。優化進排氣系統，降低進氣阻力，加大進氣量，對于原機額定點160 kW功率下降達5%，2#增壓盡量保證燃燒正常進行所需的進氣量；調整和優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，最高爆發壓力是較好的選擇；在海拔3800 m時，1#和3#增壓允許的范圍內，保證機械負荷；調整和優化冷卻系器功率下降較多，增壓器轉速超過130000 r/min，統，使柴油發電機能得到好的冷卻效果，保證柴油發電機熱不能滿足高原柴油發電機對動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，主要是從柴油發電機整機性能發面的分析，2#增壓器是較為對增壓器進行選型和調整最理想的選擇。

表1    柴油發電機選配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# 增壓器在柴油發電機上進行不同海拔高度的性能試驗， 隨著海拔高度的升高， 柴油發電機和增壓器各項性能指標也在發生變化， 試驗結果如圖1、圖2所示。從試驗結果可以看出，隨著海拔高度的升高，柴油發電機扭矩和功率下降幅度不大；但柴油發電機油耗、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。 

      增壓器與柴油發電機在不同海拔下聯合運行曲線隨著海拔的升高，空氣稀薄，柴油發電機的進氣量減少，會使增壓器在轉速升高的同時，壓比升高、進氣流量降低，從而導致柴油發電機在壓氣機特性曲線上的外特性運行線會向喘振線方向偏移。

      從圖4中可看出，隨著海拔高度增加，柴油發電機運行線接近高效率區，同時3800 m運行線離喘振線還有較大裕度，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圖.
圖3  在不同海撥下的增壓器轉速和溫度曲線圖	圖4  增壓器與2#柴油發電機聯合運行曲線圖

 

（2）海拔5000米性能預測

      由于條件限制無法對5000 m海拔進行高原試驗，因此利用海拔70 m、海拔2200 m、海拔3800 m狀態下試驗結果，對海拔5000 m下的增壓器轉速、進氣流量和柴油發電機的主要性能進行了預測。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，進氣量有減小，但都在允許范圍內，從表3看出柴油發電機整機性能下降幅度不大，額定點功率下降4%，預測結果顯示該柴油發電機能夠基本滿足高原工作要求。

表2    增壓器轉速、進氣流量不同海拔實測值及5000m預測

表3    高原柴油發電機不同海拔性能實測值

 

三、柴發高原性能實驗裝置及實驗方案

 

1、柴油發電機測試臺架主要部件型號

      本次進行的柴油發電機高原性能試驗，主要是在高原1900米發動機臺架上進行，通過進排氣加壓實現0海撥及進排氣抽負壓模擬3500米海拔，從而開展不同環境下柴油發電機的性能測驗工作。本次實驗的測試臺架系統主要是由測功機、進排氣海拔模擬設備、柴油發電機燃油溫控及測量系統、冷卻水系統、功能模擬系統、臺架自動控制系統、計算機模擬系統等相應單元模塊組成。同時該臺架系統還具有柴油發電機轉矩測量儀器、油溫測量儀器、油耗測量儀器、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電機排煙濃度、燃燒爆發壓力、增壓器轉速等相關的特殊參數實驗能力。該測試臺架系統主要有以下9個部分組成：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測量缸內燃燒燥發壓力；AVL439型號的不透光煙度計。來測量柴油發電機的排煙煙度以及臺架冷卻水系統和中冷模擬系統。

2、實驗中柴油發電機主要技術參數

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

3、柴油發電機不同海拔高度實驗條件

      同時為了研究柴油發電機在不同海拔高度下的實驗性能，本次實驗分別模擬在海拔0米、海撥1900米和海撥3500米這三個高度進行相關的實驗研究，通過實地調查不同海拔下的環境數據得到以下實驗環境數據。實際測試實景如圖5、圖6所示。

      根據實地調查數據可知，隨著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，大氣壓力僅在65-67.6kPa，大氣溫度在-45攝氏度，同時從上述數據還可以發現海拔高度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，海拔高度下的大氣壓力和大氣溫度的差距必然會對柴油發電機的運行性能造成一定的影響。

 

圖5  高海拔柴油發電機組吊裝

圖6  高海拔柴油發電機組測試

 

四、柴發高原性能實驗結果研究分析

 

1、不同海拔對柴油發電機動力性能和經濟性的影響

      通過模擬不同海拔區域對柴油發電機動力性能和經濟性能進行研究的過程中可以發現，柴油發電機的外特特性性能直接取決于柴油發電機全復合動力性能和油耗水平。同時根據柴油發電機萬有特性曲線的綜合運行指標中，可以發現在三個不同海拔高度下柴油發電機所進行的外特性實驗和萬有特性實驗中，柴油發電機運行過程中的柴油機轉矩、柴油發電機油耗、柴油發電機進氣流量、柴油發電機燃燒燥發壓力、柴油發電機排氣溫度參數都有明顯的變化。

      根據實驗中調查數據可以發現，隨著實驗模擬海拔的升高，柴油發電機的動力性能明顯下降。在海拔1900米處進行柴油發電機的實驗數據中可以發現，柴油發電機在運行過程中機動力性能明顯低于海撥0米的機動性能，再對柴油發電機外特性轉矩進行實測的過程中可以發現，柴油發電機在1900米處海拔區比0米處海拔區外特性轉矩減小至1.6%；當柴油發電機在3500米海拔區域比0米處海拔區域柴油發電機外特性轉矩減小至3.8%；在研究中還發現隨著海拔高度的升高，柴油發電機在運行過程中的燃油經濟性能進一步惡化，在實驗中柴油發電機在海撥0米處外特性最低油耗僅為190克(kW.h)，但是隨著海拔上升至3500米處，柴油發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，柴油發電機的外特性油耗比增加至5.4%。由此可見，柴油發電機在隨著海拔高度的上升，發動機的動力性能和經濟性能隨之下降。

2、高原海拔地區對廢氣渦輪增壓器的性能影響

      目前我國的柴油發電機普遍應用廢氣渦輪增壓，通過廢棄渦輪增壓就可以彌補柴油發電機在高原運行過程中的進氣損失值，從而提高柴油發電機在高原區域的進氣流量。這樣就可以進一步的增加柴油發電機，在高原區運行過程中有功功率。

      但是在本次實驗中，可以發現柴油發電機廢氣渦輪增壓器性能在隨著海拔高度的不同，柴油發電機廢氣渦輪增壓器的轉速會隨之發生不同的變化。在實驗中隨首海拔高度的升高，柴油發電機廢氣渦輪增壓器內部的增壓器壓比也隨之升高；同時隨著海拔高度升高至1900米和3500米處，柴油發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，但是本次實驗中所應用的柴油發電機最高轉速僅為11.5×10't/min，由此可見柴油發電機在高海拔地區內部的增壓器明顯超速，這就會導致柴油發電機一直處于危險的工作狀態。對于柴油發電機在額定相應工況下發生超速這一問題，試驗人員通過減小柴油發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，在對柴油發電機增壓器的聯合運行曲線進行觀案的過程中，試驗人員還進一步的發現，隨著海拔的升高柴油發電機外特性運行工況會逐漸的向壓氣機低效率區域進行轉移，而這也代表著隨著海拔的升高，柴油發電機的壓氣機效率也會隨之下降。在調查研究中可以發現，柴油發電機在海撥3500米處與海拔1900米處，柴油發電機的壓氣機工作運行效率明顯下降了6.7%。但是實驗人員還觀察到實驗中柴油發電機在1100r/min的轉速下，距高增壓器喘振線可保持一定的安全距高，這樣就可以確保還有發動機在運行過程中無喘振的危險。

 

總結：

      在本次研究中可以發現，隨著海拔區域的升高，柴油發電機在增壓過程中的動力性能和經濟性能會隨之下降。并且隨著海拔從0米升高至3500米處柴油發電機的燃油經濟性能比會下降到最低。此外柴油發電機在運行過程中的煙度比也會隨著實驗過程中海拔的升高從而發生明顯的上升現象。經過高原臺架方案的性能試驗，通過匹配及5000m預測過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，能夠滿足高原條件對柴油發電機的工作要求，使康明斯柴油發電機高原應用得到更好地發揮。

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