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柴油发电机组中冷器的作用和主要检测项目 |
引言：涡轮增压器的涡轮机是通过柴油发动机排气驱动的，发动机排温接近500~600℃，热传递到增压器侧，进气温度随之升高，且增压器压缩空气，也会导致进气温度升高。进气温度过高会导致发动机爆震，从而产生增压效果降低、发动机寿命短等负面影响，因此增加中冷器对于涡轮增压发动机非常必要。简单来说，柴油发电机中的中冷器是个热交换器，它为压缩后温度较高的空气进行降温，从而提高进气密度和充气量。为了更好的使用和维护柴油发电机组，日常都需要对中冷器进行检查与压力试验。
一、中冷器的作用
1、降低进气温度
涡轮增压发动机是有中冷器的，即在涡轮增压器和发动机之间引入了一个中冷器。这是因为发动机直接排出的废气温度通常高达8、9百度，会造成涡轮本体、进气温度升高，加之压缩空气时做功，增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震，影响动力输出；同时，高温也是引擎的隐形杀手。所以，增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。一般来说，使用中冷后能减小50～60度的进气温度（离开临界值），可以适当的提高发动机压缩比，改善低转速时的动力输出；同时由于冷空气的密度大，所以在相同条件下，这种设计可以提高发动机的进气密度，因此发动机工作效率更高。
由于涡轮的温度上升，所以会导致处在进气增压部分的涡轮的温度上升，进而导致进气温度的急剧升温，这样就会出现爆燃和进气效率下降，以前采取的办法是推迟点火，但是这样又会丧失最大扭矩的最佳点火时间，而且会出现新的点火时间下的排气温度上升，因而造成恶性循环。随着中冷器的诞生，这样的问题将会得到很好的改善，中冷器说白了就是冷却被增压完的空气，因此中冷器的作用就是冷却。有数据表明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降10℃，发动机功率就能提高3%~5%。
2、降低排放
柴油机的排放污染物主要有CO、HC 、NOₓ 和微粒物等。此外，由于温室效应引起全球变暖的问题， CO₂的排放量也受到限制。采用涡轮增压和增压中冷技术可降低其排放值。
（1）一氧化碳（CO）
柴油机中CO 是燃料不完全燃烧的产物，主要是在局部缺氧或低温下形成的。采用涡轮增压后，可供燃烧的空气增多，并且增压发动机大多数工况负荷较大，发动机的缸内温度能保证燃料更充分燃烧， CO 排放可进一步降低。
（2）碳氢化合物（HC）
柴油机排气中的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间化合物所组成；小部分HC是由润滑油生成的。增压时，由于进气密度增加，可以改善油束的形成、提高燃油雾化质量，减少沉积于燃烧室壁面上的燃油， HC减少；增压还使柴油机燃烧整个循环的平均介质温度升高，氧化反应速率大，未燃HC排放降低。
（3）氮氧化物（NOₓ）
柴油机中氮氧化物的主要成分NO的生成取决于氧的浓度、温度及反应时间等。降低NO的措施是以降低火焰温度、氧浓度及高温下停留时间为目标。对于现有的自然吸气柴油机，如果只简单采用增压措施，可能会因为过量空气系数增大和燃烧温度的升高而导致NOₓ增加。采用进气中冷技术降低进气温度，可降低增压柴油机NOₓ排放；如果采用先进的中冷技术后，可进一步降低进气充量的温度。进气充量温度降低，燃烧温度可以得到有效控制，有利于NOₓ的减少。实际应用中，柴油机增压时采用减小压缩比、推迟喷油定时等措施来减小热负荷、降低最高燃烧温度。压缩比的减小可以降低压缩终了的介质温度从而降低燃烧火焰温度；推迟喷油定时，可以缩短滞燃期，减少油束稀薄火焰区的燃料蒸发和混合，降低最高燃烧温度。为减少喷油定时导致的后燃期过长的问题，须增大供油速率，缩短喷油时间，以加快燃烧速率，缩短燃烧时间。
（4）微粒物（PM）
影响柴油机微粒物生成的原因较复杂，其主要因素是过量空气系数、燃油雾化质量、喷油速率、燃烧过程和燃油质量等。此外，柴油机机内净化降低NOₓ的措施通常会带来PM增加。增压柴油机，特别是采用高增压压比和空—空中冷技术后，可显著增大进气密度，增加缸内可用的空气量。如同时采用高压燃油喷射、共轨电控喷射、低排放燃烧室和中心喷嘴四气阀技术，并提高燃油雾化质量，改善燃烧过程，则可有效地控制PM排放。
二、中冷器类别与布置型式
1 、中冷器分类
中冷器按冷却介质分为水冷中冷器和空空中冷器，目前采用较多的是空空中冷器。
（1）水冷中冷器通常集成在进气歧管上，利用散热器的冷却液对歧管内气体进行冷却，热效率低，冷却后的温度很难满足发动机要求，但响应时间快。
（2）空空中冷器通常与散热器一起布置在整车前端，利用柴油机运行时的气流对增压空气进行冷却，热效率较高，但由于中冷管路的容积延缓了响应时间。
2、中冷器布置型式
柴油发电机空空中冷器有以下几种常见的布置型式：
（1）前置式
前置式中冷器一般横置在前蒙皮内侧，位于散热器冷凝器之前偏下位置。这种布置方式因其位于机体最前端，冷却性能好、维修也方便。
（2）集成式
集成式中冷器布置在冷凝器与散热器之间，三器集成一体。该布置冷却性能较好。但增加了系统冷侧的风阻，需额外加大散热器或风扇功率，且中冷器压降较大。拆装不方便。
（3）侧置式
侧置式中冷器安装在前蒙皮的左内侧或右内侧，大丁下方，由于空间有限，中冷器体积较小，该布置需要为中冷器设计一个导风罩。冷却性能差。
（4）顶置式
顶置式中冷器安装在发动机上方，通过在发罩上开一个进气口，将迎面冷风导到中冷器进行散热。该布置型式结构紧凑，管道短，响应快，但由于中冷器距离发动机近，会受发动机热辐射的影响。
目前大部分柴油发电机上采用前置式中冷器。侧置式和顶置式中冷器由于需要额外增加导风装置和进气开口对成本及造型产生不利，目前应用较少。
三、空空中冷器检测
1、泄漏与堵塞检查
（1）检查空空中冷器管路和软管有无泄漏、孔洞、裂纹或松动的连接。如有必要，拧紧软管卡箍，如图1所示。参考柴油发电机组制造商的技术规范以确定正确的扭矩值。
（2）检查空空中冷器 (CAC) 有无堵塞散热片的污垢和碎屑。检查有无裂纹、孔洞或其它损坏。检查部位如图2所示。
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图1 柴油机中冷器管路和软管松动检查 |
图2 柴油机中冷器堵塞检查 |
2、泄漏和堵塞试验
（1）泄漏测试
要检查空一空中冷器或集气管有无裂纹，从空空中冷器上拆下进气软管和出气软管。不必将空空中冷器从底盘上拆下。为避免某个堵头在测试中吹落而造成伤害，应将测试堵头上的安全保护链固定好。此项测试不能在没有安全保护链的情况下进行。
其测试步骤如图3所示，在中冷器的出气口上安装一个堵头或帽盖。在中冷器的进气口上安装一个压力表和带有切断阀的可调节压缩空气供气管。向中冷器施加空气压力，直到压力表显示的空气压力稳定在207kPa(30psi)，然后切断向中冷器的供气。如果15s内压降等于或小于34kPa(5psi)，则中冷器功能完好；如果15s内压降大于34kPa(5psi)，则说明有泄漏，需要更换中冷器。
注：空一空中冷器的设计不能保证100％无泄漏。如果15s内压降小于34kPa(5psi)，则不需要更换空一空中冷器。
（2）温差测试
空一空中冷器外部是否堵塞，清除散热片中的杂物。将风扇直连，以免测量结果出错。在靠近进气歧管的空气管道上安装数字式温度计。在空气滤清器进气口上安装另外一个数字式温度计以测量周围空气温度。进行一次道路测试，让发动机全负荷运转，同时保证车速大于或等于48kh（30mile/h），记录进气歧管温度和环境空气温度
计算温差公式：
进气歧管温度-环境空气温度=温差
最大温差为28℃。如果温差大于技术规范，则检查空一空中冷器的散热片上有无污垢或碎屑，必要时清洁。
（3）压差测试
如图4所示，将水银压力计的一端接到涡轮增压器压缩机出口弯管的接头上。将水银压力计的另一端接到进气歧管上，让发动机以额定转速和额定负载运转，记录压力计的读数。如果压差大于20kPa（152mmHg，6inHg)，则检查空一空中冷器和相应的管路是否堵塞。如有必要，则进行清洁或更换。也可以使用两块量程合适的压力表进行此项测试。
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图3 中冷器泄漏测试 |
图4 中冷器压差测试 |
四、进排气阻力检测
1、进气阻力检测
如图5所示，在涡轮增压器前进气管内安装真空表或水压差计。仪表接头必须与气流方向成90°。使发动机以额定转速和最大负荷运转。记录仪表或压力表上的读数。最大允许进气阻力为0.6kPa（63.5mmH2O，2.5inH2O)。若进气阻力过大，则应检查空滤器和进气管。
2、排气阻力检测
在消声器前的排气管上安装压力表（如图6所示）。从排气管接头处引出最短长度为305mm（12in）的金属管，保护软管以防过热。让发动机以额定转速和额定负载运转，记录压力表读数。
排气阻力规范：
（1）不带后处理（最大数据）：10kPa（75.0mmHg，3.0inHg）
（2）带后处理（最大数据）：41kPa（305.0mmHg，12.0inHg）
如果排气压力超过技术规范，则检查排气管是否损坏。如果柴油发电机组配备有后处理系统，则检查后处理柴油微粒滤清器或柴油氧化剂催化器是否堵塞。在高排气阻力下，发动机运行时间过长会损坏涡轮增压器油封。
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图5 中冷器进气阻力测试 |
图6 测试压力表外观图 |
总结：
综上所述，中冷器能够进一步提升柴油机的发动功率，减少能源损耗、降低环境污染。伴随柴油机中冷器的不断发展，其冷却方法具有相应的差异，当前已具有多种类型的结构。通过中冷器的具体应用状况展开优化设计，制定常见的校核测算方式，如此能够进一步提升中冷器的运行效率。
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