康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机高原功率恢复的试验研究

 

摘要：由于高原地区地理位置的独特性，柴油机在高原地区运行过程中往往会出现相应的问题。本文中便主要通过台架模拟柴油发电机在不同高原海拔高度下，对柴油发电机内部的性能进行实验研究。在实验研究过程中实验人员通过分析柴油发电机在不同海拔高度下的动力性能、经济性的、排气烟度等其他相关因素，来探寻柴油发电机在不同海拔高度下，增压器转速和压气机效率等设备的变化，通过此次实验结果就可以为提高柴油发电机研发过程中提供一些参考意见，从而提高柴油发电机在我国高原地区的运行性能。为了提高柴油发电机的高原工作能力，以康明斯6CTA8.3- G2为例， 通过合理匹配增压器进行了高原功率恢复的试验研究。试验结果证明该机型在高原地区使用时能够满足使用要求。

 

一、高原对柴发的影响

 

      当前我国国土面积中有近1/3的区域为高原地带，而这些地带普遍的特性便是空气稀薄、海拔偏高等，同时随着近些年来我国西部大开发的进程逐步加快，我国中西部地区在开发的过程中，需要装备大量的大功率柴油货运汽车及工程机械来进行开发。但是由于我国的中西部地区高原地带气压普遍偏低，同时空气密度较低，这样就会导致大功率柴油机在高原地区运行过程中，常常会由于气缸内部给气量不足，这样就导致对柴油的燃烧空燃比降低，使柴油发电机的有功效率降低，同时还会导致柴油发电机油耗升高。如果柴油发电机长期在这种环境的使用中，便会导致柴油发电机的使用性能进一步降低，同时根据有关调查数据显示与平原地区相比，在海拔达到3000~3500米时，柴油发电机的有功功率动力和相应的燃油经济性能平均下降3.8%和4.7%，同时柴油发电机在高原海拔地区压气机效率也平均下降5%~6%。因此现阶段对柴油发电机在高于海拔地区运行的性能以及试验性进行研究，对提升柴油发电机的性能具有重要性的意义。

      目前对柴油发电机在高原特性进行研究的过程中，主要是通过建立相应的高原模拟舱环境，来模拟柴油发电机在低气压环境下的实验场所，通过这样的实验场所，可以对柴油发电机在有关功率下的动力性能、经济性能、高原热平衡状态、排放状态等相关特性进行实验研究。但是目前我们国内在真实的高原地区开展柴油发电机有功功率实验的研究还较少，这主要是源于在高原地区不同海拔进行柴油发电机的有功功率实验需要耗贵大量的人力物力，同时试验结果也受到相关不可控因素的影响。本次开展的柴油发电机的性能实验，通过昆明当地1900米实验台架的进排气海拔模拟设备对柴油发电机进排气进行加压以及抽负压从而模拟平原及高原环境进行柴油发电机性能测试，因而本次实验分别模拟海拔0米、当地海拔1900米和海拔3500米这三个高度进行柴油发电机的性能实验。在实验过程中通过对柴油发电机的动力性能、经济性能、增压器效率性能等相关性的进行，便可以更好的总结出柴油发电机在高原环境下，随着海拔高度的变化柴油发电机的性能会发生如何的变化趋势。

 

二、高原柴油机的增压器试验

 

1、试验机型

      柴油机作为给发电机组主要配套动力，适应于3000 m以下海拔高度。随着西部大开发序幕的拉开，各种电力设备在西部的需求量日益增大。但由于环境的巨大变化，低海拔地区使用的柴油发电机不能满足高海拔地区的使用要求。为了提高柴油发电机的高原工作能力，对康明斯6CTA8.3-G2原型机进行了一系列的匹配与试验工作，开发出了能在5000 m海拔高度正常使用的高原柴油发电机。

      随着海拔高度的增加，大气状态发生很大的变化，使柴油发电机的进气量、燃烧、热损失、燃油消耗率、涡轮增压器的性能等都发生变化，致使柴油发电机机械负荷和热负荷状况与平原地区不同。一般情况下，限制涡轮增压柴油发电机功率发挥的主要因素是涡轮前燃气温度和涡轮增压器转速。涡轮转速提高，会使压气机形成较高的增压压力，压比升高，以此来补偿因海拔升高所产生的进气减少，体现了涡轮增压的自动补偿能力。但高压比同时会引起柴油发电机的进气温度过高，导致进气量减少，柴油发电机性能恶化。通过采用中冷器可以降低增压器进入气缸的空气温度。理想的高原用柴油发电机是增压中冷型柴油发电机，能使柴油发电机受环境因素诸如大气压力和大气温度的影响降到最小。

2、增压器选型

      康明斯6CTA8.3-G2增压中冷柴油发电机选用3种增压器，分别在海拔70 m、2200 m高原恢复功率的试验研究和3800 m进行试验对比，试验结果如表1。从试验结果看出，3种增压器在低海拔分不出明显优劣；高原用柴油发电机恢复功率，应全面考虑整机系1#和3#增压器在海拔2200 m时的额定点功率相统。优化进排气系统，降低进气阻力，加大进气量，对于原机额定点160 kW功率下降达5%，2#增压尽量保证燃烧正常进行所需的进气量；调整和优器的额定功率和最大扭矩均在期望值内，在2200转匹配供油系统，使燃烧较好，最高爆发压力是较好的选择；在海拔3800 m时，1#和3#增压允许的范围内，保证机械负荷；调整和优化冷却系器功率下降较多，增压器转速超过130000 r/min，统，使柴油发电机能得到好的冷却效果，保证柴油发电机热不能满足高原柴油发电机对动力性和可靠性的要求。负荷在允许的范围内。在本试验研究中，主要是从柴油发电机整机性能发面的分析，2#增压器是较为对增压器进行选型和调整最理想的选择。

表1    柴油发电机选配3种增压器在不同海拔下匹配试验数据比较

3、增压器性能试验

（1）选择 2# 增压器在不同海拔下性能试验比较

      柴油机增压器高原高海拔模拟试验如图1所示。选用 2# 增压器在柴油发电机上进行不同海拔高度的性能试验， 随着海拔高度的升高， 柴油发电机和增压器各项性能指标也在发生变化， 试验结果如图1、图2所示。从试验结果可以看出，随着海拔高度的升高，柴油发电机扭矩和功率下降幅度不大；但柴油发电机油耗、增压器转速和涡前排温呈同步上升趋势，但都在工作范围之内。 

      增压器与柴油发电机在不同海拔下联合运行曲线随着海拔的升高，空气稀薄，柴油发电机的进气量减少，会使增压器在转速升高的同时，压比升高、进气流量降低，从而导致柴油发电机在压气机特性曲线上的外特性运行线会向喘振线方向偏移。

      从图4中可看出，随着海拔高度增加，柴油发电机运行线接近高效率区，同时3800 m运行线离喘振线还有较大裕度，有更高海拔高度的工作潜力。

图1  柴油机增压器高原高海拔模拟试验图	图2  增压器在不同海拨下的性能特性曲线图.
图3  在不同海拨下的增压器转速和温度曲线图	图4  增压器与2#柴油发电机联合运行曲线图

 

（2）海拔5000米性能预测

      由于条件限制无法对5000 m海拔进行高原试验，因此利用海拔70 m、海拔2200 m、海拔3800 m状态下试验结果，对海拔5000 m下的增压器转速、进气流量和柴油发电机的主要性能进行了预测。预测结果如表2、表3。从表2看出，在5000 m海拔高度下，增压器转速有增加，进气量有减小，但都在允许范围内，从表3看出柴油发电机整机性能下降幅度不大，额定点功率下降4%，预测结果显示该柴油发电机能够基本满足高原工作要求。

表2    增压器转速、进气流量不同海拔实测值及5000m预测

表3    高原柴油发电机不同海拔性能实测值

 

三、柴发高原性能实验装置及实验方案

 

1、柴油发电机测试台架主要部件型号

      本次进行的柴油发电机高原性能试验，主要是在高原1900米发动机台架上进行，通过进排气加压实现0海拨及进排气抽负压模拟3500米海拔，从而开展不同环境下柴油发电机的性能测验工作。本次实验的测试台架系统主要是由测功机、进排气海拔模拟设备、柴油发电机燃油温控及测量系统、冷却水系统、功能模拟系统、台架自动控制系统、计算机模拟系统等相应单元模块组成。同时该台架系统还具有柴油发电机转矩测量仪器、油温测量仪器、油耗测量仪器、排气检测仪器等常规的性能检测仪器，除此之外该台架系统还具有柴油发电机排烟浓度、燃烧爆发压力、增压器转速等相关的特殊参数实验能力。该测试台架系统主要有以下9个部分组成：HORIBA HD460型导的电力测功机；HORIBASTARS的台架主控系统；HORIBAFQ2100型导的油耗仪；SIERRA780S型号的空气流量计；KISTLER6125B型导的燥压传感器来测量缸内燃烧燥发压力；AVL439型号的不透光烟度计。来测量柴油发电机的排烟烟度以及台架冷却水系统和中冷模拟系统。

2、实验中柴油发电机主要技术参数

      在本次实验中所应用的实验柴油发电机技术参数中，实验柴油发电机所应用的缸数和排列形式为直列6缸形式；实验中柴油发电机的缸径和冲程大小分别为123毫米和156毫米；实验中柴油发电机的压缩比为17.4:1；实验中柴油发电机的工作容积为12升；实验中柴油发电机的额定功耗为330千瓦，平均发动机转速是1900转/min；实验中柴油发电机最大转矩工况为2000N.m；实验中柴油发电机的燃油供给方式是电控高压共轨供给方式；实验中柴油发电机的增压器使用涡轮前温度为小于或等于760摄氏度；实验中柴油发电机的进气方式主要为废气涡轮增压和空中冷这两种方式；实验中增压器使用涡轮转速为小于或等于11.5×10't/min。

3、柴油发电机不同海拔高度实验条件

      同时为了研究柴油发电机在不同海拔高度下的实验性能，本次实验分别模拟在海拔0米、海拨1900米和海拨3500米这三个高度进行相关的实验研究，通过实地调查不同海拔下的环境数据得到以下实验环境数据。实际测试实景如图5、图6所示。

      根据实地调查数据可知，随着海拔区城的上升试验区域的大气压力和大气温度随之下降，在海拔高度高达3500米时，大气压力仅在65-67.6kPa，大气温度在-45摄氏度，同时从上述数据还可以发现海拔高度0米至3500米之间，大气压力最大差距在36kPa；大气温度最大差距在16摄氏度，由此可见，海拔高度下的大气压力和大气温度的差距必然会对柴油发电机的运行性能造成一定的影响。

 

图5  高海拔柴油发电机组吊装

图6  高海拔柴油发电机组测试

 

四、柴发高原性能实验结果研究分析

 

1、不同海拔对柴油发电机动力性能和经济性的影响

      通过模拟不同海拔区域对柴油发电机动力性能和经济性能进行研究的过程中可以发现，柴油发电机的外特特性性能直接取决于柴油发电机全复合动力性能和油耗水平。同时根据柴油发电机万有特性曲线的综合运行指标中，可以发现在三个不同海拔高度下柴油发电机所进行的外特性实验和万有特性实验中，柴油发电机运行过程中的柴油机转矩、柴油发电机油耗、柴油发电机进气流量、柴油发电机燃烧燥发压力、柴油发电机排气温度参数都有明显的变化。

      根据实验中调查数据可以发现，随着实验模拟海拔的升高，柴油发电机的动力性能明显下降。在海拔1900米处进行柴油发电机的实验数据中可以发现，柴油发电机在运行过程中机动力性能明显低于海拨0米的机动性能，再对柴油发电机外特性转矩进行实测的过程中可以发现，柴油发电机在1900米处海拔区比0米处海拔区外特性转矩减小至1.6%；当柴油发电机在3500米海拔区域比0米处海拔区域柴油发电机外特性转矩减小至3.8%；在研究中还发现随著海拔高度的升高，柴油发电机在运行过程中的燃油经济性能进一步恶化，在实验中柴油发电机在海拨0米处外特性最低油耗仅为190克(kW.h)，但是随着海拔上升至3500米处，柴油发电机的外特性油耗高达210克(kW.h)，在海拨区0米处与海拔区域3500米处相比，柴油发电机的外特性油耗比增加至5.4%。由此可见，柴油发电机在随着海拔高度的上升，发动机的动力性能和经济性能随之下降。

2、高原海拔地区对废气涡轮增压器的性能影响

      目前我国的柴油发电机普遍应用废气涡轮增压，通过废弃涡轮增压就可以弥补柴油发电机在高原运行过程中的进气损失值，从而提高柴油发电机在高原区域的进气流量。这样就可以进一步的增加柴油发电机，在高原区运行过程中有功功率。

      但是在本次实验中，可以发现柴油发电机废气涡轮增压器性能在随着海拔高度的不同，柴油发电机废气涡轮增压器的转速会随之发生不同的变化。在实验中随首海拔高度的升高，柴油发电机废气涡轮增压器内部的增压器压比也随之升高；同时随着海拔高度升高至1900米和3500米处，柴油发电机废气涡轮增压器的转速分别达到了12.4×10*r/min和12.7×10r/min，但是本次实验中所应用的柴油发电机最高转速仅为11.5×10't/min，由此可见柴油发电机在高海拔地区内部的增压器明显超速，这就会导致柴油发电机一直处于危险的工作状态。对于柴油发电机在额定相应工况下发生超速这一问题，试验人员通过减小柴油发电机的燃油供给比例，并可以有效地降低增压器的转速。此外，在对柴油发电机增压器的联合运行曲线进行观案的过程中，试验人员还进一步的发现，随着海拔的升高柴油发电机外特性运行工况会逐渐的向压气机低效率区域进行转移，而这也代表着随着海拔的升高，柴油发电机的压气机效率也会随之下降。在调查研究中可以发现，柴油发电机在海拨3500米处与海拔1900米处，柴油发电机的压气机工作运行效率明显下降了6.7%。但是实验人员还观察到实验中柴油发电机在1100r/min的转速下，距高增压器喘振线可保持一定的安全距高，这样就可以确保还有发动机在运行过程中无喘振的危险。

 

总结：

      在本次研究中可以发现，随着海拔区域的升高，柴油发电机在增压过程中的动力性能和经济性能会随之下降。并且随着海拔从0米升高至3500米处柴油发电机的燃油经济性能比会下降到最低。此外柴油发电机在运行过程中的烟度比也会随着实验过程中海拔的升高从而发生明显的上升现象。经过高原台架方案的性能试验，通过匹配及5000m预测过合理选择增压器和其他的匹配试验，使输出功率得到恢复，燃油消耗及烟度得到补偿，能够满足高原条件对柴油发电机的工作要求，使康明斯柴油发电机高原应用得到更好地发挥。

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