Waukesha發動機油冷卻器

當它基於傳遞的製動功率時，它稱為製動SFC（BSFC）。

發動機熱燃料效率是每個周期產生的工作與可以通過燃燒釋放的每個周期供應的燃料能量的比率。燃燒可以釋放的燃料能量是供應發動機的燃料質量流量以及燃料的加熱價值或能量強度的產物。這可以以較高的加熱值（HHV）或較低的加熱值（LHV）為基礎表示。

空氣燃料比（在適用的情況下再循環）旨在以給定速度實現指定的功率和扭矩輸出，並優化可靠性，效率和排放控製。微處理器控製現在通常用於仔細調節空氣燃料比率。某些發動機控製係統具有每個氣缸的空氣燃料比控製。還使用了點火正時和燃油噴射率的電子控製。

回報內燃機的主要空氣排放包括NOX，一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC）/有機化合物和顆粒物（PM）。CO排放主要取決於空氣燃料比率，在瘦燃燒的發動機和柴油發動機中都至少。CO排放量相對較高，富含火花點燃的發動機。為了最大程度地減少NOX排放，燃燒係統設計可促進空氣和燃料的徹底混合，較低的峰值燃燒溫度，燃燒溫度下的停留時間降低，並且在雙燃料發動機的情況下，降低了飛行燃料的使用。

根據所使用的空氣燃料比例，發動機可能被歸類為瘦肉，化學計量或豐富的燃燒。氧（或空氣）與產生完美燃燒的燃料的比率稱為化學計量計數器燃料比率。如果在燃燒過程周期中使用了更多的氧氣（過量空氣），則該發動機被稱為瘦發動機。如果燃料的攝入量相當於或大於化學計量的數量，則該發動機被稱為富燃燒發動機。柴油發動機始終以瘦空燃料比為單位，並且在零件下運行，以極高的空氣燃料比率運行。火花點燃的發動機的設計旨在以從富裕到非常瘦弱的各種空氣燃料比率進行操作。

燃燒室包括開放室和培訓前設計。在開放室設計中，所有電荷都包含在一個空間中。在培訓前的設計中，燃燒是在燃燒室或點火室中啟動的，該室通常占清除量的1％至6％（活塞在TDC時燃燒室體積）的燃燒。圖9-30說明了開放式腔室和預室配置。

培訓前的燃燒可以使空氣燃料比的水平提高，超過開放式腔室燃燒發動機可實現的水平。在常規火花點發動機中瘦燃燒的高端，可能會發生失火。為了確保適當的燃燒，在預室中燃燒了少量富含燃料的混合物（低於化學計量水平）。這種燃料混合物可能是火花或壓縮的。

開室

培訓前

圖9-30開放式和培訓前配置的比較例證。資料來源：Waukesha Engine Div。

圖9-31說明了氣缸蓋點火器，並顯示了入學閥組件，火花塞架，點火套筒和室內預室。圖9-32詳細介紹了培訓前組件。圖9-33是一個四衝程周期火花點燃的雙氣動氣體，化油器的剪裁圖。它詳細介紹了氣缸蓋IGNITER，入院閥，室前和活塞頭上的圓柱燃燒碗。

圖9-31氣缸蓋點火器。資料來源：Waukesha Engine Div。

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圖9-32培訓前組件。資料來源：Waukesha Engine Div。

火花點燃設計中的非常精益的燃燒會導致燃燒緩慢，並降低發動機的容量和燃油效率。為了優化性能，有必要實現燃料和空氣的徹底混合，以限製峰值火焰溫度，同時達到最高的火焰前速度。

為了提高混合和燃燒速率，燃燒室設計用於高度的湍流。圖9-34顯示了帶有獨特形狀的燃燒碗的活塞頭，也旨在促進更大的湍流。圓柱軸周圍的旋流流用於在壓縮ob体育赛事點火發動機和火花點燃發動機中促進更快的混合和燃燒，並改善

圖9-33室室，火花點燃引擎的切割圖，詳細介紹了燃燒係統組件。資料來源：Waukesha Engine Div。

在兩衝程引擎中清理。可以通過向圓柱壁向切向側麵偏斜並以旋轉運動向下偏轉的氣流來產生漩渦。另一種方法是在進入氣缸之前迫使流動在閥軸上旋轉。ob体育赛事圖9-35顯示了火花點燃發動機的漩渦流式氣缸蓋設計。

火花點燃引擎中的燃燒控製

當點火係統在特定時間（接近壓縮衝程的末端）以點燃壓縮空氣燃料混合物時，燃燒發生在火花點燃的奧托循環發動機中。火花是由位於氣缸燃燒室中的火花塞生成的。火花產生的高溫等離子體內核發展成一個自我維持和繁殖的火焰陣線。這會在圓柱體內產生強烈的熱量和壓力，以迫使活塞向下動力中風。

圖9-34活塞頭，帶有特殊形狀的燃燒碗以增加湍流。資料來源：Waukesha Engine Div。

圖9-35漩渦流動缸蓋設計。資料來源：Warstila柴油

排放控製的關鍵變量是空氣燃料比。固定工業火花點擊引擎的長期趨勢是傾向於減少CO和HC排放的精益設計。多餘的空氣提供了更完整的燃燒，從而最大程度地減少了CO排放。多餘的空氣還允許從氣缸縫隙和氣缸壁上未燃燒的碳氫化合物，可以被膨脹過程中存在的富含氧氣的氣體氧化。由於老年一代的瘦燃燒發動機在約1.1或更高的lambda（x）上運行，因此CO和HC排放量大大減少。ob体育赛事但是，NOX排放量無法有效控製。因此，這種趨勢是朝著旨在以極高的空氣燃料比運行的發動機，精確控製了NOX以及CO和HC排放，同時保持發動機功率密度和高熱燃料效率，同時避免使用失誤。如果混合物太瘦，燃燒質量會變得較差，HC排放急劇上升，發動機運行變得不穩定。

NOX排放控製的一種方法是將一小部分廢氣與空氣燃料混合物混合。在部分負載條件下，該過程被稱為廢氣再循環（EGR）是有效的，盡管可以使用的可回收氣體量受到限製。

在化學計量計量比率附近運行的發動機中，最有效的空氣排放控製方法是使用三向催化劑。這些係統可以有效地用於控製NOX以及固定和車輛應用中的CO和HC排放。為了有效，三向催化劑係統需要通過在排氣中使用氧氣傳感器來維持發動機燃料比率接近石化。盡管通常不需要排氣排放處理係統，通常可以允許新開發的瘦燃燒發動機，但Rich燃燒發動機通常需要它們。當瘦燃燒發動機確實需要排氣排放處理時，需要更昂貴的選擇性催化劑（SCR）係統才能富含氧氣的排氣係統。

燃氣火花點燃發動機化油器提供氣壓調節和空氣燃料混合。使用隔膜和彈簧的布置，壓力調節器控製進入混合器的氣體的壓力，在此添加空氣以提供所需的空氣燃料比。在正常穩定運行條件下，火花點燃發動機的空氣燃料比應因負載而異。傳統的化油器將氣流速率用於控製空氣燃料比的主要變量。在許多現代係統設計中，對變量（例如扭矩輸出，入口歧管壓力，空氣密度，溫度或爆炸的壓力）敏感的其他控件被用作附加的控製元素。

圖9-19的右上角說明了一個化油器，用於火花點燃的燃氣發動機，並詳細介紹了空氣和氣體入口位置。圖9-36顯示了一個化油器，揭示了上空入口外殼中的氣泡計量閥。氣流由Venturi下遊的油門控製。氣體入口閥在側麵顯示。

圖9-36化油器帶有空氣進氣口中的空氣燃料計量閥。資料來源：Waukesha Engine Div。

盡管化油器通常是最簡單，最便宜的設備，用於在火花點燃發動機中計量燃料，但越來越多的趨勢是燃料噴射係統。用燃油噴射達到的控製精度是當今高性能，低排放發動機的關鍵要素。燃料通常在空氣充電器之前或之後注入進氣歧管或進氣門端口。有幾種不同類型的注入係統，包括機械和電子設計，其中可能包括單個氣缸注射器或單個燃油噴油器。

電子控製係統通常在每個入口端口使用注射器。監視發動機速度，曲柄位置，火花時機，空氣燃料比率，夾克溫度，入口溫度，氣流和油門位置用於提供每個操作條件的燃油速率和排放特性的最佳組合。圖9-37是一個集成係統的框圖，用於速度，空氣燃料和點火正時控製，用於火花點燃的氣體燃料發動機。排氣傳感器通常是氧氣傳感器，盡管還可以使用溫度傳感器或NOX傳感器。

應用點火係統設計功能分配器點火，磁鐵點火和電子（固態）點火開關。分銷商點火係統使用電池和單個點火線圈（變壓器）提供火花電流。大多數較大的當前氣體發動機都使用磁電機或電子點火係統提供，這兩者均為每個圓柱體使用一個線圈。磁電機會產生自己的力量，而電子係統需要電池。圖9-38顯示

圖9-37集成燃氣發動機管理器係統的框圖。資料來源：伍德沃德州長電子點火組件。

點火係統必須在整個火花塞電極上提供足夠的電壓，以在整個操作條件下點燃空氣燃料混合物。隨著空氣燃料混合物變得越來越瘦，有效的火焰傳播需要更高的能量。

圖9-38用於火花點燃發動機的電子點火組件。資料來源：Wartsila柴油

還必須定時進行點火係統，以確保在每個圓柱體內的適當瞬間發生高壓火花。由於燃燒不會瞬間發生，因此火花應在壓縮衝程結束之前發生。這被稱為Spark Advance，這意味著火花發生在活塞在TDC之前。通常，火花設置取決於燃燒時間，該燃燒時間隨缸設計和操作條件而變化。一些發動機缸設計具有兩個戰略上放置的火花塞的使用。

湍流的火焰從火花放電中形成，在空氣燃料混合物中繁殖，並在燃燒室壁上熄滅。通常，燃燒過程的持續時間約為40至60個曲柄角度。ob体育赛事空氣燃料混合物燃燒的速率從低值，火花放電後立即增加到最大值，大約在燃燒過程中的一半，然後在燃燒過程結束時接近零。ob体育赛事

對於在給定條件下的每個發動機設計，都有特殊的火花正時，可提供最大的發動機扭矩。如果燃燒過程的開始在TDC之前逐漸發展，則壓縮衝程工作（從活塞到氣缸氣體）的轉移會增加。如果燃燒過程的末端逐漸延遲（或延遲），則峰缸壓力發生在膨脹衝程的後期，並減少幅度，從而減少了膨脹筆劃。

延遲的火花（時機延遲）用作控製爆炸以及NOX和烴發射形成的一種手段。遲滯的定時導致排氣溫度的升高，最佳功率和熱燃料效率的降低。因此，定時智障必須精確控製，以避免燃燒不良和可能失火的潛力。隨著速度的增加，或者隨著負載和進氣歧管壓力的降低，必須提出火花才能保持最佳時機。

表麵點火是通過過熱閥或火花塞或燃燒室中的任何其他熱點對空氣燃料電荷的點火。當火花塞點燃電荷之前發生表麵點火時，它被稱為預點擊。當它在正常點火後發生時，它被稱為後點。更常見的預點擊可能對發動機非常具有破壞性，從而導致組件的過熱和最終失敗。

可能引起預點擊率的組件是那些冷卻最低和沉積物的組件，例如火花塞和排氣閥。可以通過適當的發動機設計以及對燃料和潤滑油質量的適當關注來避免表麵點火。

火花點燃引擎的關鍵問題是避免敲擊。隨著火焰在燃燒室的傳播時，火焰前的未燃燒混合物（稱為末端氣體）被壓縮，導致其壓力，溫度和密度增加。某些末端氣體燃料混合物可能在正常燃燒之前會發生化學反應，其產物可能會自動燃燒。這種自發的點火會導致能量迅速釋放，進而導致圓柱體內部的高頻壓力振蕩，從而產生急劇的金屬噪聲或敲擊。當火焰鋒會消耗最終氣體之前，這些反應有時間使空氣燃料混合物自動點燃時，就可以避免敲擊。

敲門主要發生在開放的油門操作下。敲擊的趨勢取決於發動機設計和操作變量，這些變量會影響末端氣體溫度，壓力以及在每個高值時所花費的時間。末端氣溫，因此可以通過降低進氣溫的氣溫並阻止火花正時來降低末端氣溫。但是，有了任何給定的發動機設計，敲擊的趨勢直接取決於燃料的抗敲擊質量。

取決於分子大小和結構，抵抗碳氫化合物燃料之間敲擊的能力有很大變化。在指定的工作條件下，特定燃料將表現為臨界壓縮比的壓縮比。燃料辛烷值將根據所使用的評級方法略有不同，它定義了其抵抗敲擊的能力。燃料的臨界壓縮比隨辛烷值增加而增加。

甲烷，主要成分天然氣，具有非常高的辛烷值120。由於其他低辛烷值成分，大多數管道天然氣的辛烷值略低於辛烷值略低。商業汽油的辛烷值將根據其配方和用於提高其辛烷值的化學添加劑的類型而變化。氧氣，例如甲醇，乙醇和甲基三級丁基醚（MBTE）具有良好的抗旋轉混合特性。由於汽油的辛烷值大大低於天然氣的數量，因此在汽油上運行的發動機的壓縮比限於在天然氣上運行的發動機。

發動機的辛烷值需求定義為最小燃料辛烷值，它將抵抗其在其速度和負載範圍內敲門。除了燃料組成外，這還受到各種發動機設計和操作變量的影響。例如，當點火正時延遲，入口空氣密度和溫度降低，濕度增加以及發動機負載減少時，辛烷值的需求往往會減少。發動機辛烷值的需求也最高，並且在化學計量比略有富含的操作中也是最高的。向更瘦或更豐富的混合物朝著傾斜或更豐富的運動傾向於減少辛烷值的需求，因此增加了允許的壓縮比。

用於測量氣態燃料的敲擊性特性的類似指數是甲烷數。該指數建立了純甲烷，該純甲烷具有高度的抗性，甲烷數為100。氫很容易敲擊，代表甲烷指數上的零點。天然氣體通常不僅含有甲烷，還含有較高的碳氫化合物，例如丁烷或丙烷，甲烷數分別為約10和35。ob体育赛事其他惰性成分（例如N2和CO2）提高了抗蟲等級，有時導致甲烷數高於100。

柴油發動機中的燃燒控製

當將燃料注入圓柱體中的熱壓氣電荷中時，燃燒發生在壓縮柴油機循環發動機中。柴油發動機燃料噴射係統需要在燃燒室中霧化和分發燃料，並精確控製基於操作參數的注入速率。

在壓縮衝程期間，在約1,000°F（538°C）的溫度下，空氣被壓縮到約600 psi（41.4 barob体育赛事）。燃油注射正時正式控製燃燒開始的曲柄角。如果燃料被注入或點火過早，則壓縮將不會最大，並且點火將被延遲。如果注入燃料為時已晚，活塞將超過TDC，並減少功率輸出。

由於注射開始就在燃燒開始之前，因此沒有敲擊極限，可以使用更高的壓縮比。同樣，由於發動機扭矩可以通過改變每個周期注入的燃料的量來控製，而且氣流基本上沒有變化，因此發動機可以無爆炸。因此，抽水能量低，零件載荷性能優於火花點燃的發動機。

在泵注射係統中，燃油泵通過燃油管線和噴嘴迫使燃油在高壓下。每個氣缸都有自己的燃油泵，每個泵都由凸輪軸上的一個單獨的凸輪操作。燃油注射噴嘴可以通過燃油泵提供的壓力來液壓操作。

壓縮點引擎中的燃燒發生在各個階段。液體燃料必須首先在蒸氣中開始燃燒之前。氣缸中氣電荷的壓縮提供了蒸發霧化液體燃料的熱量。燃料注射開始後，發生了一些氧化的延遲，但沒有發生明顯的壓力上升。接下來，快速燃料燃燒開始，然後是恒定或受控壓力上升的時期。注射完成後，在活塞迅速向下移動時，會發生較重的燃料分子後燃燒。所有燃燒必須在排氣門開口之前完成，以限製排氣中的煙霧。

點火延遲是注射開始和燃燒開始之間的時間（或曲柄角）間隔。通過組件設計最大程度地減少點火延遲對於優化熱燃料效率和操作的平滑性以及最小化失火和煙氣排放至關重要。燃料的點火特性還會影響點火延遲，因此會影響發動機性能。燃料的點火質量由其定義cetane編號，通過將燃料的點火延遲與標準化測試中的主要參考燃料混合物的點火延遲進行比較。較高的cetane數燃料會產生較短的點火延遲。

空氣排放涉及柴油發動機的側重於NOX，HC和顆粒物。盡管成本較高，但由於空氣排放特性的優勢，通常使用柴油和其他餾出油而不是殘留油。柴油發動機中HC排放的兩個主要原因是燃油的精益燃燒和混合，這在燃燒過程的後期使燃料噴射器噴嘴在低速下使燃油噴嘴發出。HC的排放也可能是由於被困在未燃燒的縫隙中的燃料液滴以及燃料充電過早冷卻之前的燃料液滴所致。

顆粒物物質和NOX排放在很大程度上是由於燃料成分，分別由碳和氮含量產生。柴油發動機顆粒主要由燃燒生成的煙灰組成，其中一些有機化合物被吸收。由於涉及較小的粒徑，因此某種類型的濾鏡是最有效的捕獲度量。NOX排放源是燃料氮含量（燃料NOX）和燃燒過程（熱NOx）產生的。柴油周期燃燒過程本質上比Otto循環更容易置於熱NOX的產生，在這種循環中，空氣和燃料在壓縮衝程中的啟動。延遲的注射時間用於減少NOX排放（效率適度降低），盡管顆粒排放可能會增加。

盡管有許多用於部分限製柴油發動機中NOx排放的方法，但通常隻能使用昂貴的SCR係統來實現達到更嚴格排放標準所需的控製水平。顆粒物和NOX控製的另一個替代方法是雙燃料操作，天然氣用作主要燃料。

雙燃料發動機中的燃燒控製

在雙燃料發動機中，燃燒是通過壓縮噴射的試點油的壓縮點火。與火花相比，從壓縮命令的試點油中釋放出更多的能量，從而使氣態燃料更快，更完整。與標準的Otto-Cycle型燃氣發動機相比，這允許以更高的壓縮比和MEP運行。當前的雙燃料燃燒係統設計與在液體燃料上的標準柴油發動機操作相同，在天然氣上實現了幾乎相同的氣缸功率輸出和在天然氣上運行的熱燃料效率，同時增加了嚴格的空氣排放控製和燃油購買靈活性的好處。應用設計達到的熱燃料效率超過40％（LHV），在天然氣上運行，NOX排放速率為1克/bhp-H（1.3克/kWh）或更低。

使用的氣態燃料的甲烷數是雙燃料發動機的重要考慮因素。發動機評級可能基於甲烷數的100，如果燃料特性顯著不同，則需要修改。

設計選項包括僅在圓柱體中壓縮空氣，並注入單獨壓縮氣體或壓縮氣體混合物。圖9-39提供了注入壓縮天然氣的雙燃料燃燒係統的橫截麵視圖。突出顯示的是燃油噴射閥，燃氣燃料執行器和控製油泵。這種氣柴油型設計使用了組合的油/氣體噴射閥，功能非常像傳統的柴油周期發動機。在啟動和低負載操作下，係統僅在液體燃料上運行。隨著負載達到滿載的約35％，可以激活氣體ob体育赛事注射，並且發動機可以用5％的試點油運行，而氣體可提供燃料需求的平衡。

圖9-40說明了類似的雙燃料柴油發動機燃油係統設計具有高壓氣體注入。右側顯示的是高壓泵，該泵包含一個用於注入飛行員燃料的元素和控製油係統中的第二個元素，用於打開氣體燃料紡錘體。進入加壓燃燒室所需的氣壓約為3,600 psi（250 bar）。ob体育赛事這需要使用外部氣體壓縮機模塊進行獨立的氣體壓縮。

與在空氣壓縮完成後注入高壓氣體相反，一種替代的雙燃料發動機設計特征是進氣歧管中氣體閥的位置。氣閥是液壓作用的，通過改變閥門的打開來控製氣容

圖9-39雙燃料發動機的橫截麵視圖，顯示了集合的油/氣體噴射閥。資料來源：Warstila柴油

圖9-40雙燃料柴油發動機燃油係統插圖，顯示了高壓氣體注入。資料來源：Man B＆W

期間。通過繞過渦輪增壓器壓縮機到吸力側的空氣來實現不同的空氣燃料比。這種布置可促進在燃氣閥上進行徹底混合，並實現混合物的均勻性，以非常瘦的燃燒和最少的NOX產生。

圖9-41是圓柱體的橫截麵，詳細介紹了雙燃料元素。顯示的是標題位置和氣門。圖9-42是氣缸蓋的圖表，詳細介紹了前燃燒室和飛行員噴嘴和柴油噴嘴。該預點擊室設計僅需要1％的試點油，可以運行多達99％的氣體。

圖9-43說明了在99％天然氣上進行全負載操作，並在預注入1％試驗油的情況下，在99％天然氣上進行了全負載操作，說明了指示的壓力特征。第一個壓力峰與壓縮衝程結束時的培訓前燃燒有關。

當前的行業研究和開發工作集中在開發直接注射的天然氣技術上，這將使柴油周期發動機無需使用試點油即可運行，同時匹配等效尺寸液體燃料發動機的功率和熱效率。由於高點火溫度的要求，直接注射的燃氣發動機將需要在典型的柴油發動機壓縮比下進行某種類型的點火輔助。試點柴油注入的一種替代方法可能是Glow插頭點火輔助係統，它為點火提供了足夠熱的表麵。

發動機冷卻液係統和熱量恢複

圖9-41圓柱體的橫截麵詳細介紹了雙燃料元件。資料來源：Fairbanks Morse Engine Div。

圖9-42圓柱體圖詳細介紹了前燃燒室和試點噴嘴。資料來源：Fairbanks Morse Engine Div。

圖9-43指示了1％的試點油的雙燃料操作的壓力特性。資料來源：Man B＆W

圖9-41圓柱體的橫截麵詳細介紹了雙燃料元件。資料來源：Fairbanks Morse Engine Div。

圖9-43指示了1％的試點油的雙燃料操作的壓力特性。資料來源：Man B＆W

往複式發動機需要冷卻液係統從發動機中提取熱量，並將熱量拒絕到外部設備，例如散熱器，冷卻塔或熱恢複係統。內燃機中的峰值氣溫在燃燒室內部空間內部的最高金屬溫度僅限於較低的值，並且必須將氣缸壁的氣體表麵保持在下方ob体育赛事約350°F（177°C），以防止潤滑油膜惡化。

冷卻液係統包括用於發動機夾克水的冷卻電路，潤滑油以及適用的情況下為空氣充電。圖9-44顯示了四衝程周期火花點燃發動機的夾克和輔助水連接。該係統采用齒輪驅動的夾克水泵，該水泵安裝在潤滑油泵上方的發動機前部。曲軸箱和氣缸蓋都包含通道，其中包括夾克水係統。冷卻水從傳熱設備出發並進入夾克水泵，將其定向到該標題供水歧管。它在氣缸襯裏循環，然後通過跳水機進入氣缸蓋，然後流動

圖9-44夾克和輔助水連接，用於火花點燃發動機。資料來源：Waukesha Engine Div。

閥座。

圖9-45說明了氣缸襯裏/水導向器組件。退出氣缸蓋，冷卻水流入每個氣缸庫上方的排氣歧管中。然後，它傳遞到將其路由到水出口標頭的收集歧管，然後返回傳熱裝置。

由於金屬表麵相對運動而引起的大部分摩擦熱，兩者之間的潤滑劑都傳遞到潤滑油係統，這起到了組件冷卻的附加功能。油泵將油中的油從油底殼中吸收，並通過過濾器和過濾器將其運送到內部油分配係統。各種分配線和噴嘴用於潤滑並為整個發動機的組件提供冷卻。圖9-46顯示了工業級發動機的典型殼管油冷卻器。

回報引擎的熱量平衡包括有用的工作，排氣熱，潤滑油和冷卻夾克，充電空氣的熱量以及輻射損失。可以將近一半（夾克水加上排氣）效率高，可恢複發動機的能量輸入的較小容量，可以作為有用的熱能回收。較高熱效率的發動機的質量流量和熱排斥較低

圖9-45圓柱襯裏/水導向器組件的插圖。資料來源：Waukesha引擎部門

因此，產生的熱量較少。值將根據特定的發動機設計和操作條件而差異很大，因此不應將示例視為典型或代表性。

可回收的熱量輸出可以歸類為高溫或低溫：

•可以回收發動機排氣中包含的一部分高溫熱量，以進行加熱或通過廢氣鍋爐產生高壓蒸汽。小型係統可能會結合廢氣和冷卻液係統的熱量回收以產生低級熱量，或者完全忽略廢氣熱恢複。

•低溫熱，從水夾克，潤滑油，閥籠和充電空氣冷卻係統中恢複，可用於熱水或空氣加熱或產生低壓蒸汽。幾乎所有冷卻係統的熱量都可以回收。熱量通常會恢複

圖9-46固定工業級發動機的代表性油冷卻器。資料來源：Waukesha Engine Div。

通過強製循環係統，在高達250°F（121°C）的溫度下產生熱水。低壓蒸汽約為15 psig（約2 bar），ob体育赛事可以通過從強製循環係統中閃爍高溫熱水或通過熱冷卻。

請注意，在製造商的技術數據書中發現的發表熱量數據通常是在常規夾克水出口溫度下計算的。如果夾克水出口溫度高於額定溫度，則必須調整這些值。例如，隨著夾克水出口溫度的升高，對夾克水的熱排斥將減少，對潤滑油，輻射和排氣的熱排斥將增加。由於發動機的皮膚溫度升高，加熱至輻射增加。製造商提供了熱量平衡的校正因子。

可以使用水到水熱交換器來隔離夾克水冷卻液回路並恢複發動機熱量以用於過程熱需求。在過程循環中冷卻液損失的情況下，這為發動機提供了保護，並且還提供了一種匹配夾克供水係統的過程溫度和流速的方法。加熱時也應使用額外的障礙飲用水。在過程循環（即遠程風扇冷卻的散熱器或冷卻塔）中，可以包括補充或廢熱拒絕轉移設備，以便在幾乎沒有或根本沒有過程熱量要求時繼續操作。潤滑油和中冷器的輔助水路可能需要單獨的冷卻水源，因為工作溫度低於最低所需的夾克水溫。

可以有效地從排氣中回收的熱量受到熱量交換材料的結垢造成的效率損失的限製。如前所述，天然氣通常允許更有效的熱量回收。在柴油機和氣體發動機中使用低清或無灰潤滑油可顯著減少排氣熱交換器的結垢。有關熱恢複的詳細信息，請參閱第8章。

儀表和控製係統

第13章討論了用於控製Prime Movers的基本控製功能和設備。雖然控製係統通常變得越來越複雜，但每個發動機係統至少都將具有基本的儀表板和控製係統。典型的儀表板將提供諸如以下儀表以快速檢查操作條件：

•進氣歧管壓力和溫度計

•潤滑油壓力和溫度量表

•排氣溫度高溫計

•夾克水溫量表

•數字轉速表

電子設備為回複發動機控製帶來了一個增加的維度，從而可以完全控製所有機械和輔助係統。在許多情況下，發動機可以通過遠程位置進行控製和監視，可以無人看管。存在廣泛的信息檢索，處理和分析的功能。

基於微處理器的可編程邏輯控製器用於管理發動機負載，空氣燃料比率，充電空氣密度，燃油噴射和點火時間。可實現的確切法規允許使用極其瘦的空氣燃料混合物進行操作，以實現空氣排放控製而不會失火，並且在全方位的運營負載中，功率產能和熱燃料效率的損害最小。它還允許化學計量或豐富的燃燒發動機達到有效的三向催化劑係統操作所需的精確空氣燃料比。

氣缸操作可以在全球或單獨進行調節。圖9-47說明了用於用於電子燃料噴射的大孔，火花點燃引擎的閉環，動力缸平衡係統的操作。通過此設計，燃燒分析係統和自動平衡控製器從缸內傳感器接收壓力信息。然後，係統確定是使用電子燃料注入控製​​以自動調整到每個氣缸的氣流增加還是減少到每個氣缸的氣流。

在熱恢複應用中，重要的熱恢複參數（例如排氣質量流量和溫度或電荷冷卻器溫度）可以集成到發動機控製係統中。在雙燃料發動機中，電子控製係統允許從液體燃料轉換為氣態燃料操作的不間斷，自動轉換。

圖9-47閉環，電動缸平衡係統，並帶有電子燃油噴射。資料來源：伍德沃德州長

物理尺寸，聲音和振動

體重和物理尺寸通常是重要的考慮因素，尤其是在改造應用中。與其他Prime Mover相比，往複式發動機相對較大且重型。尺寸差異很大，但圖9-48為典型裸露發動機提供了代表性的示例。

與其他依賴燃燒的技術一樣，往複式發動機從低頻到高頻產生了全範圍的聲音。低頻通常歸因於氣缸內的燃燒和排氣脈動。高頻通常是相關的渦輪增壓器。當發動機不在聲音衰減的外殼內時，與往複發動機相關的環境聲音水平很高。這種聲學外殼通常被設計為在較小的發動機上以3英尺（1 m）的速度將聲波的大小降低至大約60至90 dBA。當周圍建築物設計以吸收或消除這些聲波時，可以在較大的發動機上解決聲音問題。排氣聲衰減通常是由優質的消音器實現的。可以通過振動隔離器，擋板和吸收材料的使用來實現中等聲音的衰減。但是，當需要大量的聲音衰減水平時，可能需要單壁或雙壁圍欄。

往複式發動機需要廣泛的設計以進行振動隔離。當往複式引擎與驅動設備結合使用時，必須進行扭轉分析，以確保組合係統的特性不超過設備操作範圍內的限製。通常，當使用一個或多個諧波阻尼器設備時，係統將遠低於與發電機，壓縮機，泵和其他最終用途設備耦合所需的可接受水平。

往複式發動機選擇

對於任何給定應用的往複式發動機選擇包括考慮質量，簡單周期的熱燃料效率（部分和滿載）之間的各種權衡，熱恢複效率，容量，可維護性，可用性，耐用性，耐用性和首要費用。最終目標是產生滿足應用程序要求的最佳生命周期成本。在可能的情況下，應將可靠性價值等因素量化為成本因素。如果不可能，那麼必須以某種方式將這些因素用於鑒定生命周期分析的結果。例如，將氣體火花點燃的奧托發動機與液體燃料燃燒的壓縮柴油發動機的比較通常與柴油發動機的簡單周期熱燃料效率和功率密度的優勢相匹配，而柴油發動機與環境和熱量恢複相匹配火花點火發動機的優勢。

發動機質量獨立於發動機的運行特性，必須相對於特定的發動機類型和成本來判斷。如果客戶為產品支付溢價，例如低速發動機，但沒有獲得與此類購買相關的收益（即高效率和較長的組件壽命），則引擎的質量很低。如果客戶為高速發動機支付相對較低的價格，該高速發動機持續了多年，並且每次都可以可靠地開始可靠，那麼發動機的質量很高。

不同容量發動機的比較通常表明，最大BMEP的增加和減少特定於製動的油耗大小增加。隨著發動機尺寸的增加，最大功率的平均活塞速度也降低。對於在相同條件下運行的可比容量的引擎，給定壓縮比的發動機速度和較高的BMEP通常會產生較高的熱燃料效率。較低的RPM，較低的活塞速度和較低的BMEP通常會導致發動機組件壽命增加和維護成本降低。

增壓或渦輪增壓會增加BMEP（和發動機應力），並且通常會導致較高的熱燃料效率。與充電發動機相關的較高功率密度通常會使他們的第一個成本更具吸引力。中冷/後冷卻進一步增加了進氣的空氣密度，並且在火花點燃的發動機中，可以在敲擊避免區域內更高的空氣密度。

發動機選擇過程的主要因素是空氣排放控製。除了比較各種受監管汙染物的空氣排放率外，還應考慮用於實現這些汙染物的方法

圖9-48通過容量的發動機代表性維度。

排放率和這些控製方法對其他性能特征的影響。例如，通過出色的燃燒室設計和空氣燃料比控製係統來實現NOX和碳氫化合物排放控製的火花點燃發動機比以延遲的時機實現此類控製能力更有利，因為後一種方法可能會對容量產生不利影響，效率和長期維護成本。

較高的速度發動機（超過1200 rpm）提供了與較低速度發動機相比的重量，尺寸和第一成本優勢。但是，他們確實需要更多的維護並具有較短的服務壽命。高速發動機通常用於備用操作或較少頻繁的稅務應用，而首先成本比效率和維護成本更為重要。要求使用Workhorse發動機和高度可靠性的應用程序將使用較低的RPM引擎。

活塞速度和發動機旋轉速度都應在發動機選擇中考慮。活塞速度通常在ft/s（或m/s）中表達，而旋轉速度是指曲軸速度，通常以rpm表示。雖然在對發動機進行分類時，最常見的是旋轉速度，但它並未考慮到發動機的大小和活塞。旋轉速度低的長期引擎可能具有很高的活塞速度。另一方麵，高速，短衝程發動機的活塞速度可能相對較低。

當然，應用程序大小極大地影響了發動機的選擇。通常會預包裝多達數百hp（200千瓦）的較小的係統（200千瓦），並且需要最少的現場工程。它們的設計圍繞更高的RPM發動機，通常為1,200至3,600 rpm。恒定速度基本負載操作（例如發電）使用的發動機額定為1,800 rpm或更少，而可變速度機械驅動應用程序的發動機最多可以運行3,600 rpm及更高。中型應用程序，從300至1,500 hp（225至1,100千瓦），通常需要更多的現場工程，但仍然是相當標準化的。發動機速度從780到1,800 rpm不等，其中1,200至1,800 rpm發動機經常用於間歇稅。大型應用程序範圍從1,000至10,000 hp（750至7,500 kW）不等，需要大量的現場工程，並且通常使用較低的RPM發動機，範圍從1200 rpm降至300 rpm以下。具有數以萬計的HP（或kW）功能的發動機可能以100 rpm甚至更低的速度運行。

然而，越來越多的低速和中速發動機的性能，耐用性和可靠性之間的差距正在結束。在許多應用中，根據經濟學的基礎，證明與速度較慢的機器相關的較高資本成本的合理性變得越來越困難，尤其是當這些經濟學基於簡單的回報時。在過去的十年中，設計改進的性能，可靠性和更高速度工業和汽車衍生發動機的可維護性大大提高了。

圖9-49顯示了典型的火花點擊引擎的三個性能曲線，突出了給定發動機型號的速度對容量和熱率的影響。請注意，隨著發動機速度的降低，熱率和最大可實現的容量也是如此。例如，在1,500 rpm時，最大可實現的發電機輸出為400 kW，在1200 rpm下，最大發電機輸出為300 kW，並且與以更高的高熱速率（或製動器特定的燃油消耗）相比，這樣做的最大發電機輸出為300 kW，並且這樣做的最大發電機輸出量為300 kW。運行速度。

發電機輸出，MW -23速度 ^ SO HZ〜60Hz rpm

圖9-49火花發動機性能。資料來源：Cogen Designs，Inc。

發電機輸出，MW -23速度 ^ SO HZ〜60Hz rpm

圖9-49火花發動機性能。資料來源：Cogen Designs，Inc。

可回收熱的數量和質量也將是發動機速度的函數以及其運行的全負載能力的百分比。通常，增加負載會增加排氣質量流量和溫度。速度的提高也傾向於提高氣體溫度。

為了準確確定在操作範圍內的熱恢複電位，必須使用曲線，例如圖9-50和9-51中所示的曲線。圖9-50顯示了以三種不同的發動機速度的排氣溫度和流量與發電機輸出。圖9-51顯示了MBTU/min的夾克水熱排斥作為速度和容量的函數。

發動機評級標準和性能調整因素

對性能的準確評估需要考慮製造商已發布評級中使用的標準和變量。圖9-52是8缸的發動機等級和燃油消耗性能曲線

圖9-52火花燃氣發動機的性能曲線。資料來源：Waukesha Engine Div。

圖9-50排氣流和條件是速度和容量的函數。資料來源：Cogen Designs，Inc。

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