性能特點和作用說明

柴油發電機增壓器的種類和優點

 

柴油發電機的功率和轉矩大小與進入燃燒室的空氣和燃油多少有直接的關系，雖然自然吸氣式柴油發電機沒有類似于汽油機節氣門的進氣節流裝置，但其充氣效率依然受制于大氣壓的限制，充氣效率依然低于100％，升功率指標并不顯著。因此，以改善充氣效率為手段，提升發動機動力為目的進氣增壓技術得以在柴油發電機上應用。

一、增壓的優點

 

柴油發電機的增壓裝置就是采用一套增壓器，對進入氣缸前的空氣進行預壓縮，使空氣密增大，這樣，空氣進入氣缸后，其密度、壓強、質量均比在自然吸氣條件下增大了。在氣缸容積一定的情況下，充氣密度越大，新鮮空氣的充入量越多；在滿足燃油供給的條件下，混合氣燃燒爆發推動活塞的力量會更大，因此柴油發電機能輸出更大的功率和轉矩。相比于同排量的自然吸氣柴油發電機，增壓發動機在最高功率和最大轉矩上能有20％～40％的提升量。同時，壓縮終了時更高的混合氣壓強有利于提高燃燒效率，會導致更多的燃氣做功轉化為機械能，因此，增壓發動機的機械效率普遍高于自然吸氣式發動機。一臺小排量的增壓發動機經增壓后，其功率和轉矩可與一臺較大排量的自然吸氣式發動機相當。另外，發動機在采用了增壓技術后，還能一定程度地提高燃油經濟性和降低尾氣排放。

 

二、增壓裝置的種類及工作原理

 

進氣增壓裝置最核心的部件是增壓器。增壓器用于對吸入的空氣進行壓縮，增壓器可以采用曲軸通過傳動裝置機械驅動，也可采用排氣管的熾熱廢氣進行驅動。因此，根據驅動力的不同柴油發電機的增壓裝置可分為機械增壓裝置、廢氣渦輪增壓裝置、復合增壓裝置和電動渦輪增壓裝置。

 

1、機械增壓裝置

 

機械增壓裝置安裝在發動機上并由傳動帶與發動機曲軸相連接。發動機曲軸通過傳動帶驅動壓氣機的帶輪，帶輪通過軸將動力傳動到壓氣機的上轉子。在軸上設計有一個主動齒輪，與同齒數的從動齒輪嚙合，從動齒輪通過軸連接到壓氣機下轉子。因此，壓氣機的上、下轉子等速反向旋轉，轉子上的葉片推動空氣。空氣從圖4-18所示的1部分進入，隨雙轉子旋轉到2位置，再從3位置排出，實現了將空氣增壓并推到進氣歧管里。機械增壓裝置的優點是壓氣機的轉速和發動機轉速同步，響應迅速，沒有動力滯后的現象，動力輸出非常流暢。但是由于受發動機驅動，轉速不高，發動機功率提升效果沒有廢氣渦輪增壓明顯。而且，當機械增壓器工作時，消耗了部分發動機的動力，發動機燃料經濟性會受到一些影響。

 

2、廢氣渦輪增壓裝置

 

廢氣渦輪增壓裝置是目前在柴油發電機上應用較多的一類增壓裝置。該裝置是由渦輪室和增壓器組成的。廢氣渦輪增壓裝置與發動機的連接如圖1所示。渦輪室的進氣口承接的是從氣缸內排出的熾熱廢氣，故排氣歧管相連，渦流室的排氣口接到發電機組排氣管上，工作后的廢氣從排氣管排出；增壓器的進氣口與空氣濾清器管道相連，吸入新鮮空氣，出氣口接在進氣歧管上。若將廢氣渦輪增壓裝置平面布置，則如圖2所示。

圖1 廢氣渦輪增壓器連接圖

圖2 廢氣渦輪增壓器連接平面圖

 

由圖3可知，渦輪室內受廢氣沖擊旋轉的渦輪是主動件，通過一根軸剛性連接到增壓器內的壓氣機葉輪，因此，葉輪是從動件，被渦輪帶動旋轉，與離心式水泵同樣的原理，葉輪中央也會產生低壓區，吸入新鮮空氣，再將空氣沿半徑方向高速甩出，從而擠壓了空氣密度，壓縮了空氣。由圖4可見，渦輪增壓裝置利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。裝置與發動機無任何機械聯系，渦輪和葉輪的轉速取決于廢氣的量和沖擊速度。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量就可以增加發動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發動機功率及轉矩會增大20％～30％。

 

圖3 廢氣渦輪增壓器結構圖

圖4 廢氣渦輪增壓器原理圖

 

廢氣渦輪增壓裝置是利用發動機廢氣的沖擊能量工作的，這些廢氣的能量如果不加以利用也會被排放而白白浪費。廢氣渦輪增壓裝置很好地利用了這一部分能量，對發動機經濟性能的改善有一定的幫助。柴油發電機使用了渦輪增壓器后發動機升功率提高，油耗率降低，排污減少，指示功率和有效功率都提高了，也就是提高了機械效率，自然可以明顯改善高負荷區運行的經濟性。渦輪增壓器不僅使功率范圍增大，而且高負荷的經濟運行范圍也擴大了。采用廢氣渦輪增壓裝置對經常滿負荷高速運轉的重型柴油發電機發電機組十分有利。渦輪增壓器由于滯燃期短、壓力升高率低，可以使燃燒噪聲降低。對于中、輕型載貨柴油發電機發電機組及經常處于中等負荷或部分負荷運轉的柴油發電機發電機組也是有利的。

 

由于受熾熱廢氣的沖擊，渦輪的工作溫度達到600～800℃，且在廢氣的沖擊下，渦輪最高轉速可以達到100000r/min以上，要比機械增壓裝置的轉子轉速高許多。如此高的轉速和溫度對增壓裝置的材質、加工精度、潤滑和冷卻都提出了非常高的要求。普通的機械滾針或滾珠軸承無法承受如此高的轉速，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，利用發動機潤滑油的壓力的支持，使連接渦輪和葉輪的中間軸旋轉時“懸浮”在軸承孔內。與此同時，發動機潤滑油給予良好的潤滑，避免高速條件下的磨損，如圖5所示。為了給增壓器降溫，還導入發動機冷卻液來進行冷卻。

 

圖5 潤滑油渦輪增壓器示意圖

 

3、復合增壓裝置

 

復合增壓裝置即在一臺發動機上同時采用了廢氣渦輪增壓和機械增壓兩種增壓裝置。機械增壓有助于低轉速時的扭力輸出，但是高轉速時功率輸出有限；廢氣渦輪增壓裝置在高轉速時擁有強大的功率輸出，但低轉速時增壓效果不明顯。若把兩種增壓技術結合在一起，取長補短，彌補各自的不足，就可以同時解決低速轉矩和高速功率輸出的問題，由此有了復合增壓裝置。該裝置在大功率柴油發電機上應用比較多。在轉速較低時，由機械增壓提供大部分的增壓壓力，在1500r/min時，兩個增壓器同時提供增壓壓力。隨著轉速的提高，渦輪增壓器能使發動機獲得更大的功率，與此同時，機械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機械增壓裝置可以通過電磁離合器控制進行動力切斷，在轉速超過3500r／min時，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時機械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發動機分離，防止消耗發動機功率。采用了這一系統，其發動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小。與此同時，復合增壓裝置結構較為復雜，技術含量高，維修保養不容易，在目前條件下尚難以普及。

 

三、增壓后的中冷裝置

 

增壓后的空氣，因增壓器葉片對其做功及受到發動機工作時熱傳遞的影響，其內能增加。因此，氣體溫度會上升至60～80℃（圖6所示）。升溫后的空氣體積膨脹，反過來又制約了充氣效率，即充入容積一定的氣缸后，因為體積膨脹的原因，高溫的空氣要比溫度低的空氣質量要少。從這點來說，高溫膨脹的空氣削弱了增壓的效果。為了避免這一負面影響，對增壓后的空氣進行冷卻，使其溫度下降、體積收縮，對提升充氣效率是非常有必要的。因此，增壓柴油發電機在增壓器之后，會設置一個熱交換裝置來冷卻增壓后的空氣，此裝置稱為中央冷卻系統，簡稱中冷器。中冷器一般布置于發動機的前端，利用迎面的外界空氣對流對增壓后的空氣進行冷卻降溫，如圖4-27所示。溫度下降后，增壓空氣的密度增大，抵消了體積膨脹，改善了充氣效率。

 

中冷器連接及布置示意圖

 

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