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新聞主題 |
柴油發(fā)電機(jī)采用渦輪增壓器的特點(diǎn) |
摘要：搭載渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)組給人的印象是比搭載自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)組強(qiáng)很多。使用渦輪增壓器的柴油發(fā)電機(jī)的最大輸出功率可以增加約40%甚至更多。此外，采用增壓技術(shù)后，柴油發(fā)電機(jī)可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少廢氣排放。這是渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)中最重要的優(yōu)點(diǎn)。渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)的增壓裝置并不復(fù)雜，由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進(jìn)氣口與柴油發(fā)電機(jī)排氣歧管相連，排氣口與排氣管相連。增壓器的進(jìn)氣口連接空空氣過濾管，出氣口連接進(jìn)氣歧管。最后，渦輪和葉輪分別安裝在渦輪室和增壓器中，并同軸剛性連接。
1．進(jìn)氣壓力增加
渦輪增壓器是一種利用排氣而不是柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力推動(dòng)空氣泵或壓氣機(jī)的裝置，由空氣泵將增多的空氣壓入汽缸。柴油和汽油柴油發(fā)電機(jī)上都可采用渦輪增壓器。圖1所示為渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)中空氣和排氣的典型簡圖。高速排氣從排氣門出來，穿過一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)的泵，推動(dòng)排氣渦輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而排氣渦輪又帶動(dòng)進(jìn)氣壓氣機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著壓氣機(jī)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，它吸入了大量新鮮空氣。進(jìn)氣被加壓并被壓入進(jìn)氣門。進(jìn)氣歧管中的升壓過程被稱為增壓（Boost）。增壓可以在進(jìn)氣歧管中產(chǎn)生較高的壓力，壓力因廠家而異。
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圖1 柴油發(fā)電機(jī)渦輪增壓器實(shí)例 |
2．功率提高
如果增加了相應(yīng)數(shù)量的燃油，就會(huì)使功率大幅升高。圖2中給出了渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)和自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)之間對(duì)比的曲線圖，轉(zhuǎn)矩和功率在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都提高了。例如，在5000／min處，自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大約80hp（1hp≈0.735kW，1lbf．ft≈1.35N．m）的功率。但在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生大約140hp的功率。
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圖2 柴油發(fā)電機(jī)增壓后功率和轉(zhuǎn)矩增加 |
3．渦輪增壓機(jī)械部件強(qiáng)化與廢氣能量
（1）部件強(qiáng)化
渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)部需要有一些變化，包括強(qiáng)化活塞、使用不同的活塞環(huán)，以及確保軸承能夠承受更大的負(fù)荷。但是，渦輪增壓和非渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)都采用相同的壓縮比和排放物及電子控制裝置。
（2）廢氣能量分析
柴油機(jī)排出的廢氣具有一定的溫度和壓力。它所含的熱量約占燃油燃燒放出熱量的30％～37％，因此研究廢氣的能量及其有效利用是增壓技術(shù)中的重要問題。
在理論上所能作的功為面積b-1-f-b，也就是排氣開始時(shí)廢氣中的可用能。在換氣過程中獲得的能量為面積4-g-i-1-4。這部分能量對(duì)四沖程柴油機(jī)包括強(qiáng)制排氣過程中的活塞推出功和燃燒室掃氣階段進(jìn)入排氣管的掃氣空氣所具有的能量兩部分；而二沖程柴油機(jī)這部分能量為掃氣期間掃氣空氣所作的功。值得注意的是，二沖程柴油機(jī)在排氣開始后活塞繼續(xù)下行，獲得膨脹功，使廢氣可用能減少；在換氣過程中沒有活塞推出功補(bǔ)充廢氣能量，并且廢氣中摻混有很多掃氣空氣，使渦輪前氣體溫度降低，因而廢氣中的能量較少。
根據(jù)在廢氣渦輪中能量的利用情況，通常把廢氣的能量分成兩部分：一部分是廢氣由壓力膨脹到膨脹能，稱之為脈沖能。它是一種脈動(dòng)的速度能，在排氣管中以壓力波的形式出現(xiàn)。另一部分是廢氣由壓力膨脹到的膨脹能比，稱之為定壓能（亦稱勢(shì)能）。廢氣能量是脈沖動(dòng)能和定壓能之和。能量在總能量中所占的百分?jǐn)?shù)隨著增壓壓力的不同而不同。
4．進(jìn)、排氣管道變化
使用渦輪增壓器后，進(jìn)氣管道就有所改變。排氣通過排氣歧管并進(jìn)入渦輪增壓器的排氣渦輪。從排氣渦輪開始，排氣通過排氣系統(tǒng)被送到外界大氣中。 對(duì)于汽油機(jī)，空氣穿過空氣濾清器被吸入進(jìn)氣歧管。壓縮空氣通過管道被送到節(jié)氣門體裝置。空氣和燃油在這里按照正確的比例混合。 使用了渦輪增壓器后，進(jìn)氣管路會(huì)與典型的非增壓柴油發(fā)電機(jī)有所不同。這個(gè)柴油柴油發(fā)電機(jī)上進(jìn)、排氣管路的設(shè)計(jì)使渦輪增壓器能夠放置在柴油發(fā)電機(jī)一側(cè)，如圖3所示。
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圖3 增壓柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣管路示意圖 |
5．功率延遲
與渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)有關(guān)的一個(gè)問題被稱為延遲。延遲是指渦輪增壓器提高功率所需要的時(shí)間，這是節(jié)氣門快速打開和實(shí)現(xiàn)增壓之間的一個(gè)延遲，是從操作者要求額外功率到實(shí)際功率產(chǎn)生延遲的時(shí)間，這是因?yàn)闇u輪轉(zhuǎn)速升高和產(chǎn)生所需的功率需要一定的時(shí)間。發(fā)電機(jī)組上的渦輪增壓器怠速工作轉(zhuǎn)速為10000／min。在10000～15000Ymin范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)增壓最大，效率最高。渦輪增壓器升高到這個(gè)最佳效率轉(zhuǎn)速需要一些時(shí)間。
6．渦輪增壓器廢氣旁通閥
廢氣旁通閥與渦輪增壓器連通。廢氣旁通閥用于在渦輪增壓器增壓過高時(shí)旁通排氣。增壓過程壓力過大會(huì)導(dǎo)致過分爆燃或柴油發(fā)電機(jī)損壞，甚至毀掉柴油發(fā)電機(jī)。廢氣旁通閥使排氣繞過排氣渦輪，此時(shí)，推動(dòng)壓氣機(jī)渦輪的動(dòng)力減少。而渦輪增壓器的作用也就減小了，如圖4所示。圖中展示的是位于排氣流中典型的廢氣旁通閥。廢氣旁通閥關(guān)閉時(shí)，排氣穿過排氣渦輪，柴油發(fā)電機(jī)現(xiàn)在處于渦輪增壓狀態(tài)。廢氣旁通閥打開時(shí)，排氣就繞過排氣渦輪。 廢氣旁通閥是常閉的。它打開時(shí)旁通排氣，防止過度增壓情況的出現(xiàn)。
當(dāng)執(zhí)行器上施加真空時(shí)，廢氣旁通閥打開。執(zhí)行器由廢氣旁通閥控制閥控制，該閥由PCM控制脈動(dòng)啟閉。在正常工作條件下，控制電磁閥通電，這就是說排氣通過排氣渦輪。
在急加速時(shí)，增壓壓力可能會(huì)升高。當(dāng)增壓壓力升高時(shí)，其值被歧管絕對(duì)壓力（MAP）傳感器感測到。PCM則在增壓值高于15psi時(shí)動(dòng)脈開啟廢氣旁通閥控制閥。當(dāng)廢氣旁通閥脈動(dòng)啟閉時(shí)，歧管壓力減小。如果出現(xiàn)增壓過大的情況，PCM還將減少供油量。
圖5中展示了裝在渦輪增壓器上的廢氣旁通閥控制閥的控制原理。
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圖4 柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥 |
圖5 柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥控制原理圖 |
7．中冷器
中冷器就是一個(gè)熱交換器。它交換空氣間的熱量，常用在渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)上，安裝在渦輪增壓器和燃燒室之間。圖6中展示的就是一個(gè)中冷器的例子。當(dāng)進(jìn)氣或壓縮空氣被外界空氣冷卻時(shí)，它就會(huì)變得體積更小或利用外界空氣冷卻壓縮空氣使其密度更大，這就允許將更多的空氣壓縮進(jìn)入進(jìn)氣道。中冷器將空氣冷卻后，空氣的密度就加大了。這樣在特定的增壓壓力下，就會(huì)有更多的空氣和燃油分子被壓入燃燒室，其結(jié)果就是柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生要多的功率。
在工作過程中，當(dāng)空氣被渦輪增壓器增壓時(shí)，它的溫度隨之升高。但是，當(dāng)空氣被送入中冷器后，外界的新鮮空氣會(huì)將進(jìn)氣溫度稍稍降低一些。
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圖6 柴油機(jī)增壓中冷器 |
8．排氣溫度
排氣系統(tǒng)中的熱量會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)和排氣系統(tǒng)惡化。隨著要求柴油發(fā)電機(jī)更高的功率，排氣溫室通常高于1200℉。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)配備了渦輪增壓器時(shí)，排氣溫度通常稍稍降低一些，如圖7所示。沒有用渦輪增壓器的柴油發(fā)電機(jī)其排氣溫度在1125～1250℉之間，而典型的渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)的排氣溫度低到980～1110℉。這個(gè)更低的排氣溫度最終延長了排氣門和排氣系統(tǒng)的壽命。
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圖7 柴油柴油發(fā)電機(jī)排氣溫度 |
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