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新聞主題 |
如何正確使用柴油發(fā)電機(jī)組的增壓器裝置 |
摘要：根據(jù)驅(qū)動(dòng)增壓器所用能量來(lái)源的不同，柴油發(fā)電機(jī)組增壓方法可分為四種。康明斯用戶一定要嚴(yán)格地按照使用說(shuō)明書的要求進(jìn)行正確操作，盡可能地發(fā)揮潤(rùn)滑油的三大作用（潤(rùn)滑、去污、冷卻），盡量避免出現(xiàn)人為的、不必要的故障而使增壓器損壞與報(bào)廢，從而保證柴油發(fā)電機(jī)組增壓器應(yīng)有的使用壽命。
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渦輪增壓器左視圖 |
渦輪增壓器右視圖 |
隨著生產(chǎn)的需要和科技水平的不斷提高，對(duì)柴油機(jī)的要求也越來(lái)越高，既要求柴油機(jī)輸出功率要大，經(jīng)濟(jì)性要好，而且重量要輕，體積要小。柴油機(jī)輸出功率的大小，取決于進(jìn)入氣缸的燃油和空氣的數(shù)量及熱能的有效利用率。由此可知:要提高柴油機(jī)的輸出功率，最經(jīng)濟(jì)最有效的辦法是增加進(jìn)入氣缸的空氣量，在柴油機(jī)氣缸容積保持不變的條件下，增加進(jìn)入氣缸的空氣密度是提高柴油機(jī)輸出功率的主要手段。然而，空氣密度與壓力成正比。與溫度成反比，因此，增加進(jìn)氣壓力，降低進(jìn)氣溫度都能提高進(jìn)氣密度，目前柴油機(jī)中采用增壓器來(lái)提高壓力，采用中冷器降低氣體的溫度。
一、增壓器的作用
所謂增壓，就是用提高氣缸進(jìn)氣壓力的方法，使進(jìn)入氣缸的空氣密度增加，從而可以增加噴入氣缸的燃油量，以提高柴油機(jī)的平均指示壓力p和柴油機(jī)的平均有效壓力p。柴油機(jī)的增壓程度一般以增壓度來(lái)表示，增壓度是柴油機(jī)增壓后標(biāo)定功率與增壓前標(biāo)定功率之差值與增壓前標(biāo)定功率的比值。
根據(jù)柴油機(jī)有效功率的計(jì)算公式：
由上式可知，提高柴油機(jī)的有效功率有下列途徑：
（1）改變柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
增大i、D、S、m這些參數(shù)可以提高柴油機(jī)的功率，但是提高的幅度受到多種因素的限制。
（2）提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。
柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加可以增大柴油機(jī)作功頻率，提高功率。但轉(zhuǎn)速增加會(huì)使磨損增加，柴油機(jī)的慣性力增加，使柴油機(jī)壽命縮短，可靠性變差。對(duì)于船用主機(jī)還受到螺旋槳效率的限制，因而這種方法也是有限度的。目前新型船用低速柴油機(jī)大多降低轉(zhuǎn)速以獲得更高的經(jīng)濟(jì)性。
（3）提高平均有效壓力p。
提高平均有效壓力p可以增加柴油機(jī)的功率。對(duì)p影響最主要的因素是新氣的密度。提高進(jìn)氣密度，就可以增加氣缸充氣量，使更多的燃油完全燃燒，從而大幅度提高柴油機(jī)的功率。而空氣密度的增加對(duì)以通過(guò)提高進(jìn)氣壓力和降低進(jìn)氣溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于空氣在增壓器中被壓縮時(shí)壓力和溫度是同時(shí)升高的，這就影響了空氣密度的增加和增壓的效果。因此，在增壓器后都設(shè)有中冷器以降低空氣溫度，提高空氣密度。通常中冷器都是以海水來(lái)冷卻的。中冷的另一個(gè)作用是降低柴油機(jī)的循環(huán)平均溫度。
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柴油發(fā)電機(jī)增壓系統(tǒng) |
二、增壓器的分類
所謂增壓，即用增壓器(壓氣機(jī))將柴油機(jī)的進(jìn)氣在缸外壓縮后再送人氣缸，以增加柴油機(jī)的進(jìn)氣量，從而提高平均有效壓力和功率。
1、機(jī)械增壓系統(tǒng)
機(jī)械增壓系統(tǒng)的增壓器由柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)齒輪、皮帶、鏈條等傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，將空氣壓縮后送入汽缸。增壓器采用離心式或羅茨式壓氣機(jī)。機(jī)械增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：
不增加柴油發(fā)電機(jī)的排氣背壓，但其要在柴油發(fā)電機(jī)上安裝一套傳動(dòng)裝置，而且還要消耗柴油發(fā)電機(jī)的有效功率，使柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有所下降，但它可以改善柴油發(fā)電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩特性；另外，機(jī)械增壓器與柴油發(fā)電機(jī)容易匹配，結(jié)構(gòu)比較緊湊，機(jī)械的響應(yīng)也比較快；機(jī)械增壓系統(tǒng)多用于小型柴油發(fā)電機(jī)上，增壓壓力一般不超過(guò)0.15～0．17MPa；當(dāng)增壓壓力提高時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)耗功過(guò)大，會(huì)使機(jī)械效率明顯下降，經(jīng)濟(jì)性惡化。
2、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)
廢氣渦輪增壓器由渦輪機(jī)和壓氣機(jī)組成。將柴油發(fā)電機(jī)排出的廢氣引入渦輪機(jī)，利用廢氣所包含的能量推動(dòng)渦輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)與其同軸安裝的壓氣機(jī)葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機(jī)內(nèi)增壓后進(jìn)入汽缸。廢氣渦輪增壓器與柴油機(jī)沒有機(jī)械聯(lián)系，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。
3、復(fù)合增壓系統(tǒng)
復(fù)合增壓系統(tǒng)在一些柴油發(fā)電機(jī)上，除了應(yīng)用廢氣渦輪增壓器以外，同時(shí)還應(yīng)用機(jī)械增壓器，這種增壓系統(tǒng)稱為復(fù)合增壓系統(tǒng)。有些大型二沖程柴油發(fā)電機(jī)上，為了保證啟動(dòng)和低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)仍有必需的掃氣壓力，需要采用復(fù)合增壓系統(tǒng)。
（1）串聯(lián)增壓系統(tǒng)
串聯(lián)增壓系統(tǒng)是采用廢氣渦輪增壓器和主機(jī)帶動(dòng)的往復(fù)式掃氣泵串聯(lián)工作。在這種串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，增壓空氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮。渦輪增壓器為第一級(jí)，壓氣機(jī)從大氣中吸入空氣進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入與增壓器串聯(lián)的往復(fù)壓氣機(jī)中進(jìn)行第二級(jí)壓縮，以達(dá)到規(guī)定的增壓壓力。空氣經(jīng)第二級(jí)壓縮后，再送入第二級(jí)空氣冷卻器冷卻，最后送入柴油機(jī)掃氣箱。
采用串聯(lián)增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)起動(dòng)容易，低負(fù)荷性能好。當(dāng)渦輪增壓器損壞時(shí)，依靠第二級(jí)往復(fù)式壓氣機(jī)仍可使柴油機(jī)達(dá)到70％～80％的標(biāo)定轉(zhuǎn)速，因此不須另設(shè)應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)。然而這種增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量增加。
（2）串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)
串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是部分串聯(lián)增壓，在掃氣前期為串聯(lián)增壓，在換氣后期串聯(lián)失效，由渦輪增壓器單獨(dú)供氣。這種增壓系統(tǒng)利用柴油機(jī)活塞的下部空間作為輔助壓氣機(jī)，并與渦輪增壓器串聯(lián)作為第二級(jí)增壓泵，渦輪增壓器為第一級(jí)增壓泵。其掃氣箱分成內(nèi)外兩部分。外側(cè)空間各缸共用，與渦輪增壓器相通；內(nèi)側(cè)空間各缸分開，并與活塞下部空間相連通組成單缸掃氣室。兩者之間以單向閥連接。
串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是利用掃氣室中空氣的壓力變化防止廢氣倒沖，掃氣效果好。對(duì)于彎流掃氣柴油機(jī)可以減小排氣口高度。活塞下部的增壓泵可以改善柴油機(jī)的低負(fù)荷性能，而且結(jié)構(gòu)比串聯(lián)增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在采用定壓增壓時(shí)，由于在起動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)廢氣渦輪增壓器供氣不足，采用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與之串聯(lián)工作。
（3）并聯(lián)增壓系統(tǒng)
并聯(lián)增壓系統(tǒng)就是使渦輪增壓器與活塞下部空間并聯(lián)工作。在這種增壓系統(tǒng)中，廢氣渦輪增壓器和活塞下部輔助增壓泵分別從機(jī)艙吸入空氣并在其中壓縮，然后經(jīng)空氣冷卻器冷卻再共同送入掃氣箱。一般渦輪增壓器所供應(yīng)的空氣約為增壓空氣量的75％～80％，其余空氣量由活塞下部輔助增壓泵供給。由于輔助增壓泵只供給一小部分空氣，則只需將柴油機(jī)的部分氣缸下部作為輔助增壓泵。
并聯(lián)增壓系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)因渦輪增壓器供氣顯著下降，而輔助增壓泵的供氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，故柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的工作性能差，增壓器在低負(fù)荷時(shí)易發(fā)生喘振。為了防止在低負(fù)荷時(shí)增壓器發(fā)生喘振和改善柴油機(jī)的性能，并聯(lián)增壓系統(tǒng)幾經(jīng)改進(jìn)，取消了活塞下部輔助增壓泵，變成了單獨(dú)增壓系統(tǒng)，并附設(shè)電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與增壓器串聯(lián)供氣。
4、氣波增壓系統(tǒng)
氣波增壓器中有一個(gè)特殊形狀的轉(zhuǎn)子，由柴油發(fā)電機(jī)曲軸經(jīng)傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子中柴油發(fā)電機(jī)排出的廢氣直接與空氣接觸，利用排氣壓力波使空氣受到壓縮，以提高進(jìn)氣壓力。氣波增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，工作溫度不高，不需要耐熱材料，也無(wú)需冷卻。與渦輪增壓相比，其低速轉(zhuǎn)矩特性好。但體積大，噪聲水平高，安裝位置受到一定的限制。這種增壓系統(tǒng)還須進(jìn)一步開發(fā)、研究，才能得到實(shí)際的應(yīng)用。
三、廢氣渦輪增壓的兩種基本形式
1、定壓渦輪增壓
定壓渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力基本上是穩(wěn)定狀態(tài)。柴油機(jī)各缸的排氣管連接到一根共用的容積足夠大的排氣總管上，渦輪就裝在排氣總管后面。因?yàn)閺U氣以基本不變的速度和壓力進(jìn)入渦輪，所以這種增壓方式渦輪工作穩(wěn)定，效率高。
定壓增壓只利用了廢氣能量中的定壓能E，而沒有利用廢氣中的脈沖動(dòng)能E。脈沖動(dòng)能E在排氣流動(dòng)中由于排氣口（閥）的嚴(yán)重節(jié)流和在排氣管中膨脹渦旋，大部分損失掉。只有小部分脈沖動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使排氣管中的廢氣溫度略有升高。因此廢氣渦輪增壓所能利用的廢氣能量就少些。尤其是當(dāng)柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)或起動(dòng)時(shí)，因排氣管壓力低，廢氣的能量少，使渦輪發(fā)出的功率滿足不了壓氣機(jī)所需的功率，柴油機(jī)必需另設(shè)輔助風(fēng)機(jī)來(lái)滿足低負(fù)荷時(shí)的掃氣需要。
2．脈沖渦輪增壓
脈沖渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動(dòng)狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)上把各缸排氣管經(jīng)過(guò)分組直接與一個(gè)或幾個(gè)廢氣渦輪相連，排氣管短而細(xì)。
脈沖增壓除了可以利用脈沖能外，還能較好地利用廢氣的定壓能，故廢氣的能量利用增多。這有利于渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間的功率平衡。此外，掃氣階段正好是排氣管中的低壓階段，掃氣箱與排氣管間壓差較大，故有利于掃氣，即使柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)也是如此。但由于渦輪在不穩(wěn)定工況下工作，效率較低。
在多缸柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)中，如果各缸的排氣均排入一根排氣管，那就會(huì)產(chǎn)生掃、排氣的相互干擾。即當(dāng)某缸進(jìn)行掃氣而相鄰缸正好在排氣時(shí)，排氣壓力波就會(huì)傳到掃氣缸的排氣口處，使該缸排氣背壓升高，從而嚴(yán)重影響該缸掃氣的正常進(jìn)行。如果每缸各自向單獨(dú)的排氣管排氣，雖然消除了各缸間的排氣干擾，但會(huì)使渦輪供氣間斷，效率降低。這一問題必須依靠對(duì)排氣管進(jìn)行合理分組來(lái)解決。分組的原則是避免同組內(nèi)各缸的排、掃氣互相干擾。排氣管分組是脈沖增壓所必須采取的措施。
所以脈沖增壓最適合于氣缸數(shù)是3的倍數(shù)的柴油機(jī)。例如某二沖程六缸柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-6-2-4-3-5，各缸發(fā)火間隔角為60º，則可把1、2、3缸分為一組，4、5、6缸分為另一組。
一般來(lái)說(shuō)，大型低速二沖程柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)采用多臺(tái)增壓器。而四沖程柴油機(jī)為使結(jié)構(gòu)布置緊湊，往往只采用一臺(tái)脈沖渦輪增壓器。為了防止排氣干擾，往往將廢氣渦輪的噴嘴環(huán)分隔開，采用多進(jìn)口的布置方案。
3．兩種增壓方式比較
在不同的增壓壓力下應(yīng)當(dāng)采用不同的增壓方式。在低、中增壓時(shí)，即當(dāng)p介于0.13～0.20 MPa之間時(shí)，采用脈沖增壓可以更多地利用廢氣能量。雖然在結(jié)構(gòu)、管理、渦輪效率等方面有缺點(diǎn)，但與其優(yōu)點(diǎn)相比還是屬于第二位的。所以，在這個(gè)增壓壓力范圍內(nèi)的柴油機(jī)絕大多數(shù)采用脈沖增壓。而隨著增壓壓力的提高，定壓能的比例也隨之增高，脈沖增壓在廢氣能量利用方面的優(yōu)勢(shì)不存在了，而在結(jié)構(gòu)、布置、渦輪效率等方面的問題上升為第一位的。因此，在高增壓時(shí)均采用定壓增壓。如Sulzer公司 RND型以后的新機(jī)型、B＆W公司 KGF型以后的新機(jī)型，均采用定壓渦輪增壓。定壓增壓也是目前增壓系統(tǒng)的發(fā)展方向。
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