性能特點和作用說明

柴油發(fā)電機增壓器的種類和優(yōu)點

 

柴油發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩大小與進入燃燒室的空氣和燃油多少有直接的關(guān)系，雖然自然吸氣式柴油發(fā)電機沒有類似于汽油機節(jié)氣門的進氣節(jié)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(fā)動機動力為目的進氣增壓技術(shù)得以在柴油發(fā)電機上應(yīng)用。

一、增壓的優(yōu)點

 

柴油發(fā)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(yù)壓縮，使空氣密增大，這樣，空氣進入氣缸后，其密度、壓強、質(zhì)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(fā)推動活塞的力量會更大，因此柴油發(fā)電機能輸出更大的功率和轉(zhuǎn)矩。相比于同排量的自然吸氣柴油發(fā)電機，增壓發(fā)動機在最高功率和最大轉(zhuǎn)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(dǎo)致更多的燃氣做功轉(zhuǎn)化為機械能，因此，增壓發(fā)動機的機械效率普遍高于自然吸氣式發(fā)動機。一臺小排量的增壓發(fā)動機經(jīng)增壓后，其功率和轉(zhuǎn)矩可與一臺較大排量的自然吸氣式發(fā)動機相當(dāng)。另外，發(fā)動機在采用了增壓技術(shù)后，還能一定程度地提高燃油經(jīng)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(qū)動，也可采用排氣管的熾熱廢氣進行驅(qū)動。因此，根據(jù)驅(qū)動力的不同柴油發(fā)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(fù)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(fā)動機上并由傳動帶與發(fā)動機曲軸相連接。發(fā)動機曲軸通過傳動帶驅(qū)動壓氣機的帶輪，帶輪通過軸將動力傳動到壓氣機的上轉(zhuǎn)子。在軸上設(shè)計有一個主動齒輪，與同齒數(shù)的從動齒輪嚙合，從動齒輪通過軸連接到壓氣機下轉(zhuǎn)子。因此，壓氣機的上、下轉(zhuǎn)子等速反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到2位置，再從3位置排出，實現(xiàn)了將空氣增壓并推到進氣歧管里。機械增壓裝置的優(yōu)點是壓氣機的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步，響應(yīng)迅速，沒有動力滯后的現(xiàn)象，動力輸出非常流暢。但是由于受發(fā)動機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速不高，發(fā)動機功率提升效果沒有廢氣渦輪增壓明顯。而且，當(dāng)機械增壓器工作時，消耗了部分發(fā)動機的動力，發(fā)動機燃料經(jīng)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(fā)電機上應(yīng)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(fā)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(nèi)排出的熾熱廢氣，故排氣歧管相連，渦流室的排氣口接到發(fā)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(nèi)受廢氣沖擊旋轉(zhuǎn)的渦輪是主動件，通過一根軸剛性連接到增壓器內(nèi)的壓氣機葉輪，因此，葉輪是從動件，被渦輪帶動旋轉(zhuǎn)，與離心式水泵同樣的原理，葉輪中央也會產(chǎn)生低壓區(qū)，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(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)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(fā)動機無任何機械聯(lián)系，渦輪和葉輪的轉(zhuǎn)速取決于廢氣的量和沖擊速度。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)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(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及轉(zhuǎn)矩會增大20％～30％。

 

圖3 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)動機經(jīng)濟性能的改善有一定的幫助。柴油發(fā)電機使用了渦輪增壓器后發(fā)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(qū)運行的經(jīng)濟性。渦輪增壓器不僅使功率范圍增大，而且高負荷的經(jīng)濟運行范圍也擴大了。采用廢氣渦輪增壓裝置對經(jīng)常滿負荷高速運轉(zhuǎn)的重型柴油發(fā)電機發(fā)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(fā)電機發(fā)電機組及經(jīng)常處于中等負荷或部分負荷運轉(zhuǎn)的柴油發(fā)電機發(fā)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(zhuǎn)速可以達到100000r/min以上，要比機械增壓裝置的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高許多。如此高的轉(zhuǎn)速和溫度對增壓裝置的材質(zhì)、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(zhuǎn)速，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，利用發(fā)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(zhuǎn)時“懸浮”在軸承孔內(nèi)。與此同時，發(fā)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(dǎo)入發(fā)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(fù)合增壓裝置

 

復(fù)合增壓裝置即在一臺發(fā)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(zhuǎn)速時的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時功率輸出有限；廢氣渦輪增壓裝置在高轉(zhuǎn)速時擁有強大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時增壓效果不明顯。若把兩種增壓技術(shù)結(jié)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(zhuǎn)矩和高速功率輸出的問題，由此有了復(fù)合增壓裝置。該裝置在大功率柴油發(fā)電機上應(yīng)用比較多。在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)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(zhuǎn)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(fā)動機分離，防止消耗發(fā)動機功率。采用了這一系統(tǒng)，其發(fā)動機輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小。與此同時，復(fù)合增壓裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，技術(shù)含量高，維修保養(yǎng)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(fā)動機工作時熱傳遞的影響，其內(nèi)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(zhì)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(fā)電機在增壓器之后，會設(shè)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(tǒng)，簡稱中冷器。中冷器一般布置于發(fā)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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