新聞主題	柴油機廢氣渦輪增壓器的結構與工作原理

 

摘要：渦輪增壓器柴油發電機是利用發動機排出的廢氣驅動渦輪給發動機燃氣增壓，來增加發動機的進氣量、燃氣量，以提高柴油發電機組的輸出功率。由于它經常處于高速、高溫狀態下工作，極易出現故障。康明斯公司在本文中重點介紹了增壓器的工作原理和結構組成，同時提出了渦輪增壓器柴油發動機的正確使用和注意事項。

 

一、增壓器的結構組成及原理

 

      康明斯公司在本文中以徑流式廢氣渦輪增壓器為例講述其結構與工作原理。廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機兩部分組成，一般右邊為廢氣渦輪，左邊為壓氣機，兩者同軸。渦輪機殼用耐熱合金鑄鐵鑄造而成，進氣口端與氣缸排氣管道相連，出氣口端與柴油機排煙口相連。壓氣機進氣口端與柴油機進氣口的空氣濾清器相連，出氣口端與氣缸進氣管道相連。

1、廢氣渦輪

      廢氣渦輪通常由渦輪殼、噴嘴環和工作葉輪等組成。噴嘴環由噴嘴內環、外環和噴嘴葉片等組成。噴嘴葉片形成的通道從進口到出口呈收縮狀。工作葉輪由轉盤和葉輪組成，在轉盤外緣固定有工作葉片。一個噴嘴環與相鄰的工作葉輪組成一個“級”，僅有一個級的渦輪稱單級渦輪，絕大多數增壓器采用單級渦輪。

      廢氣渦輪的工作原理如下所述：柴油機工作時，廢氣通過排氣管，以一定的壓力和溫度流入噴嘴環，由于噴嘴環的通道面積逐漸減小，所以噴嘴環內廢氣的流速增高（盡管其壓力和溫度降低）。從噴嘴出來的高速廢氣進入葉輪葉片中的流道，氣流被迫轉彎。由于離心力的作用，氣流壓向葉片凹面而企圖離開葉片，使葉片凹、凸面產生壓力差，作用在所有葉片上壓力差的合力對轉軸產生一個沖擊力矩，使葉輪沿該力矩的方向旋轉，隨后從葉輪流出的廢氣經渦輪中心從排氣口排出。

2、壓氣機

      壓氣機主要由進氣道、工作葉輪、擴壓機和渦輪殼等組成。壓氣機與廢氣渦輪同軸，由廢氣渦輪帶動，使工作渦輪高速旋轉。工作渦輪是壓氣機的主要部件，通常它由前彎的導風輪和半開式工作輪組成，兩部分分別裝在轉軸上。在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成擴張型的氣流通道。由于工作輪的旋轉使進氣因離心力的作用而受到壓縮，被拋向工作輪的外緣使空氣的壓力、溫度和速度均升高。空氣流經擴壓器時，由于擴壓作用將空氣的動能轉化成壓力能，在排氣渦輪殼中，空氣的動能逐漸轉化成壓力能。就這樣通過壓氣機使柴油機的進氣密度得到了顯著提高。

 

圖1  柴油機渦輪增壓器結構圖

圖2  柴油機渦輪增壓器原理圖

 

二、增壓柴油機的性能

 

1、柴油機增壓后性能的改善

      柴油機采用廢氣渦輪增壓后，其性能的改善主要表現在以下幾個方面：

① 動力性得到了提高

      增壓后，進入氣缸的循環空氣量大大增加，循環供油量便可相應增加，因而柴油機功率明顯提高。渦輪增壓可使柴油機功率提高30％～100％，甚至更高。與此同時，增壓后，由于氣體爆發壓力的增大，摩擦損失有所增加，但柴油機有效功率增加得更多，因而使柴油機機械效率有所提高。因此，增壓使得柴油機的動力性能大大提高。

② 經濟性能得到了改善

      增壓后機械效率的提高使燃油消耗率有所降低。進氣壓力的提高不僅使掃氣過程得以改善，且使泵吸功變為正功，也將使燃油消耗率下降。此外，增壓后通常過量空氣系數將相應提高，使燃燒更趨完善，也促使燃油消耗率有所下降。

③ 有害排放物有所降低

      增壓后，由于過量空氣系數提高，使得混合氣中含氧量相對增加，燃燒更為完全，廢氣中CO、碳氫化合物及煙度的含量有所下降。但是增壓后，由于進氣溫度上升，尾氣排放中的NO_x的含量有所增加。此時，若采用增壓中冷技術，則尾氣排放中NO_x的含量也會有所降低。因此，從整體上看，增壓有利于降低排放。

2、柴油機增壓后帶來的問題

      柴油機增壓后也將帶來一些問題，主要表現為：

① 機械負荷增加

      爆發壓力是衡量柴油機機械負荷的主要標志之一。增壓后壓縮壓力及爆發壓力均有所提高，使機件載荷增大，磨損加劇。因此，應對增壓后的爆發壓力進行控制，并強化主要受力機件（曲柄連桿機構、曲軸和軸承等）的結構或材質。

② 熱負荷增加

      由于增壓后進氣量和噴油量的增加，總的燃燒能量增加，柴油機的熱負荷加大；與此同時，由于進入增壓柴油機氣缸的壓縮空氣溫度提高，最高燃燒溫度和循環的平均溫度提高；而且由于工質的密度增大，工質向壁面間的傳熱增大。以上這些因素都使得活塞組、氣缸（壁）和排氣門等零部件的熱負荷加大，材料強度降低。實踐證明，熱負荷的影響往往比機械負荷更大，成為限制提高柴油機增壓度的主要因素。

 

三、增壓柴油機的使用注意事項

 

1、不可開機立馬帶載

      由于渦輪增壓器軸輪的轉速較高，采用的又是全浮動軸承結構，因此柴油機起動后，不能著急帶載，應怠速空載運轉3分鐘，待機油壓力，機油溫度升高到規定要求，流動性能變好，渦輪增壓器得到充分潤滑后方可開始帶載送電。但怠速空載運轉時間不宜過長，冬季應在5分鐘以上，10分鐘以內。避免長時間低速運轉，造成渦輪增壓器轉軸機油壓力偏低，軸溫過高，磨損轉軸與軸套。

2、不能帶載突然停機

      渦輪增壓器柴油機非特殊情況下，不允許突然停機，特別是大負荷作業后不能立即停機，停機前應怠速空載運行3分鐘，但時間不宜過長，應保持在5分鐘以內，這是因為柴油機突然停機后，機油泵停止供油，機油壓力迅速下降，機油潤滑中斷，而渦輪增壓器軸輪因慣性仍在高速運轉，這時增壓器內部熱量不能及時被機油帶走，極易使轉軸與軸承套之間產生高溫而抱死，使之不能正常工作。

3、規范使用機油

      由于渦輪增壓器經常處于高負荷、高溫狀態下工作，對機油質量要求較高，機油牌號如圖3所示。機油質量差或牌號不對都會加劇轉軸與軸承套之間磨損，導致渦輪增壓器和柴油機的性能降低，功率下降，噪聲變大，使用壽命縮短。因此應按規定要求正確使用增壓柴油或API（美國石油協會標準的CF級以上機油質量等級潤滑油。同時要重視機油濾清器的保養維護，確保機油的清潔干凈。保持轉軸與軸承套之間的配合間隙，在正常值為0.08~0.13mm之間。

4、保證進氣清潔

      要經常檢查進、排氣管的氣密性，定時清洗或更換空氣濾清器，其濾芯結構如圖4所示。性能良好的空氣濾清器可避免大顆粒灰塵和泥沙被吸入壓氣機，導致壓氣機葉片和柴油機雩部件的加速磨損，降低增壓器轉速，造成增壓器壓力下降，進氣量減少，使柴油柴油機功率下降，性能變差。

5、應加裝預熱裝置

      在某些增壓機型上特別是用于高原或北方地區，為了進一步改善其低溫起動性能，在柴油機的進氣管上還設有進氣預熱裝置，起動時應嚴格按照預熱使用方法進行操作。

6、更換新增壓器應加注機油

      對新的柴油機或調換增壓器后，必須卸下增壓器上的進油管接頭，加注50～60mL機油，防止因缺油而燒壞增壓器軸承。

 

圖3  潤滑油牌號和質量等級

圖4  柴油機空氣濾清器濾芯剖面圖

 

總結：

      渦輪增壓器是用來提高柴油機功率和減少排放的重要部件，其原理是利用柴油機廢氣作渦輪動力源，帶動同軸葉片高速旋轉，增加氣缸的充氣效率，理論上安裝渦輪增壓器柴油機動力可以提高20%~30%。但該部件長期處在高溫，高速環境中工作，如使用不當極易損壞.正確使用渦輪增壓器，對于延長該零件及柴油機壽命，提高柴油發電機組的經濟性和動力性起到至關重要的作用。增壓柴油機與非增壓柴油機相比，在使用過程中的要求是更為嚴格的。為保證增壓柴油機的運行可靠性，應特別注意柴油機經過增壓后，零部件的結構進行了強化，從使用、保養方面講，必須加強發動機的強制保養工作，注意采用正確的操作方法。

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