性能特點和作用說明

康明斯柴油機廢氣渦輪增壓器的構造

 

摘要：增壓器的原理是利用柴油發電機廢氣能量在渦輪內轉變為機械能驅動離心式壓氣機以增加進氣壓力，由于不消耗柴油機有效功，使柴油機高速時功率增大，全負荷燃油消耗率低，因此在柴油機增壓上得到廣泛采用。柴油機采用增壓技術后不僅可提高功率30%～100%，甚至更多，還可以減小單位功率質量、縮小外形尺寸、降低燃油消耗、減少機型的品種系列、擴大使用范圍。增壓技術在節約能源、防止大氣污染等方面具有較顯著的作用，已成為柴油發電機的重要發展趨勢之一，并得到越來越廣泛的應用。

 

一、增壓器基本結構組成

 

     渦輪增壓器的工作原理與渦輪機相似，原理示意圖如圖1所示。它利用排氣流動的能量使渦輪轉動，渦輪帶動壓縮機旋轉，將空氣壓縮，送入柴油機燃燒室。渦輪增壓器旁通閥的作用是在柴油機轉速較低的情況下，減少渦輪增壓器的轉速，保證柴油機正常運轉。當柴油機轉速升高時，渦輪增壓器旁通閥會自動關閉，使渦輪增壓器正常工作，提高柴油機的功率和效率。康明斯柴油發電機配置的廢氣渦輪增壓器雖然各個型號不同，但基本結構相似，如圖2所示。渦輪一端安裝在排氣岐管的凸緣上，空氣壓縮機一端安裝在進氣岐管上。

 

圖1  廢氣渦輪增壓器原理圖

圖2  柴油機渦輪增壓器結構組成圖

 

1、銘牌

      固定在增壓器上的銘牌上有零件編號、系列編號、型號及其他說明。

2、渦輪部分

      由渦輪葉輪及軸、渦輪殼等零件組成。空氣壓縮機葉輪是用防松螺母固定在廢氣渦輪軸上，構成廢氣渦輪增壓器的轉動部分稱為轉子。

3、支撐裝置

      由裝在中間殼中的分別靠近空氣壓縮機端和我聊端的軸承。護板、止推盤等所組成。支撐裝置使轉子可靠地定位于中間殼上，限定轉子工作時在軸向和徑向的活動范圍。

4、密封裝置

      由油封總成、氣封環等所組成。壓氣機端的密封裝置主要是密封壓氣機內高壓空氣和防止油腔的機油進入壓氣機。渦輪端密封裝置使防止高溫廢氣進入油腔，以確保機油質量。

5、潤滑冷卻系統

      康明斯柴油發電機的增壓器均有機油冷卻和潤滑，機油通過軸承殼進行循環。

6、浮動軸承   

     增壓器采用浮動軸承的原因是當增壓器轉速超過4000r/min時（該渦輪增壓器額定轉速為7300r/min），如采用非浮動軸承（如潤滑軸承），則軸表面與軸承內表面間的滑動速度是相當高的，軸承很容易磨損，普通的滑動軸承難以勝任。采用浮動軸承時，用鉛錫合金制作的軸承裝在軸承殼內，而軸3支撐在軸內作高速轉動。軸承與軸之間、軸承與軸承之間均由間隙，具有壓力的潤滑油從軸承殼上部的管接頭進入軸承內、外間隙。在柴油發電機運轉過程中，在軸承的內、外間隙、在柴油發電機運轉過程中，在軸承的內、外間隙中均形成油膜，起著軸承的作用。

     浮動軸承分全浮動軸承和半浮動軸承。全浮動軸承以一定轉速轉動，而半浮動軸承則不轉動，此次軸承常采用整體浮動套，其一端為方形結構。在同樣的情況下，半浮動軸承的機械損失小于全浮動軸承。浮動軸承與普通滑動軸承相比，具有溫度低、摩擦功小、工作可靠、抗振性好及拆裝維修方便等優點。

7、旁通閥

（1）渦輪增壓器旁通閥的工作原理

      渦輪增壓器旁通閥位于渦輪增壓器的進氣道上游，與進氣道相連。工作原理如圖3所示。當柴油機轉速較低時，旁通閥打開，使進氣流經旁通閥，不經過渦輪增壓器，直接進入柴油機燃燒室。這樣可以減少渦輪增壓器的轉速，避免渦輪增壓器在低速運轉時出現過高的轉速，減少渦輪增壓器的磨損和故障。

      當柴油機轉速升高時，旁通閥關閉，進氣流經渦輪增壓器，壓縮后送入柴油機燃燒室。這樣可以提高柴油機的功率和效率，使柴油機在高速運轉時仍能正常工作。

（2）渦輪增壓器旁通閥的控制方式

      渦輪增壓器旁通閥的控制方式一般分為機械控制和電子控制兩種。機械控制方式是通過機械裝置控制旁通閥的開關，一般應用于低端柴油機。電子控制方式是通過電子信號控制旁通閥的開關，可以根據柴油機轉速和負載實時調整旁通閥的狀態，提高柴油機的穩定性和燃油經濟性，一般應用于高端柴油機。電子控制電路如圖4所示。

    柴油機可有兩只增壓器。如果柴油機有兩種增壓器，則裝在排氣岐管上的增壓器是高壓增壓器，安裝在支架上的增壓器是低壓增壓器。上述高（低）增壓器是按增壓壓力來劃分的：低增壓器的增壓壓力<0.18MPa；中增壓器的增壓壓力為0.18～0.25MPa；高增壓器的增壓壓力為0.25～0.35MPa；超過增壓器的增壓壓力>0.35MPa。

 

圖3  柴油機渦輪增壓器廢氣旁通控制原理圖

圖4  柴油機增壓器廢氣旁通控制電磁閥電路圖

 

二、增壓器的工作特性與溫度控制

 

1、離心式壓氣機特性

      離心式壓氣機在各種不同工況工作時，它的各主要參數會隨之變化。在不同轉速下壓氣機的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規律，稱為離心式壓氣機的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機的特性曲線，如圖5所示。

      由圖5壓氣機的特性曲線可以看到，當轉速n等于常數時，隨著流量G的減小，增壓比π是開始是增加的。當G減小到某一值時，π值達最大，然后隨G的減小開始下降。效率η隨流量G的變化規率與π類似。當壓氣機的流量減小到一定值后，氣體進入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，造成氣流從葉片或擴壓器上強烈分離，同時產生強烈脈動，并有氣體倒流，引起壓氣機工作不穩定，導致壓氣機振動，并發出異常的響聲。這種現象稱為壓氣機喘振。喘振是壓氣機的固有特性。壓氣機特性曲線上表示喘振狀態的臨界線稱為喘振線，其左方為喘振區，右方為穩定工作區。壓氣機不允許在喘振區工作。

      產生喘振的原因是當流量小于設計值很多時在葉輪進口和擴壓器葉片內產生強烈的氣流分離。在設計流量下，氣流平順地流進葉片前緣和擴壓器，氣流與葉輪葉片、擴壓器葉片既不發生撞擊，也不產生分離。

      當流量大于設計流量時，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的四面發生分離；在擴壓器中氣流沖向葉片的四面，與葉片的凸面發生分離。但是，由于葉輪葉片的轉動壓向氣流分離區，擴壓器中氣流的圓周向流動壓向氣流分離區，氣流的分離區受到限制，不致隨流量的增加而過分地擴大。

      當流量小于設計流量時，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發生分離；在擴壓器中氣流沖向葉片的凸面，與葉片的四面發生分離。由于葉輪葉片在轉動中要離開氣流分離區，擴壓器中氣流的圓周向流動也使氣流離開氣流分離區，氣流分離區有擴展的趨勢。隨著流量的減少，氣流分離區會愈來愈大，以致在葉輪和擴壓器中造成氣體倒流，發生不穩定流動，最終導致喘振的產生。一般擴壓器葉片內氣流分離的擴展是壓氣機喘振的主要原因，而葉輪進口處氣流分離的擴展會使喘振加劇。

      當離心式壓氣機被作為增壓器與柴油機配合工作時，增壓器（或包括輔助掃氣泵）的供氣量和壓力要滿足柴油機的要求。柴油機與增壓器良好匹配的標志是：柴油機達到預定的增壓指標；增壓器在柴油機全部工作范圍內都能穩定地運轉，既不喘振也不超速，并且盡可能在高效區工作，即增壓器工作特性曲線應離喘振線遠一點，又要處在高效率區。

2、增壓器溫度控制

① 增壓空氣溫度控制

      增壓器各系統剖析圖如圖6所示。空氣經過壓縮，溫度會升高，又由于渦輪增壓器處于排氣歧管附近， 較高的環境溫度使得壓縮后的空氣溫度進一步升高。高溫的空氣密度減小，會降低充氣效率，另外，高溫高壓的空氣會使燃燒溫度提升， 容易使發動機產生爆震。為此，需要對壓縮后的空氣進氣冷卻。渦輪增壓發動機通常采用中冷器對壓縮空氣進行冷卻。中冷器的形狀結構與發動機冷卻系統散熱器相似，其冷卻方式有風冷和水冷兩種。

② 渦輪增壓器溫度控制

      高溫環境和高轉速造成了渦輪增壓器的很高的工作溫度。 渦輪增壓器的高速運轉會使其軸承產生大量的熱量，該熱量由位于渦輪增壓器上的冷卻液管路將熱量帶走，輸送到冷卻系統進行散熱。這樣可以大大降低渦輪增壓器溫度，在發動機突然關機時也會減小機油結焦的可能性。

 

圖5  柴油機增壓器壓氣機通用特性曲線圖

圖6  增壓器各結構系統剖析布局圖

 

三、增壓器的喘振與消除

 

1．增壓系統中增壓器喘振的原因

      增壓器產生喘振的原因從根本上講，是由于壓氣機的實際流量小于該轉速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強烈撞擊與脫流。任何新造的增壓柴油機，只要渦輪增壓器與柴油機匹配良好，使用初期增壓器都不會發生喘振。可是隨著運轉時間的增長，增壓系統中各部件就會污損或出現故障，柴油機本身某些部件也會產生故障，致使兩者的性能逐漸惡化，導致匹配不良，引起喘振。此外，運行中某些暫時的匹配不良也可能發生喘振。如：

（1）氣流通道堵塞；

（2）增壓器和柴油機的運行失配；

（3）脈沖增壓一缸熄火或各缸負荷嚴重不均；

（4）環境溫度的變化。

2、各種增壓器的運行特點

（1）單獨增壓系統

      單獨增壓系統僅由增壓器向柴油機供氣，所以柴油機的進氣特性線也就是增壓器的工作特性線。由圖7可見， 在單獨增壓系統中因流道阻塞，常常在低負荷時發生增壓器喘振。管理中應經常注意氣口和空氣冷卻器的清潔，使流道保持暢通，在低負荷下發生喘振時可暫時用提高負荷的辦法消除。

（2）串聯增壓系統

      在串聯增壓系統中，柴油機的進氣特性與增壓器工作特性不重合，結構如圖8所示。串聯增壓系統的工作特性線是一條上部離喘振線較近，下部離喘振線較遠的曲線，在高（超）負荷時容易發生喘振。因為在設計柴油機時選配的增壓器一般都避開了高轉速下的喘振問題，所以串聯增壓系統在柴油機全部轉速范圍內不會發生喘振。若由于增壓系統出現故障而使增壓器的排量減少，特性線左移，在高轉速下就會出現喘振。這時可降低負荷，直至喘振消除為止。

（3）并聯增壓系統

      在并聯增壓系統中，柴油機所需要的空氣量是增壓器和活塞下部增壓泵兩者供應空氣量的總和。由圖7可知，并聯增壓系統在柴油機低速運行時必然會發生增壓器喘振現象，必須采取相應的措施。例如在掃氣箱設放氣閥；裝設串-并聯轉換裝置（低負荷時轉換成串聯增壓系統）；采用并聯噴射系統（低負荷時使用并聯噴管系統）增大增壓器流量等。由于并聯增壓系統結構復雜，本身存在著低負荷性能差、易喘振的問題。

 

圖7  渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法

圖8  柴油機串聯增壓系統結構圖

 

總結：

      渦輪增壓器是一種常見的渦輪式增壓器，它可以將排氣流動的能量轉換成壓縮空氣的能量，從而提高柴油機的功率。而渦輪增壓器旁通閥是渦輪增壓器的一個重要組成部分，它可以控制渦輪增壓器的工作狀態，保證柴油機在不同轉速下都能正常工作。渦輪增壓器旁通閥的控制方式一般分為機械控制和電子控制兩種，應用于不同類型的柴油機。了解渦輪增壓器的工作原理對于維護和保養柴油發電機組具有重要意義。

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