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新聞主題 |
如何正確使用柴油發電機組的增壓器裝置 |
摘要：根據驅動增壓器所用能量來源的不同，柴油發電機組增壓方法可分為四種。康明斯用戶一定要嚴格地按照使用說明書的要求進行正確操作，盡可能地發揮潤滑油的三大作用（潤滑、去污、冷卻），盡量避免出現人為的、不必要的故障而使增壓器損壞與報廢，從而保證柴油發電機組增壓器應有的使用壽命。
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渦輪增壓器左視圖 |
渦輪增壓器右視圖 |
隨著生產的需要和科技水平的不斷提高，對柴油機的要求也越來越高，既要求柴油機輸出功率要大，經濟性要好，而且重量要輕，體積要小。柴油機輸出功率的大小，取決于進入氣缸的燃油和空氣的數量及熱能的有效利用率。由此可知:要提高柴油機的輸出功率，最經濟最有效的辦法是增加進入氣缸的空氣量，在柴油機氣缸容積保持不變的條件下，增加進入氣缸的空氣密度是提高柴油機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，增加進氣壓力，降低進氣溫度都能提高進氣密度，目前柴油機中采用增壓器來提高壓力，采用中冷器降低氣體的溫度。
一、增壓器的作用
所謂增壓，就是用提高氣缸進氣壓力的方法，使進入氣缸的空氣密度增加，從而可以增加噴入氣缸的燃油量，以提高柴油機的平均指示壓力p和柴油機的平均有效壓力p。柴油機的增壓程度一般以增壓度來表示，增壓度是柴油機增壓后標定功率與增壓前標定功率之差值與增壓前標定功率的比值。
根據柴油機有效功率的計算公式：
由上式可知，提高柴油機的有效功率有下列途徑：
（1）改變柴油機的結構參數。
增大i、D、S、m這些參數可以提高柴油機的功率，但是提高的幅度受到多種因素的限制。
（2）提高柴油機的轉速。
柴油機轉速的增加可以增大柴油機作功頻率，提高功率。但轉速增加會使磨損增加，柴油機的慣性力增加，使柴油機壽命縮短，可靠性變差。對于船用主機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大多降低轉速以獲得更高的經濟性。
（3）提高平均有效壓力p。
提高平均有效壓力p可以增加柴油機的功率。對p影響最主要的因素是新氣的密度。提高進氣密度，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的功率。而空氣密度的增加對以通過提高進氣壓力和降低進氣溫度來實現。
由于空氣在增壓器中被壓縮時壓力和溫度是同時升高的，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冷卻的。中冷的另一個作用是降低柴油機的循環平均溫度。
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柴油發電機增壓系統 |
二、增壓器的分類
所謂增壓，即用增壓器(壓氣機)將柴油機的進氣在缸外壓縮后再送人氣缸，以增加柴油機的進氣量，從而提高平均有效壓力和功率。
1、機械增壓系統
機械增壓系統的增壓器由柴油發電機通過齒輪、皮帶、鏈條等傳動裝置驅動，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。機械增壓系統的特點如下：
不增加柴油發電機的排氣背壓，但其要在柴油發電機上安裝一套傳動裝置，而且還要消耗柴油發電機的有效功率，使柴油發電機的經濟性有所下降，但它可以改善柴油發電機的低速轉矩特性；另外，機械增壓器與柴油發電機容易匹配，結構比較緊湊，機械的響應也比較快；機械增壓系統多用于小型柴油發電機上，增壓壓力一般不超過0.15～0．17MPa；當增壓壓力提高時，驅動壓氣機耗功過大，會使機械效率明顯下降，經濟性惡化。
2、廢氣渦輪增壓系統
廢氣渦輪增壓器由渦輪機和壓氣機組成。將柴油發電機排出的廢氣引入渦輪機，利用廢氣所包含的能量推動渦輪機葉輪旋轉，并帶動與其同軸安裝的壓氣機葉輪工作，新鮮空氣在壓氣機內增壓后進入汽缸。廢氣渦輪增壓器與柴油機沒有機械聯系，且結構簡單，工作可靠。
3、復合增壓系統
復合增壓系統在一些柴油發電機上，除了應用廢氣渦輪增壓器以外，同時還應用機械增壓器，這種增壓系統稱為復合增壓系統。有些大型二沖程柴油發電機上，為了保證啟動和低轉速低負荷時仍有必需的掃氣壓力，需要采用復合增壓系統。
（1）串聯增壓系統
串聯增壓系統是采用廢氣渦輪增壓器和主機帶動的往復式掃氣泵串聯工作。在這種串聯增壓系統中，增壓空氣經過兩級壓縮。渦輪增壓器為第一級，壓氣機從大氣中吸入空氣進入中間冷卻器進行冷卻，然后進入與增壓器串聯的往復壓氣機中進行第二級壓縮，以達到規定的增壓壓力。空氣經第二級壓縮后，再送入第二級空氣冷卻器冷卻，最后送入柴油機掃氣箱。
采用串聯增壓系統使柴油機起動容易，低負荷性能好。當渦輪增壓器損壞時，依靠第二級往復式壓氣機仍可使柴油機達到70％～80％的標定轉速，因此不須另設應急鼓風機。然而這種增壓系統使柴油機結構復雜，重量增加。
（2）串聯旁通增壓系統
串聯旁通增壓系統的特點是部分串聯增壓，在掃氣前期為串聯增壓，在換氣后期串聯失效，由渦輪增壓器單獨供氣。這種增壓系統利用柴油機活塞的下部空間作為輔助壓氣機，并與渦輪增壓器串聯作為第二級增壓泵，渦輪增壓器為第一級增壓泵。其掃氣箱分成內外兩部分。外側空間各缸共用，與渦輪增壓器相通；內側空間各缸分開，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。
串聯旁通增壓系統的主要優點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。對于彎流掃氣柴油機可以減小排氣口高度。活塞下部的增壓泵可以改善柴油機的低負荷性能，而且結構比串聯增壓系統簡單。在采用定壓增壓時，由于在起動和低負荷時廢氣渦輪增壓器供氣不足，采用電動鼓風機與之串聯工作。
（3）并聯增壓系統
并聯增壓系統就是使渦輪增壓器與活塞下部空間并聯工作。在這種增壓系統中，廢氣渦輪增壓器和活塞下部輔助增壓泵分別從機艙吸入空氣并在其中壓縮，然后經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，則只需將柴油機的部分氣缸下部作為輔助增壓泵。
并聯增壓系統在低負荷時因渦輪增壓器供氣顯著下降，而輔助增壓泵的供氣量遠遠不足，故柴油機在低負荷時的工作性能差，增壓器在低負荷時易發生喘振。為了防止在低負荷時增壓器發生喘振和改善柴油機的性能，并聯增壓系統幾經改進，取消了活塞下部輔助增壓泵，變成了單獨增壓系統，并附設電動鼓風機與增壓器串聯供氣。
4、氣波增壓系統
氣波增壓器中有一個特殊形狀的轉子，由柴油發電機曲軸經傳動帶驅動。在轉子中柴油發電機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，以提高進氣壓力。氣波增壓器結構簡單，加工方便，工作溫度不高，不需要耐熱材料，也無需冷卻。與渦輪增壓相比，其低速轉矩特性好。但體積大，噪聲水平高，安裝位置受到一定的限制。這種增壓系統還須進一步開發、研究，才能得到實際的應用。
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是進入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力基本上是穩定狀態。柴油機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。因為廢氣以基本不變的速度和壓力進入渦輪，所以這種增壓方式渦輪工作穩定，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能E。脈沖動能E在排氣流動中由于排氣口（閥）的嚴重節流和在排氣管中膨脹渦旋，大部分損失掉。只有小部分脈沖動能轉化為熱能，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。尤其是當柴油機在低負荷時或起動時，因排氣管壓力低，廢氣的能量少，使渦輪發出的功率滿足不了壓氣機所需的功率，柴油機必需另設輔助風機來滿足低負荷時的掃氣需要。
2．脈沖渦輪增壓
脈沖渦輪增壓的特點是進入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動狀態。在結構上把各缸排氣管經過分組直接與一個或幾個廢氣渦輪相連，排氣管短而細。
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。這有利于渦輪機和壓氣機之間的功率平衡。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，即使柴油機低負荷時也是如此。但由于渦輪在不穩定工況下工作，效率較低。
在多缸柴油機的脈沖增壓系統中，如果各缸的排氣均排入一根排氣管，那就會產生掃、排氣的相互干擾。即當某缸進行掃氣而相鄰缸正好在排氣時，排氣壓力波就會傳到掃氣缸的排氣口處，使該缸排氣背壓升高，從而嚴重影響該缸掃氣的正常進行。如果每缸各自向單獨的排氣管排氣，雖然消除了各缸間的排氣干擾，但會使渦輪供氣間斷，效率降低。這一問題必須依靠對排氣管進行合理分組來解決。分組的原則是避免同組內各缸的排、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是3的倍數的柴油機。例如某二沖程六缸柴油機的發火順序為1-6-2-4-3-5，各缸發火間隔角為60º，則可把1、2、3缸分為一組，4、5、6缸分為另一組。
一般來說，大型低速二沖程柴油機的脈沖增壓系統采用多臺增壓器。而四沖程柴油機為使結構布置緊湊，往往只采用一臺脈沖渦輪增壓器。為了防止排氣干擾，往往將廢氣渦輪的噴嘴環分隔開，采用多進口的布置方案。
3．兩種增壓方式比較
在不同的增壓壓力下應當采用不同的增壓方式。在低、中增壓時，即當p介于0.13～0.20 MPa之間時，采用脈沖增壓可以更多地利用廢氣能量。雖然在結構、管理、渦輪效率等方面有缺點，但與其優點相比還是屬于第二位的。所以，在這個增壓壓力范圍內的柴油機絕大多數采用脈沖增壓。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勢不存在了，而在結構、布置、渦輪效率等方面的問題上升為第一位的。因此，在高增壓時均采用定壓增壓。如Sulzer公司 RND型以后的新機型、B＆W公司 KGF型以后的新機型，均采用定壓渦輪增壓。定壓增壓也是目前增壓系統的發展方向。
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