性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)增壓器的種類和優(yōu)點(diǎn)

 

柴油發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩大小與進(jìn)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(jī)沒有類似于汽油機(jī)節(jié)氣門的進(jìn)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(biāo)并不顯著。因此，以改善充氣效率為手段，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為目的進(jìn)氣增壓技術(shù)得以在柴油發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。

一、增壓的優(yōu)點(diǎn)

 

柴油發(fā)電機(jī)的增壓裝置就是采用一套增壓器，對進(jìn)入氣缸前的空氣進(jìn)行預(yù)壓縮，使空氣密增大，這樣，空氣進(jìn)入氣缸后，其密度、壓強(qiáng)、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(dòng)活塞的力量會更大，因此柴油發(fā)電機(jī)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(jī)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在最高功率和最大轉(zhuǎn)矩上能有20％～40％的提升量。同時(shí)，壓縮終了時(shí)更高的混合氣壓強(qiáng)有利于提高燃燒效率，會導(dǎo)致更多的燃?xì)庾龉D(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率普遍高于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。一臺小排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相當(dāng)。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在采用了增壓技術(shù)后，還能一定程度地提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。

 

二、增壓裝置的種類及工作原理

 

進(jìn)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(jìn)行壓縮，增壓器可以采用曲軸通過傳動(dòng)裝置機(jī)械驅(qū)動(dòng)，也可采用排氣管的熾熱廢氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的不同柴油發(fā)電機(jī)的增壓裝置可分為機(jī)械增壓裝置、廢氣渦輪增壓裝置、復(fù)合增壓裝置和電動(dòng)渦輪增壓裝置。

 

1、機(jī)械增壓裝置

 

機(jī)械增壓裝置安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上并由傳動(dòng)帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的帶輪，帶輪通過軸將動(dòng)力傳動(dòng)到壓氣機(jī)的上轉(zhuǎn)子。在軸上設(shè)計(jì)有一個(gè)主動(dòng)齒輪，與同齒數(shù)的從動(dòng)齒輪嚙合，從動(dòng)齒輪通過軸連接到壓氣機(jī)下轉(zhuǎn)子。因此，壓氣機(jī)的上、下轉(zhuǎn)子等速反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的葉片推動(dòng)空氣。空氣從圖4-18所示的1部分進(jìn)入，隨雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到2位置，再從3位置排出，實(shí)現(xiàn)了將空氣增壓并推到進(jìn)氣歧管里。機(jī)械增壓裝置的優(yōu)點(diǎn)是壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步，響應(yīng)迅速，沒有動(dòng)力滯后的現(xiàn)象，動(dòng)力輸出非常流暢。但是由于受發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速不高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升效果沒有廢氣渦輪增壓明顯。而且，當(dāng)機(jī)械增壓器工作時(shí)，消耗了部分發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)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(jī)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(dòng)機(jī)的連接如圖1所示。渦輪室的進(jìn)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(jī)組排氣管上，工作后的廢氣從排氣管排出；增壓器的進(jìn)氣口與空氣濾清器管道相連，吸入新鮮空氣，出氣口接在進(jìn)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(dòng)件，通過一根軸剛性連接到增壓器內(nèi)的壓氣機(jī)葉輪，因此，葉輪是從動(dòng)件，被渦輪帶動(dòng)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(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪帶動(dòng)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(jìn)入氣缸。裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)無任何機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(fèi)。廢氣渦輪增壓裝置很好地利用了這一部分能量，對發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的改善有一定的幫助。柴油發(fā)電機(jī)使用了渦輪增壓器后發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械效率，自然可以明顯改善高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。渦輪增壓器不僅使功率范圍增大，而且高負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍也擴(kuò)大了。采用廢氣渦輪增壓裝置對經(jīng)常滿負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)的重型柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電機(jī)組及經(jīng)常處于中等負(fù)荷或部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)組也是有利的。

 

由于受熾熱廢氣的沖擊，渦輪的工作溫度達(dá)到600～800℃，且在廢氣的沖擊下，渦輪最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100000r/min以上，要比機(jī)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(jī)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(dòng)軸承，利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)“懸浮”在軸承孔內(nèi)。與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻液來進(jìn)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(dòng)機(jī)上同時(shí)采用了廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓兩種增壓裝置。機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出有限；廢氣渦輪增壓裝置在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時(shí)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(bǔ)短，彌補(bǔ)各自的不足，就可以同時(shí)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(jī)上應(yīng)用比較多。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由機(jī)械增壓提供大部分的增壓壓力，在1500r/min時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)提供增壓壓力。隨著轉(zhuǎn)速的提高，渦輪增壓器能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率，與此同時(shí)，機(jī)械增壓器的增壓壓力逐漸降低。機(jī)械增壓裝置可以通過電磁離合器控制進(jìn)行動(dòng)力切斷，在轉(zhuǎn)速超過3500r／min時(shí)，由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力，此時(shí)機(jī)械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動(dòng)機(jī)分離，防止消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率。采用了這一系統(tǒng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小。與此同時(shí)，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(dòng)機(jī)工作時(shí)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?yàn)轶w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(diǎn)來說，高溫膨脹的空氣削弱了增壓的效果。為了避免這一負(fù)面影響，對增壓后的空氣進(jìn)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(jī)在增壓器之后，會設(shè)置一個(gè)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(dòng)機(jī)的前端，利用迎面的外界空氣對流對增壓后的空氣進(jìn)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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