柴油发电机增压器起了什么作用

 

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摘要：涡轮增压在发动机上得到了很好的应用，涡轮增压可以增加功率，提高柴油发动机的性能。 一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。涡轮增加发动机的日常使用和保养会麻烦一些。比起自然进气式发动机，涡轮增压发动机对工作环境和保养维护要求更严格。

 

（1）柴油机增压后性能的改善

柴油发电机采用废气涡轮增压后，其性能的改善主要表现在以下几个方面。

 

①动力性能得到提高 柴油发电机增压后进气量增加，供油量也随之增大，因而大大增加了柴油机的功率，一般可增加柴油机功率达30％～100％；同时，增压后柴油机的平均有效压力的提高，大大超过了平均机械损失压力的增加。在一定范围内，增压提高了柴油机的机械效率η_m。因此，增压使得柴油机的动力性能大大提高。

 

②经济性能得到改善 柴油机增压后过量空气系数提高，有利于改善燃烧过程，提高了柴油机工作循环的指示热效率η_it，而机械效率η_m也相应提高。因此降低了柴油机的燃油耗率，一般可达到3％～12％。

 

③排放性能得到改善 增压后，由于进气量加大，混合气变稀，使有害排放HC、CO和烟度都有所下降。但是增压后，由于进气温度的上升，NO_x有害排放有所增加。此时，若采用增压中冷技术，即采取措施使增压后的热空气经冷却降温后进入气缸，则NO_x反而会降低。因此从整体上看，增压有利于降低排放。

 

④燃烧和排气噪声得到改善 增压后，由于压缩压力与进气温度的增加，使燃料的滞燃期缩短，燃烧的压力升高率下降，其结果使燃烧噪声下降。由于排气可在涡轮机中进一步膨胀，所以排气噪声也有所下降。

 

同时，随着增压柴油机动力性和经济性指标的提高，柴油机的机械负荷和热负荷也会相应地增加。机械负荷的增加使曲柄连杆机构和轴承受力严重，磨损加剧。但增压柴油机最重要的限制条件还是热负荷，由于增压后空气量和喷油量的增加，总的燃烧能量增加，使热负荷加大；同时，由于进入增压柴油机气缸的压缩空气温度提高，使最高燃烧温度和循环的平均温度提高；而且由于工质的密度增大，使工质向壁面间的传热增大；这些都使活塞组、气缸、气缸盖、排气门等零件的热负荷加大，从而限制了柴油机增压度的提高。

 

（2）柴油发电机结构参数的变动

对于增压度很高的柴油机，其结构上的变动可能是很大的，甚至需要为适应高增压度而重新进行设计。如机体和主要零件在结构上要加强，活塞可能要通油冷却，供油、配气、冷却、润滑等各部分都要重新考虑。

对于增压度不高的柴油机，增压柴油机的基本结构与非增压机型同属于一个系列，这样便于对增压与非增压两种机型的主要零部件在同一条加工流水线上组织生产。为了适应增压后功率增长的要求，降低其机械负荷与热负荷，仍然需要对这种增压机型作一些必要的改动。

 

①调整供油系统、增大供油量 增加循环供油量，如果仍采用非增压的喷油泵，势必增加供油持续角，使燃烧过程拉长，经济性变坏。缩短供油持续时间的方法有：增大柱塞直径、增加供油速率（使喷油泵凸轮廓线变陡）以及加大喷油嘴喷孔直径等。提高喷油压力和加大喷孔直径还可以增加油雾的穿透能力，保证在气缸空气密度增大的情况下有足够的射程，适应油束、气流及燃烧室尺寸之间配合的需要。

从限制最高爆发压力的角度考虑、应适当减小喷油提前角，即减少上止点前燃烧的燃料量。但过多减少喷油提前角，可使燃烧大量地延续到膨胀线上，以致柴油机经济性和涡轮工作条件变坏。

 

②改变配气相位 合理增加气门重叠角，可加强气缸的扫气作用，有助于降低燃烧室零件的表面温度，增加充气系数，改善涡轮的工作条件。不过气门重叠角不宜过大。研究表明，当气门重叠角超过80°曲轴转角以后，其扫气效果不会进一步改善。而且，重叠角过大将使扫气空气量增加，加重了压气机的工作负担，引起柴油机在低速、低负荷时废气倒流，这对整机的加速及变工况性能不利；同时，当重叠角过大，为了避免气门与活塞相碰，要在活塞顶上挖过深的凹坑，使得燃烧恶化。

 

③减小压缩比、增大过量空气系数 为了降低爆发压力，可以适当减小压缩比1～2个单位。过多地减小，不仅会恶化整机的经济性，也会使启动性能变差。

增大过量空气系数，可降低热负荷，改善经济性。一般将过量空气系数增大10％～30％左右。

 

④设置分支排气管 在脉冲增压系统中，为了充分利用脉冲能量，使各排气互不干扰，排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连接各缸排气必须不互相重叠（或重叠很少）。

 

⑤冷却增压空气 将增压器出口增压空气加以冷却，一方面可以提高充气密度，从而提高柴油机功率；另一方面也可以降低柴油机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低了柴油机的热负荷和排气温度。实践表明，增压空气每降低10℃，柴油机的循环平均温度可降低25～30℃，在增压器出口与入口的压力比为1.5～2时，供气量可以比不采用增压空气冷却的柴油机提高10％～18％。

冷却增压空气的方法，一般用水或空气在冷却器中进行间接冷却，涡轮增压器压缩的空气经中冷器冷却后进入柴油机。

 

⑥进、排气系统 柴油机增压后，一般进气管的容积要增大，以减小进气压力的波动，从而提高压气机的效率和改善柴油机性能。排气管的布置形式也要相应地发生改变，如上节所述。

 

⑦冷却水路和润滑油路 柴油机增压后，应适当调整水泵的容量，提高水泵转速，增大散热水箱的散热面积，增大风扇直径，改善风扇的叶片角，提高风扇转速等措施来降低热负荷；同时增大机油泵容量，增大机油冷却器的散热面积，改善曲轴箱通风等。

 

（3）涡轮增压器与柴油发电机联合运行的基本特点

在涡轮增压器与柴油机联合工作时，彼此没有机械联系，它们通过空气流或者燃气流来传递能量。因为柴油机不同工况要求压气机有不同的供气能力，涡轮机做功的能力来源于柴油机排出废气的合理组织，而涡轮机的功率则全部为压气机所消耗。也可以说，柴油机发出一定的功率所需要的空气流量与增压比，正好是压气机所应提供的。为了使涡轮增压器与柴油机能够良好配合，使它们在各种工况下满意地工作，有两件事要做。一是根据柴油机的特定工况（如额定工况或最大转矩工况），确定其在压气机特性曲线上的位置（即根据柴油机选用合适型号的增压器）；二是要解决柴油机在整个运行区与增压器实现良好的配合。在这里，选好增压器是前提，增压器选得不好，柴油机可能达不到预期的增压效果。

选用增压器时，可根据柴油机特定工况所需要的空气流量（包括扫气空气量）及压比，判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，使该点落在压气机特性曲线的高效率区，即可初步选定增压器型号。

与活塞式柴油机不同的是，在涡轮及压气机这类叶片机械中，叶片前缘的结构角由设计工况的气流参数决定。当工况变化引起气体流量变化，将使气体流入的方向偏离叶片前缘结构角的方向，发生撞击损失，使叶片机的高效率区变窄，所以不可能使柴油机所有工况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及到柴油机的某些特定工况。

每一种涡轮增压器都有确定的工作范围。在小流量范围，压气机受喘振限制；在大流量范围，压气机因效率下降过多，亦受到限制；在增压器的高速、高负荷范围内，可能由于废气能量过高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排气温度过高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了超速或超温的限制。由此决定了涡轮增压器一个大致确定的工作范围（图1）。

 

图1  涡轮增压器的工作范围

 

在此允许的工作范围之内，根据与柴油机联合运行的位置，可以判断增压器与柴油机的配合是否良好。

如果联合运行线与压气机特性曲线配合不够理想，需要进行局部调整，则常用的办法是改变涡轮喷嘴环出口截面积。例如，减小喷嘴环出口截面积可以使联合运行线从压气机低效率区移向高效率区（向喘振线靠近）。但上述调整是有限的，如果联合运行线与压气机的最佳配合相差很远，则只能以更换增压器型号为宜。

 

 

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