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)動機(jī)動力為目的進(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)動機(jī)在最高功率和最大轉(zhuǎn)矩上能有20%~40%的提升量。同時,壓縮終了時更高的混合氣壓強(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)動機(jī)的機(jī)械效率普遍高于自然吸氣式發(fā)動機(jī)。一臺小排量的增壓發(fā)動機(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)動機(jī)相當(dāng)。另外,發(fā)動機(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裝置機(jī)械驅(qū)動,也可采用排氣管的熾熱廢氣進(jìn)行驅(qū)動。因此,根據(jù)驅(qū)動力的不同柴油發(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)動機(jī)上并由傳動帶與發(fā)動機(jī)曲軸相連接。發(fā)動機(jī)曲軸通過傳動帶驅(qū)動壓氣機(jī)的帶輪,帶輪通過軸將動力傳動到壓氣機(jī)的上轉(zhuǎn)子。在軸上設(shè)計(jì)有一個主動齒輪,與同齒數(shù)的從動齒輪嚙合,從動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)子上的葉片推動空氣??諝鈴膱D4-18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)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步,響應(yīng)迅速,沒有動力滯后的現(xiàn)象,動力輸出非常流暢。但是由于受發(fā)動機(jī)驅(qū)動,轉(zhuǎn)速不高,發(fā)動機(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,消耗了部分發(fā)動機(jī)的動力,發(fā)動機(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,葉輪是從動件,被渦輪帶動旋轉(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)動機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪,渦輪帶動同軸的葉輪,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軸承,利用發(fā)動機(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“懸浮”在軸承孔內(nèi)。與此同時,發(fā)動機(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)動機(jī)上同時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)速時的扭力輸出,但是高轉(zhuǎn)速時功率輸出有限;廢氣渦輪增壓裝置在高轉(zhuǎn)速時擁有強(qiáng)大的功率輸出,但低轉(zhuǎn)速時增壓效果不明顯。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,由機(jī)械增壓提供大部分的增壓壓力,在1500r/min時,兩個增壓器同時提供增壓壓力。隨著轉(zhuǎn)速的提高,渦輪增壓器能使發(fā)動機(jī)獲得更大的功率,與此同時,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)行動力切斷,在轉(zhuǎn)速超過3500r/min時,由渦輪增壓器提供所有的增壓壓力,此時機(jī)械增壓器在電磁離合器的作用下完全與發(fā)動機(jī)分離,防止消耗發(fā)動機(jī)功率。采用了這一系統(tǒng),其發(fā)動機(jī)輸出功率大、燃油消耗率低、噪聲小。與此同時,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)動機(jī)工作時熱傳遞的影響,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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