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柴油發(fā)電機渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)分類和工作原理 |
增壓器(壓氣機)由柴油發(fā)電機直接驅(qū)動的增壓方式稱為機械增壓系統(tǒng)。它由柴油發(fā)電機的曲軸通過齒輪、皮帶或鏈條等傳動裝置帶動增壓器旋轉(zhuǎn)。增壓器通常采用離心式壓氣機或羅茨壓氣機。空氣經(jīng)壓縮提高其壓力后,再送入汽缸。由于機械增壓系統(tǒng)壓氣機所消耗的功率是由曲軸提供的,當增壓壓力較高時,所耗的驅(qū)動功率也會很大,使整機的機械效率下降。因此,機械增壓系統(tǒng)通常只適用于增壓壓力不超過160~170kPa的低增壓小功率柴油發(fā)電機。廢氣渦輪增壓是利用柴油發(fā)電機排出的廢氣能量來驅(qū)動增壓器,將空氣壓縮后再送入汽缸的一種增壓方法。柴油發(fā)電機采用廢氣渦輪增壓后,可提高輸出功率30%~100%以上,同時還可減少單位功率的質(zhì)量,縮小外形尺寸,節(jié)省原材料,降低燃油消耗率,增大柴油發(fā)電機扭矩,提高載荷能力以及減少排氣對大氣的污染等優(yōu)點,因而得到廣泛應(yīng)用。尤其在高原地區(qū),因氣壓低、空氣稀薄,導(dǎo)致輸出功率下降,一般當海拔高度每升高1000m,功率將下降8%~10%。若裝設(shè)渦輪增壓器后,可以恢復(fù)原輸出功率,其經(jīng)濟效果尤為顯著。
增壓器組成結(jié)構(gòu)圖 |
一、增壓器的分類
廢氣渦輪增壓器按進入渦輪的氣流方向,可分為軸流式和徑流式兩種。
1、徑流式渦輪增壓器
徑流式渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)主要是由渦殼、噴嘴環(huán)、渦輪和轉(zhuǎn)子軸等組成。徑流式渦輪增壓器工作時,柴油發(fā)電機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼后,沿增壓器轉(zhuǎn)子軸的軸線垂直平面(即徑向)流動。這是由于當氣流通過噴嘴時,部分壓能和熱能轉(zhuǎn)換為動能,由此獲得高速氣流。由噴嘴環(huán)出來的高速氣流按一定方向流入葉輪,在葉輪中被迫沿著彎曲通道改變流動方向,在離心力的作用下,氣流質(zhì)點投向葉片凹面,壓力增加而相對速度降低;葉片凸面上則相對速度提高而壓力降低,因此,作用在葉片凹凸而上的氣流合力(即壓力差)在渦輪軸上形成推動葉片旋轉(zhuǎn)的力矩,因而從葉輪流出的廢氣經(jīng)由渦輪中心沿軸排出。中型柴油發(fā)電機大多采用徑流式渦輪增壓器。
2、軸流式渦輪增壓器
軸流式渦輪增壓器工作時,柴油發(fā)電機排出的廢氣進入增壓器的渦輪殼之后,氣流沿著增壓器的轉(zhuǎn)子軸的軸線方向流動,故稱軸流式。大型柴油發(fā)動機大多采用這種形式的增壓器。
渦輪增壓器是用來提高發(fā)動機功率和減少排放的重要部件,其本身不是一種動力源,它利用發(fā)動機排氣后的剩余能量來工作,向發(fā)動機提供更多的壓縮空氣,使之達到最佳運轉(zhuǎn)性能。渦輪增壓器安裝在發(fā)動機的排氣管上,發(fā)動機氣缸排除的廢氣推動渦輪葉輪轉(zhuǎn)動。再帶動壓氣機葉輪將經(jīng)空濾器濾清的空氣加壓后送入氣缸。因為進入氣缸的空氣增多,所以允許噴入更多的燃油或使燃油燃燒更充分,從而使發(fā)動機產(chǎn)生更大的功率和降低排放、減少污染。另外,渦輪增壓器還可以使發(fā)動機在高原工作時獲得功率補償。
渦輪增壓技術(shù)就是采用專門的壓氣機將氣體在進入氣缸前預(yù)先進行壓縮,提高進入氣缸的氣體密度,減小氣體的體積,這樣,在單位體積里,氣體的質(zhì)量就大大增加了,這樣就可以再有限的汽缸容積內(nèi)噴入更多的燃油進行燃燒,從而達到提高發(fā)動機功率的目的,渦輪增壓的工作原理渦輪增壓技術(shù)就是采用專門的壓氣機將氣體在進入氣缸前預(yù)先進行壓縮,提高進入氣缸的氣體密度,減小氣體的體積,這樣,在單位體積里,氣體的質(zhì)量就大大增加了,這樣就可以再有限的汽缸容積內(nèi)噴入更多的燃油進行燃燒,從而達到提高發(fā)動機功率的目的的,渦輪增壓的工作原理。
二、渦輪增壓器工作原理
渦輪增壓器是一種強制引導(dǎo)系統(tǒng)。 它對流入發(fā)動機的空氣進行壓縮(有關(guān)普通發(fā)動機中氣流的介紹,請參考柴油發(fā)電機工作原理)。 壓縮空氣可以使發(fā)動機能夠?qū)⒏嗟目諝鈮旱綒飧桌?,而更多空氣就意味著能向氣缸?nèi)注入更多的燃料。 因此,每個氣缸的燃燒沖程就能產(chǎn)生更多動力。 渦輪增壓發(fā)動機產(chǎn)生的動力要比相同普通發(fā)動機大得多。 這樣就可顯著提高發(fā)動機的動力重量比。為了獲得這種性能上的提升,渦輪增壓器使用發(fā)動機排出的廢氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn),而渦輪則帶動氣泵旋轉(zhuǎn)。 渦輪在渦輪機中的最高轉(zhuǎn)速為每分鐘150,000轉(zhuǎn)——這相當于大多數(shù)柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的30倍。 同時由于與排氣管相連,渦輪的溫度通常非常高。
將柴油發(fā)電機排氣管接到增壓器的渦輪殼上,柴油發(fā)電機排出的具有500~650℃高溫和一定壓力的廢氣經(jīng)渦輪殼進入噴嘴環(huán),噴嘴環(huán)的通道面積由大逐漸變小,因而可以做到雖然廢氣的壓力和溫度在下降,但其流速在不斷提高,高速的廢氣流,按一定的方向沖擊渦輪,使渦輪高速旋轉(zhuǎn)。廢氣的壓力、溫度和速度越高,渦輪的轉(zhuǎn)速就越快。通過渦輪的廢氣最后排入大氣。增加發(fā)動機所能燃燒的燃料和空氣是提升發(fā)動機動力最可靠的方法之一。 增加燃料和空氣的方法之一是增加氣缸數(shù)或增大氣缸容積。 有時這些方法并不可行。這時使用渦輪將是增加動力更簡便、有效的方法,尤其在購買后自行改裝時更是如此。
渦輪增壓器使發(fā)動機能將更多的燃料和空氣注入氣缸,從而使發(fā)動機能夠燃燒更多的燃料和空氣。 渦輪增壓器通常能夠產(chǎn)生41-55千帕的氣壓。 由于在海平面大氣壓力為1012.8千帕,因此發(fā)動機中注入的空氣會增加50%。 從而發(fā)動機內(nèi)部動力可增加50%。 但上述過程并不能完全實現(xiàn),實際動力可能增加30-40%。在使用渦輪增加發(fā)動機動力過程中,有一個原因會導(dǎo)致渦輪效率低下,那就是需要動力動渦輪旋轉(zhuǎn)。 將渦輪裝在排氣管內(nèi)會增加排氣管內(nèi)的空氣阻力。 這意味著,發(fā)動機在排氣沖程時,不得不克服更高的負壓。 這會稍微減少發(fā)動機在燃燒時產(chǎn)生的動力。
增壓器作業(yè)原理圖 |
渦輪增壓器適用于高海拔
渦輪增壓器在空氣較為稀薄的高海拔地區(qū)很有用。 在高海拔地區(qū),通常普通發(fā)動機的動力會減小,因為在活塞的每個沖程中,發(fā)動機都只能獲得少量的空氣。 渦輪增壓發(fā)動機可能同樣會減小動力,但減小量會少很多,因為稀薄的空氣會更容易被渦輪增壓器抽入發(fā)動機。
老式發(fā)電機組為了適應(yīng)氣缸內(nèi)增加的空氣,會自動增加燃料。 使用燃料直噴技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)電機組一定程度上也會在作相同的調(diào)整。 燃料噴射系統(tǒng)通過裝在排氣管內(nèi)的氧氣含量傳感器來判斷空燃比是否正確,因此加裝渦輪后,系統(tǒng)會自動增加燃料。在采用燃料直噴技術(shù)的發(fā)電機組中,如果渦輪增壓器過多地增加空氣壓縮率,系統(tǒng)可能無法提供足夠的燃料(要么是控制器的軟件程序不允許,要么是燃料泵和噴射器無法提供如此多的燃料)。 在這種情況下,為了最大程度地利用渦輪增壓器,必須對發(fā)電機組進行其他改進。
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