涡轮增压器的用途及其运转特性

　　摘要：柴油发电机增压器的工作原理是利用发电机排气能量驱动涡轮，强制向气缸内压入更多空气，使更多燃油充分燃烧，从而在相同排量下大幅提升功率。加装涡轮增压后的效果可使其输出容量可提高30%-50%，甚至更高，尤其适合于有限空间内需要高功率的柴发机组（如参数中心、医院应急电源）。

　　  在同等容量输出下，涡轮增压柴油发电机比自然吸气机型油耗更低，持久运转可显着减轻燃料成本。其原理如图1所示。

　　（1）动力性能得到提升：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发电机的容量，一般可增加柴油发电机容量达30％～100％；同时，增压后柴油发电机的平均有效压力的提升，大大超过了平均机械损失压力的增加。在一定范围内，增压提高了柴油发电机的机械效率ηm。因此，增压使得柴油发电机的动力性能大大提升。

　　（2）经济性能得到改良：柴油发电机增压后过量空气系数提升，有利于改进燃烧流程，提高了柴油发电机作业循环的指示热效率ηit，而机械效率ηm也相应提升。因此减少了柴油发电机的燃油耗率，一般可达到3％～12％。

　　（3）排放性能得到改进：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，因为进气温度的上升，NOx有害排放有所增加。此时，若选用增压中冷技术，即选用步骤使增压后的热空气经冷却降温后进入气缸，则NOx反而会减小。因此从整体上看，增压有利于降低排放。

　　（4）燃烧和排气噪音得到改良：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。因为排烟可在涡轮机中进一步膨胀，所以排气噪声也有所下降。

　　  随着增压柴油发电机动力性和经济性指标的提高，柴油发电机的机械负载和热负载也会相应地增加。机械负荷的增加使曲柄连杆装置和轴承受力严重，损伤加剧。但增压柴油发电机最重要的限制因素还是热负荷，因为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，因为进入增压柴油发电机汽缸的压缩空气温度提升，使最高燃烧温度和循环的平均温度提升；而且因为工质的密度增大，使工质向壁面间的传热增大；这些都使活塞组、气缸、气缸盖武汉柴油发电机、排烟门等零件的热负载加大，从而限制了柴油发电机增压度的提高。

　　  对于增压度很高的柴油发电机，其构成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。如机体和具体零件在构造上要加强，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发电机，增压柴油发电机的基础构造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详细零配件在同一条加工流水线上组织生产。为了适应增压后功率延迟的要点，减小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）调整供油装置、增大供油量：增加循环供油量，如果仍选取非增压的柴油泵，势必增加供油持续角，使燃烧程序拉长，经济性变坏。缩短供油连续时间的步骤有：增大柱塞直径、增加供油速率（使喷油泵凸轮廓线变陡）以及加大喷油器喷孔直径等。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，保证在汽缸空气密度增大的情形下有足够的射程，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，以致柴油发电机经济性和涡轮工作因素变坏。

　　（2）改变配气相位：合理增加气门重迭角，可加强气缸的扫气功能，有助于减小燃烧室零件的表面温度，增加充气系数，改进涡轮的工作因素。不过气门重迭角不宜过大。探讨表明，当气门重迭角超过80°主轴转角以后，其扫气效果不会进一步改善。而且，重迭角过量将使扫气空气量增加，加重了压气机的工作负担，导致柴油发电机在低速、低负荷时废气倒流，这对整机的加载及变工况性能不利；同时，当重迭角过度，为了防范气门与活塞相碰，要在活塞顶上挖过深的凹坑，使得燃烧恶化。

　　（3）减轻压缩比、增大过量空气系数：为了减小爆发压力，可以适当减轻压缩比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。增大过度空气系数，可降低热负荷，改善经济性。通常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，使各排烟互不干扰，排气管必须分支。分支的原则是一根排气管所连接各缸排烟必须不互相重迭（或重迭很少）。

　　（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，从而提高柴油发电机功率；另一方面也可以减轻柴油发电机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而减少了柴油发电机的热负荷和排烟温度。实践表明，增压空气每降低10℃，柴油发电机的循环平均温度可减小25～30℃，在增压器出口与入口的压力比为1.5～2时，供气量可以比不选取增压空气冷却的柴油发电机提升10％～18％。冷却增压空气的方法，通常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发电机。

　　（6）进、排气系统：柴油发电机增压后，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发电机性能。排烟管的设计形式也要相应地产生改变，如上节所述。

　　（7）冷却水路和润滑油路：柴油发电机增压后，应适当调整水泵的功率，提高水泵转速，增大水箱散热器的散热面积，增大风扇直径，改良风扇的叶片角，提高风扇速度等方法来降低热负荷；同时增大机油泵容量，增大机油冷却器的散热面积，改进机油盘通风等。

　　  在涡轮增压器与柴油发电机联合作业时，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。因为柴油发电机不一样工况要求压气机有不一样的供气能力，涡轮机做功的能力来源于柴油发电机排出废气的合理组织，而涡轮机的容量则全部为压气机所消耗。也可以说，柴油发电机发出一定的功率所需要的空气流量与增压比，正好是压气机所应供应的。

　　  为了使涡轮增压器与柴油发电机能够良好配合，使它们在各种工况下满意地作业，有两件事要做。

　　（1）根据柴油发电机的特定工况（如额定工况或最大转矩工况）河南康明斯发电机，确定其在压气机特点曲线上的位置（即根据柴油发电机购买合适类型的增压器）；

　　（2）要清除柴油发电机在整个运转区与增压器实现良好的配合。在这里，选好增压器是前提，增压器选得不良，柴油发电机可能达不到预期的增压效果。

　　  选择增压器时，可根据柴油发电机特定工况所需要的空气流量（包括扫气空气量）及压比，预判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点曲线的高效率区，即可初步选择增压器类型。

　　  与活塞式柴油发电机不同的是，在涡轮及压气机这类叶片机械中，叶片前缘的构成角由布置工况的气流参数决定。当工况变化致使气体流量变化，将使气体流入的方向偏离叶片前缘结构角的方向，出现撞击损失，使叶片机的有效率区变窄，于是不可能使柴油发电机所有工况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及到柴油发电机的某些特定工况。

　　  每一种涡轮增压器都有确定的作业范围。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，可能因为废气能量太高，使涡轮增压器超过机械强度允许的转速，或者由于排烟温度偏高，超过了涡轮机叶片所能承受的温度，使涡轮增压器受到了频率失控或超温的限制。由此决定了涡轮增压器一个大致确定的工作范围（如图2所示）。

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

　　  如果联合运转线与压气机特点曲线配合不够理想，需要进行局部调节，则常用的手段是改变涡轮喷嘴环出口截面积。例如，降低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有效率区（向喘振线靠近）。但上述调节是有限的，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。

　　涡轮增压器是现代柴油发电机的核心技术之一，它通过提升进气效率实现了更强动力、更低油耗、更清洗排放的平衡。尽管增加了系统复杂性，但其带来的性能特征使其成为中高功率柴油发电机的标准配置，尤其适合于对空间、环保和能耗有严格要求的运用场景。

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