康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

柴油发电机增压器的种类和优点

 

柴油发电机的功率和转矩大小与进入燃烧室的空气和燃油多少有直接的关系，虽然自然吸气式柴油发电机没有类似于汽油机节气门的进气节流装置，但其充气效率依然受制于大气压的限制，充气效率依然低于100％，升功率指标并不显著。因此，以改善充气效率为手段，提升发动机动力为目的进气增压技术得以在柴油发电机上应用。

一、增压的优点

 

柴油发电机的增压装置就是采用一套增压器，对进入气缸前的空气进行预压缩，使空气密增大，这样，空气进入气缸后，其密度、压强、质量均比在自然吸气条件下增大了。在气缸容积一定的情况下，充气密度越大，新鲜空气的充入量越多；在满足燃油供给的条件下，混合气燃烧爆发推动活塞的力量会更大，因此柴油发电机能输出更大的功率和转矩。相比于同排量的自然吸气柴油发电机，增压发动机在最高功率和最大转矩上能有20％～40％的提升量。同时，压缩终了时更高的混合气压强有利于提高燃烧效率，会导致更多的燃气做功转化为机械能，因此，增压发动机的机械效率普遍高于自然吸气式发动机。一台小排量的增压发动机经增压后，其功率和转矩可与一台较大排量的自然吸气式发动机相当。另外，发动机在采用了增压技术后，还能一定程度地提高燃油经济性和降低尾气排放。

 

二、增压装置的种类及工作原理

 

进气增压装置最核心的部件是增压器。增压器用于对吸入的空气进行压缩，增压器可以采用曲轴通过传动装置机械驱动，也可采用排气管的炽热废气进行驱动。因此，根据驱动力的不同柴油发电机的增压装置可分为机械增压装置、废气涡轮增压装置、复合增压装置和电动涡轮增压装置。

 

1、机械增压装置

 

机械增压装置安装在发动机上并由传动带与发动机曲轴相连接。发动机曲轴通过传动带驱动压气机的带轮，带轮通过轴将动力传动到压气机的上转子。在轴上设计有一个主动齿轮，与同齿数的从动齿轮啮合，从动齿轮通过轴连接到压气机下转子。因此，压气机的上、下转子等速反向旋转，转子上的叶片推动空气。空气从图4-18所示的1部分进入，随双转子旋转到2位置，再从3位置排出，实现了将空气增压并推到进气歧管里。机械增压装置的优点是压气机的转速和发动机转速同步，响应迅速，没有动力滞后的现象，动力输出非常流畅。但是由于受发动机驱动，转速不高，发动机功率提升效果没有废气涡轮增压明显。而且，当机械增压器工作时，消耗了部分发动机的动力，发动机燃料经济性会受到一些影响。

 

2、废气涡轮增压装置

 

废气涡轮增压装置是目前在柴油发电机上应用较多的一类增压装置。该装置是由涡轮室和增压器组成的。废气涡轮增压装置与发动机的连接如图1所示。涡轮室的进气口承接的是从气缸内排出的炽热废气，故排气歧管相连，涡流室的排气口接到发电机组排气管上，工作后的废气从排气管排出；增压器的进气口与空气滤清器管道相连，吸入新鲜空气，出气口接在进气歧管上。若将废气涡轮增压装置平面布置，则如图2所示。

图1 废气涡轮增压器连接图

图2 废气涡轮增压器连接平面图

 

由图3可知，涡轮室内受废气冲击旋转的涡轮是主动件，通过一根轴刚性连接到增压器内的压气机叶轮，因此，叶轮是从动件，被涡轮带动旋转，与离心式水泵同样的原理，叶轮中央也会产生低压区，吸入新鲜空气，再将空气沿半径方向高速甩出，从而挤压了空气密度，压缩了空气。由图4可见，涡轮增压装置利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。装置与发动机无任何机械联系，涡轮和叶轮的转速取决于废气的量和冲击速度。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及转矩会增大20％～30％。

 

图3 废气涡轮增压器结构图

图4 废气涡轮增压器原理图

 

废气涡轮增压装置是利用发动机废气的冲击能量工作的，这些废气的能量如果不加以利用也会被排放而白白浪费。废气涡轮增压装置很好地利用了这一部分能量，对发动机经济性能的改善有一定的帮助。柴油发电机使用了涡轮增压器后发动机升功率提高，油耗率降低，排污减少，指示功率和有效功率都提高了，也就是提高了机械效率，自然可以明显改善高负荷区运行的经济性。涡轮增压器不仅使功率范围增大，而且高负荷的经济运行范围也扩大了。采用废气涡轮增压装置对经常满负荷高速运转的重型柴油发电机发电机组十分有利。涡轮增压器由于滞燃期短、压力升高率低，可以使燃烧噪声降低。对于中、轻型载货柴油发电机发电机组及经常处于中等负荷或部分负荷运转的柴油发电机发电机组也是有利的。

 

由于受炽热废气的冲击，涡轮的工作温度达到600～800℃，且在废气的冲击下，涡轮最高转速可以达到100000r/min以上，要比机械增压装置的转子转速高许多。如此高的转速和温度对增压装置的材质、加工精度、润滑和冷却都提出了非常高的要求。普通的机械滚针或滚珠轴承无法承受如此高的转速，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，利用发动机润滑油的压力的支持，使连接涡轮和叶轮的中间轴旋转时“悬浮”在轴承孔内。与此同时，发动机润滑油给予良好的润滑，避免高速条件下的磨损，如图5所示。为了给增压器降温，还导入发动机冷却液来进行冷却。

 

图5 润滑油涡轮增压器示意图

 

3、复合增压装置

 

复合增压装置即在一台发动机上同时采用了废气涡轮增压和机械增压两种增压装置。机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；废气涡轮增压装置在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时增压效果不明显。若把两种增压技术结合在一起，取长补短，弥补各自的不足，就可以同时解决低速转矩和高速功率输出的问题，由此有了复合增压装置。该装置在大功率柴油发电机上应用比较多。在转速较低时，由机械增压提供大部分的增压压力，在1500r/min时，两个增压器同时提供增压压力。随着转速的提高，涡轮增压器能使发动机获得更大的功率，与此同时，机械增压器的增压压力逐渐降低。机械增压装置可以通过电磁离合器控制进行动力切断，在转速超过3500r／min时，由涡轮增压器提供所有的增压压力，此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发动机分离，防止消耗发动机功率。采用了这一系统，其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小。与此同时，复合增压装置结构较为复杂，技术含量高，维修保养不容易，在目前条件下尚难以普及。

 

三、增压后的中冷装置

 

增压后的空气，因增压器叶片对其做功及受到发动机工作时热传递的影响，其内能增加。因此，气体温度会上升至60～80℃（图6所示）。升温后的空气体积膨胀，反过来又制约了充气效率，即充入容积一定的气缸后，因为体积膨胀的原因，高温的空气要比温度低的空气质量要少。从这点来说，高温膨胀的空气削弱了增压的效果。为了避免这一负面影响，对增压后的空气进行冷却，使其温度下降、体积收缩，对提升充气效率是非常有必要的。因此，增压柴油发电机在增压器之后，会设置一个热交换装置来冷却增压后的空气，此装置称为中央冷却系统，简称中冷器。中冷器一般布置于发动机的前端，利用迎面的外界空气对流对增压后的空气进行冷却降温，如图4-27所示。温度下降后，增压空气的密度增大，抵消了体积膨胀，改善了充气效率。

 

中冷器连接及布置示意图

 

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