摘要：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的进气增压技术得以在柴油发电机上广泛应用。本文系统阐述进气增压技术的优点、各类增压装置的结构与工作原理，以及增压后中冷装置的作用，为柴油发电机增压技术的选型与应用提供技术参考。
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，使空气密度增大。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。
1. 功率与转矩的显著提升
（1）增压技术通过提高进气密度，使气缸内参与燃烧的氧气量增加，允许喷入更多的燃油并实现更充分的燃烧。在相同排量下，增压发动机的升功率（每升排量输出的功率）可比自然吸气发动机提高20%～60%，具体提升幅度取决于增压压力和增压器的匹配效率。
（2）增压发动机的转矩特性得到明显改善。自然吸气发动机的最大转矩通常出现在中速区域（约60%～70%额定转速），而增压发动机可在更宽的转速范围内保持较高的转矩输出，形成“平顶”转矩曲线，使发电机组在负载变化时具有更好的频率稳定性和瞬态响应能力。
（3）增压技术使小排量发动机替代大排量自然吸气发动机成为可能。一台排量8 L的增压中冷柴油机，其功率输出可与一台排量12 L的自然吸气柴油机相当，同时体积更小、重量更轻、成本更低，有利于发电机组的小型化和轻量化设计。
2. 燃油经济性的改善
（1）增压发动机通过提高过量空气系数，使燃烧更为充分，燃油消耗率显著降低。在额定工况下，增压中冷柴油机的有效燃油消耗率可比自然吸气机型降低5%～8%，在部分负荷工况下（如发电机组通常运行的75%负载点），改善幅度更为明显。
（2）废气涡轮增压器利用排气能量驱动压气机，不直接消耗发动机的有效功率（与机械增压不同），因此增压过程本身不会产生额外的机械损失。相反，增压后更充分的燃烧减少了排气中的未燃损失，提高了指示热效率。
（3）增压发动机可在更宽的负载范围内保持较低的燃油消耗率，其经济区（燃油消耗率低于210 g/kW·h的范围）通常覆盖40%～100%的负载区间，而自然吸气发动机的经济区则较窄（通常仅为60%～85%负载），这对发电机组常用功率范围内的经济运行尤为有利。
3. 排放性能的优化
（1）增压后进气量增加，过量空气系数增大，使燃烧室内的氧气充足，可有效减少碳烟（PM）的生成。研究表明，在相同功率输出下，增压发动机的颗粒物排放可比自然吸气发动机降低30%～50%。
（2）增压后的进气温度升高（通过中冷器可降温），结合更高的压缩终点温度，可使燃烧过程更加平稳，减少滞燃期的预混合燃烧比例，从而降低NOx的生成倾向。配合中冷技术后，增压中冷发动机的NOx排放可比非增压机型降低15%～25%。
（3）增压技术结合高压共轨喷射和后处理系统（DOC+DPF+SCR），可使柴油发电机组满足EPA Tier 4 Final和EU Stage V等最严格排放标准，实现清洁发电。
4. 高原适应性的增强
（1）自然吸气发动机在海拔升高时功率显著下降（海拔每升高1000 m，功率下降约7%～12%），而增压发动机可通过提高增压压力来补偿因空气密度降低导致的进气量减少，使功率下降幅度减小至每千米4%～7%。
（2）在海拔3000 m以上的高原地区，增压中冷发动机仍能保持标定功率的80%～85%，而自然吸气发动机仅能维持标定功率的65%～70%，增压技术的应用可有效改善高原地区的发电可靠性。
5. 燃烧噪声的降低
（1）增压发动机的压缩冲程中，较高的进气压力使活塞在上止点附近的压力升高率降低，滞燃期缩短，预混合燃烧的比例减少，从而降低了柴油机的燃烧噪声（即“敲缸”声）。
（2）采用增压中冷技术后，柴油机的燃烧噪声通常可比自然吸气机型降低3～5 dB(A)，对于设置在居民区附近的发电机组，这一降噪效果具有重要的环境意义。
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。
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。在发动机低转速工况下，机械增压即可提供充足的增压压力，有效改善低速扭矩特性。但是由于受发动机驱动，消耗了部分发动机动力（约5%～10%的额定功率），转速受发动机限制，发动机功率提升效果没有废气涡轮增压明显，适用于对低速响应要求高、对高速功率要求不苛刻的场合。
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最多的一类增压装置。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从气缸内排出的炽热废气，与排气歧管相连；涡轮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。
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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，从而压缩空气。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，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%，在增压中冷配合下，功率提升量可达40%～60%。
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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（废气中约30%～37%的热量），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，即提高了机械效率，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约3～5 dB(A)。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100000 r/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（即轴承与轴颈之间存在一层完整的油膜，使轴完全悬浮），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（部分机型采用机油冷却，通过机油冷却器降温）。
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（存在涡轮迟滞现象）。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1500 r/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3500 r/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，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，多用于高端大功率发电机组和高性能船用发动机。
4. 电动涡轮增压装置
电动涡轮增压装置是近年来随着48 V电气系统发展而出现的新型增压技术。该装置由高速电机直接驱动压气机叶轮，利用车载电能（48 V蓄电池或发电机）提供动力，在发动机启动和低转速工况下即时提供增压压力，有效消除涡轮迟滞。其优点是响应速度极快（毫秒级）、不受废气流量限制，可在全转速范围内提供可控的增压压力。缺点是电能消耗增加、对48 V电气系统有要求、电机及控制器的成本较高。目前该技术正在逐步从乘用车领域向商用车和发电机组领域扩展，是大功率发动机增压技术的一个重要发展方向。
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 ℃（在较高增压比下可达100～150 ℃），如图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。其位置与布局如图6所示。
1. 中冷器的工作原理与热力学效益
（1）中冷器本质上是一个气-气或气-液热交换器，其核心功能是降低增压空气的温度，增加空气密度。根据理想气体状态方程 ，在压力一定的情况下，温度每降低10 K（约10 ℃），空气密度约增加3.4%。以增压后空气温度从150 ℃降至50 ℃为例，密度增加约25%，相当于在相同增压压力下多获得25%的空气质量。
（2）中冷器可降低发动机的热负荷。进气温度降低后，压缩终了的混合气温度下降，燃烧室壁面（缸盖、活塞顶部、缸套）的热负荷减小，有利于延长热端部件的使用寿命。在相同功率输出下，中冷后的缸盖温度可比非中冷增压机型降低10～15 ℃。
（3）中冷器可抑制NOx的生成。NOx的生成速率与燃烧温度呈指数关系，中冷后进气温度降低，使最高燃烧温度下降，从而减少热力型NOx的生成量。研究表明，中冷技术可使NOx排放降低10%～20%，是实现排放达标的重要辅助手段。
（4）中冷器可改善发动机在高负荷、高转速工况下的爆震倾向。较低的进气温度延长了着火滞燃期，使燃烧过程更加平稳，压力升高率降低，燃烧噪声和机械冲击减小。
2. 空-空中冷器与水-空中冷器的对比
（1）空-空中冷器：其结构相对简单，由散热管、散热带和端板组成，制造成本较低，维护方便，无需额外的冷却液循环系统。其缺点是冷却效率受环境温度影响较大，在高温环境（环境温度超过40 ℃）下，冷却效果下降。空-空中冷器在发电机组中应用最为广泛，尤其适用于中小功率机组（500 kW以下）和备用电源场景。
（2）水-空中冷器：利用发动机冷却液或独立的低温水循环系统对增压空气进行冷却。其换热效率高于空-空中冷器，冷却效果更稳定，受环境温度影响较小。尤其在高温环境下，水-空中冷器可将增压空气温度稳定控制在50 ℃以下。其缺点是结构复杂，需要额外的冷却液管路、水泵和散热器，成本较高，且增加了冷却系统的热负荷。水-空中冷器主要应用于大功率发电机组（1 MW以上）和连续运行的常用电源场景。
（3）冷却效果的工程指标：空-空中冷器在额定工况下的冷却效率通常为75%～85%，出口温度比环境温度高15～25 ℃；水-空中冷器的冷却效率可达85%～95%，出口温度可比环境温度高5～10 ℃，控温精度更高。
3. 中冷器的安装与维护要点
（1）中冷器应布置在散热器（水箱）的前方或与散热器并排安装，以保证获得充分的冷却空气。空-空中冷器的迎风面积不应小于散热器面积的50%，以确保足够的冷却空气流量。
（2）中冷器的进气管路应尽量短而直，减少弯头数量，避免因管路阻力过大造成增压压力损失。中冷器进出口压差不应超过12.5～20 kPa，否则表明中冷器芯体堵塞或管路布置不合理。
（3）中冷器应定期清洁和维护，清除散热片表面的油污、灰尘和杂物。清洁时应使用低压水枪垂直冲洗（水压不超过0.3 MPa），或使用压缩空气从内侧向外侧吹拂，严禁使用高压水枪或金属刷清理，以防损伤散热翅片。
（4）对于水-空中冷器，应定期检查冷却液侧的水垢和结垢情况，必要时使用专用清洗剂进行化学清洗。空-空中冷器应每年至少清洁一次，在高粉尘环境中应缩短至半年一次。
（5）中冷器出气管路上应设置进气温度传感器，实时监测进入气缸的空气温度。当进气温度持续高于环境温度+50 ℃时，应检查中冷器是否堵塞或冷却介质流量是否不足。
图6 中冷器连接及布置示意图
总结
柴油发电机进气增压技术通过对进入气缸的空气进行预压缩，显著提高了充气密度和进气质量，从而实现了功率和转矩的大幅提升（20%～60%）。机械增压装置响应迅速但消耗发动机功率；废气涡轮增压装置利用排气能量、节能高效但在低转速时存在增压延迟；复合增压装置结合两者优点但结构复杂成本高；电动涡轮增压装置响应极快但依赖48 V电气系统，是未来的发展方向。增压后的空气因压缩升温而膨胀，需要通过中冷器进行冷却（空-空中冷或水-空中冷），以恢复密度、提升充气效率（温度每降低10 ℃功率提升3%～5%）。中冷器不仅改善充气效率，还降低热负荷和NOx排放，对发动机的可靠性和排放性能具有重要贡献。各类增压技术各有适用场景，废气涡轮增压中冷技术是目前柴油发电机组最成熟、应用最广泛的方案。在实际选型中，应根据机组的功率要求、转速范围、成本预算和维护能力，合理选用增压方案，并确保增压系统的润滑和冷却条件满足要求（全浮动轴承、机油压力不低于0.2 MPa、涡轮进口温度不超过750 ℃），以保障增压器的长期可靠运行。
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