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柴油发电机采用涡轮增压器的特点 |
摘要：搭载涡轮增压柴油发电机组给人的印象是比搭载自然吸气柴油发电机组强很多。使用涡轮增压器的柴油发电机的最大输出功率可以增加约40%甚至更多。此外，采用增压技术后，柴油发电机可以提高燃油经济性，减少废气排放。这是涡轮增压柴油发电机优缺点中最重要的优点。涡轮增压柴油发电机的增压装置并不复杂，由涡轮室和增压器组成。涡轮室的进气口与柴油发电机排气歧管相连，排气口与排气管相连。增压器的进气口连接空空气过滤管，出气口连接进气歧管。最后，涡轮和叶轮分别安装在涡轮室和增压器中，并同轴刚性连接。
1．进气压力增加
涡轮增压器是一种利用排气而不是柴油发电机动力推动空气泵或压气机的装置，由空气泵将增多的空气压入汽缸。柴油和汽油柴油发电机上都可采用涡轮增压器。图1所示为涡轮增压柴油发电机中空气和排气的典型简图。高速排气从排气门出来，穿过一个涡轮驱动的泵，推动排气涡轮快速转动，而排气涡轮又带动进气压气机快速转动。随着压气机涡轮的转动，它吸入了大量新鲜空气。进气被加压并被压入进气门。进气歧管中的升压过程被称为增压（Boost）。增压可以在进气歧管中产生较高的压力，压力因厂家而异。
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图1 柴油发电机涡轮增压器实例 |
2．功率提高
如果增加了相应数量的燃油，就会使功率大幅升高。图2中给出了涡轮增压柴油发电机和自然吸气柴油发电机之间对比的曲线图，转矩和功率在整个转速范围内都提高了。例如，在5000／min处，自然吸气柴油发电机产生大约80hp（1hp≈0.735kW，1lbf．ft≈1.35N．m）的功率。但在这个转速下，涡轮增压柴油发电机可以产生大约140hp的功率。
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图2 柴油发电机增压后功率和转矩增加 |
3．涡轮增压机械部件强化与废气能量
（1）部件强化
涡轮增压柴油发电机内部需要有一些变化，包括强化活塞、使用不同的活塞环，以及确保轴承能够承受更大的负荷。但是，涡轮增压和非涡轮增压柴油发电机都采用相同的压缩比和排放物及电子控制装置。
（2）废气能量分析
柴油机排出的废气具有一定的温度和压力。它所含的热量约占燃油燃烧放出热量的30％～37％，因此研究废气的能量及其有效利用是增压技术中的重要问题。
在理论上所能作的功为面积b-1-f-b，也就是排气开始时废气中的可用能。在换气过程中获得的能量为面积4-g-i-1-4。这部分能量对四冲程柴油机包括强制排气过程中的活塞推出功和燃烧室扫气阶段进入排气管的扫气空气所具有的能量两部分；而二冲程柴油机这部分能量为扫气期间扫气空气所作的功。值得注意的是，二冲程柴油机在排气开始后活塞继续下行，获得膨胀功，使废气可用能减少；在换气过程中没有活塞推出功补充废气能量，并且废气中掺混有很多扫气空气，使涡轮前气体温度降低，因而废气中的能量较少。
根据在废气涡轮中能量的利用情况，通常把废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力膨胀到膨胀能，称之为脉冲能。它是一种脉动的速度能，在排气管中以压力波的形式出现。另一部分是废气由压力膨胀到的膨胀能比，称之为定压能（亦称势能）。废气能量是脉冲动能和定压能之和。能量在总能量中所占的百分数随着增压压力的不同而不同。
4．进、排气管道变化
使用涡轮增压器后，进气管道就有所改变。排气通过排气歧管并进入涡轮增压器的排气涡轮。从排气涡轮开始，排气通过排气系统被送到外界大气中。 对于汽油机，空气穿过空气滤清器被吸入进气歧管。压缩空气通过管道被送到节气门体装置。空气和燃油在这里按照正确的比例混合。 使用了涡轮增压器后，进气管路会与典型的非增压柴油发电机有所不同。这个柴油柴油发电机上进、排气管路的设计使涡轮增压器能够放置在柴油发电机一侧，如图3所示。
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图3 增压柴油发电机进气管路示意图 |
5．功率延迟
与涡轮增压柴油发电机有关的一个问题被称为延迟。延迟是指涡轮增压器提高功率所需要的时间，这是节气门快速打开和实现增压之间的一个延迟，是从操作者要求额外功率到实际功率产生延迟的时间，这是因为涡轮转速升高和产生所需的功率需要一定的时间。发电机组上的涡轮增压器怠速工作转速为10000／min。在10000～15000Ymin范围内运转时增压最大，效率最高。涡轮增压器升高到这个最佳效率转速需要一些时间。
6．涡轮增压器废气旁通阀
废气旁通阀与涡轮增压器连通。废气旁通阀用于在涡轮增压器增压过高时旁通排气。增压过程压力过大会导致过分爆燃或柴油发电机损坏，甚至毁掉柴油发电机。废气旁通阀使排气绕过排气涡轮，此时，推动压气机涡轮的动力减少。而涡轮增压器的作用也就减小了，如图4所示。图中展示的是位于排气流中典型的废气旁通阀。废气旁通阀关闭时，排气穿过排气涡轮，柴油发电机现在处于涡轮增压状态。废气旁通阀打开时，排气就绕过排气涡轮。 废气旁通阀是常闭的。它打开时旁通排气，防止过度增压情况的出现。
当执行器上施加真空时，废气旁通阀打开。执行器由废气旁通阀控制阀控制，该阀由PCM控制脉动启闭。在正常工作条件下，控制电磁阀通电，这就是说排气通过排气涡轮。
在急加速时，增压压力可能会升高。当增压压力升高时，其值被歧管绝对压力（MAP）传感器感测到。PCM则在增压值高于15psi时动脉开启废气旁通阀控制阀。当废气旁通阀脉动启闭时，歧管压力减小。如果出现增压过大的情况，PCM还将减少供油量。
图5中展示了装在涡轮增压器上的废气旁通阀控制阀的控制原理。
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图4 柴油机增压器废气旁通阀 |
图5 柴油机增压器废气旁通阀控制原理图 |
7．中冷器
中冷器就是一个热交换器。它交换空气间的热量，常用在涡轮增压柴油发电机上，安装在涡轮增压器和燃烧室之间。图6中展示的就是一个中冷器的例子。当进气或压缩空气被外界空气冷却时，它就会变得体积更小或利用外界空气冷却压缩空气使其密度更大，这就允许将更多的空气压缩进入进气道。中冷器将空气冷却后，空气的密度就加大了。这样在特定的增压压力下，就会有更多的空气和燃油分子被压入燃烧室，其结果就是柴油发电机产生要多的功率。
在工作过程中，当空气被涡轮增压器增压时，它的温度随之升高。但是，当空气被送入中冷器后，外界的新鲜空气会将进气温度稍稍降低一些。
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图6 柴油机增压中冷器 |
8．排气温度
排气系统中的热量会使柴油发电机和排气系统恶化。随着要求柴油发电机更高的功率，排气温室通常高于1200℉。当柴油发电机配备了涡轮增压器时，排气温度通常稍稍降低一些，如图7所示。没有用涡轮增压器的柴油发电机其排气温度在1125～1250℉之间，而典型的涡轮增压柴油发电机的排气温度低到980～1110℉。这个更低的排气温度最终延长了排气门和排气系统的寿命。
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图7 柴油柴油发电机排气温度 |
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