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废气涡轮增压器的结构与工作原理
发布时间:2023-04-25 11:28:40  ▏阅读:

 

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柴油机废气涡轮增压器的结构与工作原理

 

康明斯公司在本文中以径流式废气涡轮增压器为例讲述其结构与工作原理。废气涡轮增压器由废气涡轮和压气机两部分组成,一般右边为废气涡轮,左边为压气机,两者同轴。涡轮机壳用耐热合金铸铁铸造而成,进气口端与气缸排气管道相连,出气口端与柴油机排烟口相连。压气机进气口端与柴油机进气口的空气滤清器相连,出气口端与气缸进气管道相连。

 

 

柴油机废气涡轮增压器原理图.png

图1 柴油机废气涡轮增压器原理图

1-废气涡轮;2-压气机;3-涡轮壳;4-喷嘴环;5-工作叶轮;6-传动轴;7-废气进口;8-空气

进口;9-压气机叶轮;10-扩压机;11-空气出口;12-排烟口

 

 

一、增压器的结构组成

 

(1)废气涡轮

废气涡轮通常由涡轮壳、喷嘴环和工作叶轮等组成。喷嘴环由喷嘴内环、外环和喷嘴叶片等组成。喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状。工作叶轮由转盘和叶轮组成,在转盘外缘固定有工作叶片。一个喷嘴环与相邻的工作叶轮组成一个“级”,仅有一个级的涡轮称单级涡轮,绝大多数增压器采用单级涡轮。

废气涡轮的工作原理如下所述:柴油机工作时,废气通过排气管,以一定的压力和温度流入喷嘴环,由于喷嘴环的通道面积逐渐减小,所以喷嘴环内废气的流速增高(尽管其压力和温度降低)。从喷嘴出来的高速废气进入叶轮叶片中的流道,气流被迫转弯。由于离心力的作用,气流压向叶片凹面而企图离开叶片,使叶片凹、凸面产生压力差,作用在所有叶片上压力差的合力对转轴产生一个冲击力矩,使叶轮沿该力矩的方向旋转,随后从叶轮流出的废气经涡轮中心从排气口排出。

(2)压气机

压气机主要由进气道、工作叶轮、扩压机和涡轮壳等组成。压气机与废气涡轮同轴,由废气涡轮带动,使工作涡轮高速旋转。工作涡轮是压气机的主要部件,通常它由前弯的导风轮和半开式工作轮组成,两部分分别装在转轴上。在工作轮上沿径向布置着直叶片,各叶片间形成扩张型的气流通道。由于工作轮的旋转使进气因离心力的作用而受到压缩,被抛向工作轮的外缘使空气的压力、温度和速度均升高。空气流经扩压器时,由于扩压作用将空气的动能转化成压力能,在排气涡轮壳中,空气的动能逐渐转化成压力能。就这样通过压气机使柴油机的进气密度得到了显著提高。

 

二、增压柴油机的性能

 

(1)柴油机增压后性能的改善 柴油机采用废气涡轮增压后,其性能的改善主要表现在以下几个方面:

① 动力性得到了提高

增压后,进入气缸的循环空气量大大增加,循环供油量便可相应增加,因而柴油机功率明显提高。涡轮增压可使柴油机功率提高30%~100%,甚至更高。与此同时,增压后,由于气体爆发压力的增大,摩擦损失有所增加,但柴油机有效功率增加得更多,因而使柴油机机械效率有所提高。因此,增压使得柴油机的动力性能大大提高。

② 经济性能得到了改善

增压后机械效率的提高使燃油消耗率有所降低。进气压力的提高不仅使扫气过程得以改善,且使泵吸功变为正功,也将使燃油消耗率下降。此外,增压后通常过量空气系数将相应提高,使燃烧更趋完善,也促使燃油消耗率有所下降。

③ 有害排放物有所降低

增压后,由于过量空气系数提高,使得混合气中含氧量相对增加,燃烧更为完全,废气中CO、碳氢化合物及烟度的含量有所下降。但是增压后,由于进气温度上升,尾气排放中的NOx的含量有所增加。此时,若采用增压中冷技术,则尾气排放中NOx的含量也会有所降低。因此,从整体上看,增压有利于降低排放。

(2)柴油机增压后带来的问题

柴油机增压后也将带来一些问题,主要表现为:

① 机械负荷增加

爆发压力是衡量柴油机机械负荷的主要标志之一。增压后压缩压力及爆发压力均有所提高,使机件载荷增大,磨损加剧。因此,应对增压后的爆发压力进行控制,并强化主要受力机件(曲柄连杆机构、曲轴和轴承等)的结构或材质。

② 热负荷增加

由于增压后进气量和喷油量的增加,总的燃烧能量增加,柴油机的热负荷加大;与此同时,由于进入增压柴油机气缸的压缩空气温度提高,最高燃烧温度和循环的平均温度提高;而且由于工质的密度增大,工质向壁面间的传热增大。以上这些因素都使得活塞组、气缸(壁)和排气门等零部件的热负荷加大,材料强度降低。实践证明,热负荷的影响往往比机械负荷更大,成为限制提高柴油机增压度的主要因素。

 

三、增压柴油机的使用注意事项

 

1、在某些增压机型上,为了进一步改善其低温起动性能,在柴油机的进气管上还设有进气预热装置,起动时应严格按照预热使用方法进行操作。

2、柴油机起动后,必须待机油压力升高后才可加速,否则易引起增压器轴承烧坏,尤其是更换润滑油、清洗增压器、滤清器或更换滤芯或停车一星期以上时,起动后在低速空转状态下,将增压器上的进油接头拧松些,待有润滑油溢出后再拧紧,再空转3~5min,方可加负荷。

3、对新的柴油机或调换增压器后,必须卸下增压器上的进油管接头,加注50~60mL机油,防止因缺油而烧坏增压器轴承。

4、应尽量避免长时间怠速运转,否则易引起增压器机油漏入压气机而导致排气管喷油。当然,柴油机在停车前,一定要先怠速运转2~3min,不允许突然停车,以防因增压器过热而造成增压器轴承咬死。

5、应利用柴油机停车后的瞬间监听增压器叶轮与壳体之间是否有碰擦声,如有应立即拆下增压器;检查轴承间隙是否正常。

6、必须保持增压柴油机进、排气管路的密封性,否则将影响柴油机的性能。应经常检查螺栓是否松动,胶管是否夹紧,必要时更换密封垫片。

 


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