引言：随着柴油发电机组向高功率密度、高经济性和轻量化方向持续发展，对进入气缸的空气量和密度提出了更高要求。柴油机输出功率的大小，取决于进入气缸的燃油和空气的数量及热能的有效利用率。在气缸容积保持不变的条件下，增加进入气缸的空气密度是提高输出功率的主要手段。空气密度与压力成正比、与温度成反比，因此增加进气压力、降低进气温度均能有效提高进气密度。目前，柴油机中普遍采用增压器来提高进气压力，并配合中冷器降低气体温度，以实现功率提升与热负荷控制的双重目标。
根据驱动增压器所用能量来源的不同，柴油发电机组的增压方法可分为四种类型。康明斯用户必须严格按照使用说明书的要求正确操作，充分发挥润滑油的三大作用（润滑、去污、冷却），尽量避免人为因素导致的增压器损坏与报废，从而保证增压器应有的使用寿命。本文系统阐述增压器的作用、分类及废气涡轮增压的两种基本形式，为柴油发电机组的增压系统选型与维护提供技术参考。
一、增压器的作用
所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力和平均有效压力。柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。增压技术的核心价值在于通过提高进气密度，在不改变排量的前提下实现功率提升、经济性改善和排放优化。其原理如图1所示。
1. 柴油机有效功率的决定因素与增压的切入点
（1）根据柴油机有效功率的计算公式，柴油机的有效功率与平均有效压力、气缸工作容积、气缸数、转速和冲程系数等参数密切相关。在传统的功率提升途径中，改变结构参数（增大缸径、行程或气缸数）受限于制造工艺、材料强度和安装空间；提高转速则受限于摩擦磨损、惯性力和可靠性。而提高平均有效压力是提升功率最直接、最经济的途径。
（2）平均有效压力反映了柴油机每工作循环单位气缸容积所作的有效功，其大小取决于两个因素：一是每循环进入气缸的新鲜空气量，二是燃油燃烧的热能有效利用率。其中，进入气缸的空气量是决定喷油量上限的根本约束——只有充足的氧气才能保证喷入的燃油完全燃烧。因此，增加进入气缸的空气量或提高其密度，是提高平均有效压力的物理基础。
（3）增压技术正是从这一物理基础出发，通过提高进气压力使空气密度增加，从而使更多的氧气进入气缸，支撑更多的燃油燃烧做功，实现功率提升。对于自然吸气柴油机，进气压力受大气压力限制，进气量有限；而增压柴油机通过压气机将空气压缩至0.13～0.40MPa甚至更高的压力，使进气密度提升30%～300%以上，功率提升幅度同样显著。
2. 提高进气密度的两种途径——增压与中冷的协同作用
（1）根据理想气体状态方程，空气密度与压力成正比、与温度成反比。因此，提高空气密度存在两条物理路径：一是提高进气压力（增压），二是降低进气温度（中冷）。
（2）增压器（压气机）工作时，空气被压缩的同时温度也随之升高——这是绝热压缩过程的必然结果。例如，当增压压力从0.1MPa提高到0.25MPa时，压缩终了温度可能从25℃上升至120℃以上。温度升高会部分抵消压力升高带来的密度增益，使增压效果打折扣。因此，在增压器后设置中冷器，利用冷却介质（海水或淡水）将增压空气冷却至40～60℃，可显著提高空气密度，进一步提升功率。
（3）中冷的另一重要作用是降低柴油机的循环平均温度和热负荷。增压柴油机的最高燃烧压力和排气温度均高于自然吸气机型，若不加以控制，活塞、气缸盖和排气门等热端部件将面临过热风险。中冷器通过降低进气温度，使整个工作循环的温度水平下降，不仅降低了热负荷，还有助于减少NOx排放（高温是NOx生成的主要条件）。因此，增压与中冷的组合已成为现代高性能柴油机的基本配置。
3. 增压对柴油机性能的综合影响
（1）功率提升。增压后进气密度增加，允许喷入更多的燃油，在燃烧效率不降低的前提下，有效功率可大幅提高。对于车用及发电用柴油机，增压后的功率提升幅度通常在30%～60%之间，配合中冷后可进一步提升至80%～100%甚至更高。
（2）经济性改善。废气涡轮增压利用的是排气中原本被浪费的能量，不直接消耗发动机的有效功率，因此机械效率得以维持或提高。同时，增压柴油机在相同的功率输出下排量更小，机械摩擦损失和散热损失相对减少，燃油消耗率通常可降低3%～10%。对于非增压改增压的机型，经济性改善尤为明显。
（3）排放改善。增压柴油机工作在较大的过量空气系数下，燃烧更充分，排气中的CO和HC浓度显著降低。配合中冷后，进气温度降低使燃烧温度下降，NOx排放也得到一定程度的抑制。但增压后NOx排放的变化与具体工况和增压程度有关，高增压时需配合EGR或后处理措施才能满足更严格的排放标准。
（4）低速扭矩和瞬态响应。增压柴油机的低速扭矩特性取决于增压器与柴油机的匹配质量。脉冲增压系统在低转速时能较好地利用排气脉冲能量，有助于改善低速扭矩；而定压增压系统在低转速时增压压力建立较慢，低速扭矩相对较差。瞬态响应（突加负载时功率提升的速度）同样是增压柴油机的重要性能指标，受增压器转动惯量和涡轮响应特性的制约。
4. 功率提升的理论依据与公式推导
（1）由有效功率公式可知，当结构参数（、、、）和转速保持不变时，功率与平均有效压力成正比。而平均有效压力与进气密度成正比关系，即，其中为充气效率，为进气密度，为燃烧效率相关项。
（2）增压后，进气密度从自然吸气的提高到（增压后的密度），相应地平均有效压力和功率按照同比例提升。若增压压力为，进气温度由通过中冷降至，则相对密度提升倍数为，功率提升幅度大致与此倍数成正比。这正是增压中冷技术能够大幅提升功率的理论依据。
（3）以一台增压压力为0.25MPa（绝对压力）、中冷后进气温度为50℃的增压柴油机为例，相对于自然吸气（0.1MPa、25℃），其进气密度提升倍数为倍，理论上功率可提升至自然吸气状态的2.3倍，实际受充气效率和热效率变化的影响，功率提升倍数通常为理论值的80%～90%。
5. 增压器的工程价值与应用边界
（1）增压器的应用使柴油机在功率输出、燃油经济性和重量功率比等方面实现了显著优化。尤其在发电用柴油机领域，增压技术使得机组在相同安装空间内可获得更大的功率输出，或为特定功率需求选用更小型号的发动机，降低设备成本和占地面积。
（2）增压器的工程应用也存在边界条件：增压压力的提高受到机械负荷和热负荷的限制，过高的增压压力将导致最高燃烧压力和排气温度超限，需对活塞、气缸盖、连杆和曲轴等部件进行强化设计；增压器的低速匹配和瞬态响应需要针对具体工况进行优化，不同的使用场景（固定转速发电、变速运行、突加负载等）对增压器的选型要求不同；此外，增压器本身属于高速旋转机械，对润滑、冷却和维护有较高要求，必须严格按照操作规程使用。
图1 柴油发电机增压系统原理图
二、增压器的分类
所谓增压，即用增压器（压气机）将柴油机的进气在缸外压缩后再送入气缸，以增加进气量，从而提高平均有效压力和功率。根据驱动增压器所用能量来源的不同，增压系统可分为以下四种类型。
1. 机械增压系统
（1）机械增压系统的增压器由柴油机通过齿轮、皮带或链条等传动装置驱动，将空气压缩后送入气缸。增压器通常采用离心式或罗茨式压气机。
（2）机械增压系统的特点：不增加柴油机的排气背压，但需在柴油机上安装一套传动装置，且要消耗柴油机的有效功率，使经济性有所下降。其优点是能改善低速转矩特性；增压器与柴油机容易匹配，结构紧凑，响应快；多用于小型柴油机上，增压压力一般不超过0.15～0.17MPa。当增压压力提高时，驱动压气机耗功过大，会使机械效率明显下降，经济性恶化。
2. 废气涡轮增压系统
（1）废气涡轮增压器由涡轮机和压气机组成，其外形如图2、图3所示。将柴油机排出的废气引入涡轮机，利用废气所含能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸。
（2）废气涡轮增压器与柴油机无机械联系，结构简单，工作可靠。柴油机采用废气涡轮增压后，热效率和机械效率提高，燃油消耗率下降，经济性改善；单位功率的重量降低，升功率增加；工作在较大的过量空气系数下，燃烧较完全，排气污染得到改善。因此，废气涡轮增压系统得到了广泛应用。
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图2 废气涡轮增压器左视图 |
图3 废气涡轮增压器右视图 |
3. 复合增压系统
复合增压系统是在废气涡轮增压器的基础上，同时应用机械增压器或其他辅助增压装置，以保证柴油机在启动和低转速低负荷时的扫气性能。复合增压系统主要有以下三种形式：
（1）串联增压系统。采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作。增压空气经过两级压缩：涡轮增压器为第一级，压气机从大气吸入空气进入中间冷却器冷却，然后进入往复压气机进行第二级压缩，再送入第二级空气冷却器冷却，最后送入柴油机扫气箱。该系统的优点是：柴油机起动容易，低负荷性能好；当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到70%～80%的标定转速，不须另设应急鼓风机。缺点是结构复杂、重量增加。
（2）串联旁通增压系统。部分串联增压——在扫气前期为串联增压，扫气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。利用柴油机活塞下部空间作为辅助压气机，与涡轮增压器串联作为第二级增压泵。扫气箱分成内外两部分：外侧空间与涡轮增压器相通，内侧空间与活塞下部空间相连通。主要优点是扫气效果好，可防止废气倒冲，低负荷性能比串联增压系统更优，结构也更为简单。
（3）并联增压系统。废气涡轮增压器与活塞下部空间并联工作，分别从机舱吸入空气并在其中压缩，经空气冷却器冷却后共同送入扫气箱。涡轮增压器所供空气约为增压空气量的75%～80%，其余由辅助增压泵供给。该系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降而工作性能差，增压器易喘振，因此后续改进取消了辅助增压泵，附设电动鼓风机与增压器串联供气。
4. 气波增压系统
（1）气波增压器有一个特殊形状的转子，由柴油机曲轴通过传动带驱动。在转子中，柴油机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。
（2）气波增压器结构简单、加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料也无需冷却。与涡轮增压相比，低速转矩特性好。缺点是体积大、噪声高、安装位置受限。该系统仍处于进一步开发研究阶段，尚未得到广泛应用。
三、废气涡轮增压的两种基本形式
根据废气进入涡轮的方式不同，废气涡轮增压可分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压两种基本形式。
1. 定压涡轮增压
（1）定压涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力基本为稳定状态。柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮装在排气总管后面。废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，工作稳定，效率高。
（2）定压增压只利用了废气能量中的定压能，而未利用脉冲动能。脉冲动能在排气流动中因排气口（阀）的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分损失掉，仅小部分转化为热能。因此，废气能量利用相对较少。尤其是柴油机在低负荷或起动时，因排气管压力低、废气能量少，涡轮发出的功率满足不了压气机所需功率，柴油机需另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要。
（3）定压增压的适用场合：高增压时均采用定压增压。如Sulzer公司RND型以后的新机型、B&W公司KGF型以后的新机型，均采用定压涡轮增压。定压增压也是目前增压系统的发展方向。
2. 脉冲涡轮增压
（1）脉冲涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态。在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细。
（2）脉冲增压除了可利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，废气能量利用增多，有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡。扫气阶段正好是排气管中的低压阶段，扫气箱与排气管间压差较大，有利于扫气，即使低负荷时也是如此。但由于涡轮在不稳定工况下工作，效率较低。
（3）排气干扰问题与分组原则。在多缸柴油机的脉冲增压系统中，若各缸排气均排入一根排气管，会产生扫、排气相互干扰——某缸扫气时相邻缸正好排气，排气压力波会使该缸排气背压升高，严重影响扫气。若每缸各自向单独的排气管排气，虽消除干扰但使涡轮供气间断、效率降低。解决之道在于排气管合理分组，原则是避免同组内各缸的排气与扫气互相干扰。脉冲增压最适合于气缸数为3的倍数的柴油机。例如某二冲程六缸柴油机发火顺序为1-6-2-4-3-5，各缸发火间隔角60°，可将1、2、3缸分为一组，4、5、6缸分为另一组。
（4）脉冲增压的适用场合：在低、中增压时（增压压力介于0.13～0.20MPa之间），采用脉冲增压可更多地利用废气能量。虽然在结构、管理、涡轮效率等方面有缺点，但与优点相比属于次要因素，因此该增压压力范围内的柴油机绝大多数采用脉冲增压。大型低速二冲程柴油机的脉冲增压系统通常采用多台增压器；四冲程柴油机为使结构布置紧凑，往往只采用一台脉冲涡轮增压器，并将涡轮喷嘴环分隔开，采用多进口布置方案以防止排气干扰。
3. 两种增压方式的比较
在不同的增压压力下应当采用不同的增压方式。低、中增压时（0.13～0.20MPa），脉冲增压能更多地利用废气能量，因此绝大多数采用脉冲增压。随着增压压力提高，定压能比例随之增高，脉冲增压在废气能量利用方面的优势不复存在，而结构、布置、涡轮效率等方面的问题上升为首要因素。因此，高增压时均采用定压增压，这也是目前增压系统的发展方向。
结语
柴油发电机组增压系统的选型直接影响发动机的功率输出、燃油经济性、热负荷及低负荷性能。机械增压结构紧凑、响应快，适用于小型机和低速扭矩改善；废气涡轮增压利用排气能量、不消耗有效功率，是应用最广泛的技术路线，其中脉冲增压在中低增压时废气能量利用更充分，定压增压则在高增压时效率和可靠性更优，为当前发展方向；复合增压适用于大型二冲程机等特殊场景。在实际工程中，应根据柴油机功率等级、转速范围、负荷特性和空间布置条件，综合分析各增压方式的优缺，选定最适配的方案。无论采用何种方式，规范的维护与操作都是保障增压器使用寿命的基本前提。
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