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渦輪增壓器比自然吸氣柴油機(jī)好在哪里?
發(fā)布時(shí)間:2023-04-19 16:29:54  ▏閱讀:

 

新聞主題

柴油發(fā)電機(jī)采用渦輪增壓器的特點(diǎn)

 

摘要:搭載渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)組給人的印象是比搭載自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)組強(qiáng)很多。使用渦輪增壓器的柴油發(fā)電機(jī)的最大輸出功率可以增加約40%甚至更多。此外,采用增壓技術(shù)后,柴油發(fā)電機(jī)可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性,減少?gòu)U氣排放。這是渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)中最重要的優(yōu)點(diǎn)。渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)的增壓裝置并不復(fù)雜,由渦輪室和增壓器組成。渦輪室的進(jìn)氣口與柴油發(fā)電機(jī)排氣歧管相連,排氣口與排氣管相連。增壓器的進(jìn)氣口連接空空氣過(guò)濾管,出氣口連接進(jìn)氣歧管。最后,渦輪和葉輪分別安裝在渦輪室和增壓器中,并同軸剛性連接。

 

1.進(jìn)氣壓力增加

 

渦輪增壓器是一種利用排氣而不是柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力推動(dòng)空氣泵或壓氣機(jī)的裝置,由空氣泵將增多的空氣壓入汽缸。柴油和汽油柴油發(fā)電機(jī)上都可采用渦輪增壓器。圖1所示為渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)中空氣和排氣的典型簡(jiǎn)圖。高速排氣從排氣門出來(lái),穿過(guò)一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)的泵,推動(dòng)排氣渦輪快速轉(zhuǎn)動(dòng),而排氣渦輪又帶動(dòng)進(jìn)氣壓氣機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著壓氣機(jī)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng),它吸入了大量新鮮空氣。進(jìn)氣被加壓并被壓入進(jìn)氣門。進(jìn)氣歧管中的升壓過(guò)程被稱為增壓(Boost)。增壓可以在進(jìn)氣歧管中產(chǎn)生較高的壓力,壓力因廠家而異。

 

 

柴油發(fā)電機(jī)渦輪增壓器實(shí)例.png

圖1 柴油發(fā)電機(jī)渦輪增壓器實(shí)例

 

 

2.功率提高

 

如果增加了相應(yīng)數(shù)量的燃油,就會(huì)使功率大幅升高。圖2中給出了渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)和自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)之間對(duì)比的曲線圖,轉(zhuǎn)矩和功率在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都提高了。例如,在5000/min處,自然吸氣柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生大約80hp(1hp≈0.735kW,1lbf.ft≈1.35N.m)的功率。但在這個(gè)轉(zhuǎn)速下,渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生大約140hp的功率。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后功率和轉(zhuǎn)矩增加.png

圖2 柴油發(fā)電機(jī)增壓后功率和轉(zhuǎn)矩增加


 

3.渦輪增壓機(jī)械部件強(qiáng)化與廢氣能量

 

(1)部件強(qiáng)化

渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)部需要有一些變化,包括強(qiáng)化活塞、使用不同的活塞環(huán),以及確保軸承能夠承受更大的負(fù)荷。但是,渦輪增壓和非渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)都采用相同的壓縮比和排放物及電子控制裝置。

(2)廢氣能量分析

柴油機(jī)排出的廢氣具有一定的溫度和壓力。它所含的熱量約占燃油燃燒放出熱量的30%~37%,因此研究廢氣的能量及其有效利用是增壓技術(shù)中的重要問(wèn)題。

在理論上所能作的功為面積b-1-f-b,也就是排氣開(kāi)始時(shí)廢氣中的可用能。在換氣過(guò)程中獲得的能量為面積4-g-i-1-4。這部分能量對(duì)四沖程柴油機(jī)包括強(qiáng)制排氣過(guò)程中的活塞推出功和燃燒室掃氣階段進(jìn)入排氣管的掃氣空氣所具有的能量?jī)刹糠?;而二沖程柴油機(jī)這部分能量為掃氣期間掃氣空氣所作的功。值得注意的是,二沖程柴油機(jī)在排氣開(kāi)始后活塞繼續(xù)下行,獲得膨脹功,使廢氣可用能減少;在換氣過(guò)程中沒(méi)有活塞推出功補(bǔ)充廢氣能量,并且廢氣中摻混有很多掃氣空氣,使渦輪前氣體溫度降低,因而廢氣中的能量較少。

根據(jù)在廢氣渦輪中能量的利用情況,通常把廢氣的能量分成兩部分:一部分是廢氣由壓力膨脹到膨脹能,稱之為脈沖能。它是一種脈動(dòng)的速度能,在排氣管中以壓力波的形式出現(xiàn)。另一部分是廢氣由壓力膨脹到的膨脹能比,稱之為定壓能(亦稱勢(shì)能)。廢氣能量是脈沖動(dòng)能和定壓能之和。能量在總能量中所占的百分?jǐn)?shù)隨著增壓壓力的不同而不同。

 

4.進(jìn)、排氣管道變化

 

使用渦輪增壓器后,進(jìn)氣管道就有所改變。排氣通過(guò)排氣歧管并進(jìn)入渦輪增壓器的排氣渦輪。從排氣渦輪開(kāi)始,排氣通過(guò)排氣系統(tǒng)被送到外界大氣中。 對(duì)于汽油機(jī),空氣穿過(guò)空氣濾清器被吸入進(jìn)氣歧管。壓縮空氣通過(guò)管道被送到節(jié)氣門體裝置??諝夂腿加驮谶@里按照正確的比例混合。 使用了渦輪增壓器后,進(jìn)氣管路會(huì)與典型的非增壓柴油發(fā)電機(jī)有所不同。這個(gè)柴油柴油發(fā)電機(jī)上進(jìn)、排氣管路的設(shè)計(jì)使渦輪增壓器能夠放置在柴油發(fā)電機(jī)一側(cè),如圖3所示。  

 

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路示意圖.png

圖3 增壓柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣管路示意圖

 

 

5.功率延遲

 

與渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)有關(guān)的一個(gè)問(wèn)題被稱為延遲。延遲是指渦輪增壓器提高功率所需要的時(shí)間,這是節(jié)氣門快速打開(kāi)和實(shí)現(xiàn)增壓之間的一個(gè)延遲,是從操作者要求額外功率到實(shí)際功率產(chǎn)生延遲的時(shí)間,這是因?yàn)闇u輪轉(zhuǎn)速升高和產(chǎn)生所需的功率需要一定的時(shí)間。發(fā)電機(jī)組上的渦輪增壓器怠速工作轉(zhuǎn)速為10000/min。在10000~15000Ymin范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)增壓最大,效率最高。渦輪增壓器升高到這個(gè)最佳效率轉(zhuǎn)速需要一些時(shí)間。

 

6.渦輪增壓器廢氣旁通閥

 

廢氣旁通閥與渦輪增壓器連通。廢氣旁通閥用于在渦輪增壓器增壓過(guò)高時(shí)旁通排氣。增壓過(guò)程壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)分爆燃或柴油發(fā)電機(jī)損壞,甚至毀掉柴油發(fā)電機(jī)。廢氣旁通閥使排氣繞過(guò)排氣渦輪,此時(shí),推動(dòng)壓氣機(jī)渦輪的動(dòng)力減少。而渦輪增壓器的作用也就減小了,如圖4所示。圖中展示的是位于排氣流中典型的廢氣旁通閥。廢氣旁通閥關(guān)閉時(shí),排氣穿過(guò)排氣渦輪,柴油發(fā)電機(jī)現(xiàn)在處于渦輪增壓狀態(tài)。廢氣旁通閥打開(kāi)時(shí),排氣就繞過(guò)排氣渦輪。 廢氣旁通閥是常閉的。它打開(kāi)時(shí)旁通排氣,防止過(guò)度增壓情況的出現(xiàn)。

當(dāng)執(zhí)行器上施加真空時(shí),廢氣旁通閥打開(kāi)。執(zhí)行器由廢氣旁通閥控制閥控制,該閥由PCM控制脈動(dòng)啟閉。在正常工作條件下,控制電磁閥通電,這就是說(shuō)排氣通過(guò)排氣渦輪。

在急加速時(shí),增壓壓力可能會(huì)升高。當(dāng)增壓壓力升高時(shí),其值被歧管絕對(duì)壓力(MAP)傳感器感測(cè)到。PCM則在增壓值高于15psi時(shí)動(dòng)脈開(kāi)啟廢氣旁通閥控制閥。當(dāng)廢氣旁通閥脈動(dòng)啟閉時(shí),歧管壓力減小。如果出現(xiàn)增壓過(guò)大的情況,PCM還將減少供油量。

圖5中展示了裝在渦輪增壓器上的廢氣旁通閥控制閥的控制原理。  

 

柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥.png

圖4 柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥

柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥控制原理圖.png

圖5 柴油機(jī)增壓器廢氣旁通閥控制原理圖

 

 

7.中冷器

 

中冷器就是一個(gè)熱交換器。它交換空氣間的熱量,常用在渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)上,安裝在渦輪增壓器和燃燒室之間。圖6中展示的就是一個(gè)中冷器的例子。當(dāng)進(jìn)氣或壓縮空氣被外界空氣冷卻時(shí),它就會(huì)變得體積更小或利用外界空氣冷卻壓縮空氣使其密度更大,這就允許將更多的空氣壓縮進(jìn)入進(jìn)氣道。中冷器將空氣冷卻后,空氣的密度就加大了。這樣在特定的增壓壓力下,就會(huì)有更多的空氣和燃油分子被壓入燃燒室,其結(jié)果就是柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生要多的功率。   

在工作過(guò)程中,當(dāng)空氣被渦輪增壓器增壓時(shí),它的溫度隨之升高。但是,當(dāng)空氣被送入中冷器后,外界的新鮮空氣會(huì)將進(jìn)氣溫度稍稍降低一些。

 

柴油機(jī)增壓中冷器.png

圖6 柴油機(jī)增壓中冷器

 

 

8.排氣溫度

 

排氣系統(tǒng)中的熱量會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)和排氣系統(tǒng)惡化。隨著要求柴油發(fā)電機(jī)更高的功率,排氣溫室通常高于1200℉。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)配備了渦輪增壓器時(shí),排氣溫度通常稍稍降低一些,如圖7所示。沒(méi)有用渦輪增壓器的柴油發(fā)電機(jī)其排氣溫度在1125~1250℉之間,而典型的渦輪增壓柴油發(fā)電機(jī)的排氣溫度低到980~1110℉。這個(gè)更低的排氣溫度最終延長(zhǎng)了排氣門和排氣系統(tǒng)的壽命。  

 

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度.png

圖7 柴油柴油發(fā)電機(jī)排氣溫度

 

 


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