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柴油发电机涡轮增压器的结构分类和工作原理 |
增压器（压气机）由柴油发电机直接驱动的增压方式称为机械增压系统。它由柴油发电机的曲轴通过齿轮、皮带或链条等传动装置带动增压器旋转。增压器通常采用离心式压气机或罗茨压气机。空气经压缩提高其压力后，再送入汽缸。由于机械增压系统压气机所消耗的功率是由曲轴提供的，当增压压力较高时，所耗的驱动功率也会很大，使整机的机械效率下降。因此，机械增压系统通常只适用于增压压力不超过160~170kPa的低增压小功率柴油发电机。废气涡轮增压是利用柴油发电机排出的废气能量来驱动增压器，将空气压缩后再送入汽缸的一种增压方法。柴油发电机采用废气涡轮增压后，可提高输出功率30％~100％以上，同时还可减少单位功率的质量，缩小外形尺寸，节省原材料，降低燃油消耗率，增大柴油发电机扭矩，提高载荷能力以及减少排气对大气的污染等优点，因而得到广泛应用。尤其在高原地区，因气压低、空气稀薄，导致输出功率下降，一般当海拔高度每升高1000m，功率将下降8％~10％。若装设涡轮增压器后，可以恢复原输出功率，其经济效果尤为显著。
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增压器组成结构图 |
一、增压器的分类
废气涡轮增压器按进入涡轮的气流方向，可分为轴流式和径流式两种。
1、径流式涡轮增压器
径流式涡轮增压器的结构主要是由涡壳、喷嘴环、涡轮和转子轴等组成。径流式涡轮增压器工作时，柴油发电机排出的废气进入增压器的涡轮壳后，沿增压器转子轴的轴线垂直平面（即径向）流动。这是由于当气流通过喷嘴时，部分压能和热能转换为动能，由此获得高速气流。由喷嘴环出来的高速气流按一定方向流入叶轮，在叶轮中被迫沿着弯曲通道改变流动方向，在离心力的作用下，气流质点投向叶片凹面，压力增加而相对速度降低；叶片凸面上则相对速度提高而压力降低，因此，作用在叶片凹凸而上的气流合力（即压力差）在涡轮轴上形成推动叶片旋转的力矩，因而从叶轮流出的废气经由涡轮中心沿轴排出。中型柴油发电机大多采用径流式涡轮增压器。
2、轴流式涡轮增压器
轴流式涡轮增压器工作时，柴油发电机排出的废气进入增压器的涡轮壳之后，气流沿着增压器的转子轴的轴线方向流动，故称轴流式。大型柴油发动机大多采用这种形式的增压器。
涡轮增压器是用来提高发动机功率和减少排放的重要部件，其本身不是一种动力源，它利用发动机排气后的剩余能量来工作，向发动机提供更多的压缩空气，使之达到最佳运转性能。涡轮增压器安装在发动机的排气管上，发动机气缸排除的废气推动涡轮叶轮转动。再带动压气机叶轮将经空滤器滤清的空气加压后送入气缸。因为进入气缸的空气增多，所以允许喷入更多的燃油或使燃油燃烧更充分，从而使发动机产生更大的功率和降低排放、减少污染。另外，涡轮增压器还可以使发动机在高原工作时获得功率补偿。
涡轮增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，这样就可以再有限的汽缸容积内喷入更多的燃油进行燃烧，从而达到提高发动机功率的目的，涡轮增压的工作原理涡轮增压技术就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度，减小气体的体积，这样，在单位体积里，气体的质量就大大增加了，这样就可以再有限的汽缸容积内喷入更多的燃油进行燃烧，从而达到提高发动机功率的目的的，涡轮增压的工作原理。
二、涡轮增压器工作原理
涡轮增压器是一种强制引导系统。 它对流入发动机的空气进行压缩（有关普通发动机中气流的介绍，请参考柴油发电机工作原理）。 压缩空气可以使发动机能够将更多的空气压到气缸里，而更多空气就意味着能向气缸内注入更多的燃料。 因此，每个气缸的燃烧冲程就能产生更多动力。 涡轮增压发动机产生的动力要比相同普通发动机大得多。 这样就可显著提高发动机的动力重量比。为了获得这种性能上的提升，涡轮增压器使用发动机排出的废气带动涡轮旋转，而涡轮则带动气泵旋转。 涡轮在涡轮机中的最高转速为每分钟150,000转——这相当于大多数柴油发电机转速的30倍。 同时由于与排气管相连，涡轮的温度通常非常高。
将柴油发电机排气管接到增压器的涡轮壳上，柴油发电机排出的具有500~650℃高温和一定压力的废气经涡轮壳进入喷嘴环，喷嘴环的通道面积由大逐渐变小，因而可以做到虽然废气的压力和温度在下降，但其流速在不断提高，高速的废气流，按一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。废气的压力、温度和速度越高，涡轮的转速就越快。通过涡轮的废气最后排入大气。增加发动机所能燃烧的燃料和空气是提升发动机动力最可靠的方法之一。 增加燃料和空气的方法之一是增加气缸数或增大气缸容积。 有时这些方法并不可行。这时使用涡轮将是增加动力更简便、有效的方法，尤其在购买后自行改装时更是如此。
涡轮增压器使发动机能将更多的燃料和空气注入气缸，从而使发动机能够燃烧更多的燃料和空气。 涡轮增压器通常能够产生41-55千帕的气压。 由于在海平面大气压力为1012.8千帕，因此发动机中注入的空气会增加50%。 从而发动机内部动力可增加50%。 但上述过程并不能完全实现，实际动力可能增加30-40%。在使用涡轮增加发动机动力过程中，有一个原因会导致涡轮效率低下，那就是需要动力动涡轮旋转。 将涡轮装在排气管内会增加排气管内的空气阻力。 这意味着，发动机在排气冲程时，不得不克服更高的负压。 这会稍微减少发动机在燃烧时产生的动力。
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增压器作业原理图 |
涡轮增压器适用于高海拔
涡轮增压器在空气较为稀薄的高海拔地区很有用。 在高海拔地区，通常普通发动机的动力会减小，因为在活塞的每个冲程中，发动机都只能获得少量的空气。 涡轮增压发动机可能同样会减小动力，但减小量会少很多，因为稀薄的空气会更容易被涡轮增压器抽入发动机。
老式发电机组为了适应气缸内增加的空气，会自动增加燃料。 使用燃料直喷技术的现代发电机组一定程度上也会在作相同的调整。 燃料喷射系统通过装在排气管内的氧气含量传感器来判断空燃比是否正确，因此加装涡轮后，系统会自动增加燃料。在采用燃料直喷技术的发电机组中，如果涡轮增压器过多地增加空气压缩率，系统可能无法提供足够的燃料（要么是控制器的软件程序不允许，要么是燃料泵和喷射器无法提供如此多的燃料）。 在这种情况下，为了最大程度地利用涡轮增压器，必须对发电机组进行其他改进。
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