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柴油机废气涡轮增压器的结构与工作原理 |
摘要：涡轮增压器柴油发电机是利用发动机排出的废气驱动涡轮给发动机燃气增压，来增加发动机的进气量、燃气量，以提高柴油发电机组的输出功率。由于它经常处于高速、高温状态下工作，极易出现故障。康明斯公司在本文中重点介绍了增压器的工作原理和结构组成，同时提出了涡轮增压器柴油发动机的正确使用和注意事项。
一、增压器的结构组成及原理
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。
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。
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图1 柴油机涡轮增压器结构图 |
图2 柴油机涡轮增压器原理图 |
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、不可开机立马带载
由于涡轮增压器轴轮的转速较高，采用的又是全浮动轴承结构，因此柴油机起动后，不能着急带载，应怠速空载运转3分钟，待机油压力，机油温度升高到规定要求，流动性能变好，涡轮增压器得到充分润滑后方可开始带载送电。但怠速空载运转时间不宜过长，冬季应在5分钟以上，10分钟以内。避免长时间低速运转，造成涡轮增压器转轴机油压力偏低，轴温过高，磨损转轴与轴套。
2、不能带载突然停机
涡轮增压器柴油机非特殊情况下，不允许突然停机，特别是大负荷作业后不能立即停机，停机前应怠速空载运行3分钟，但时间不宜过长，应保持在5分钟以内，这是因为柴油机突然停机后，机油泵停止供油，机油压力迅速下降，机油润滑中断，而涡轮增压器轴轮因惯性仍在高速运转，这时增压器内部热量不能及时被机油带走，极易使转轴与轴承套之间产生高温而抱死，使之不能正常工作。
3、规范使用机油
由于涡轮增压器经常处于高负荷、高温状态下工作，对机油质量要求较高，机油牌号如图3所示。机油质量差或牌号不对都会加剧转轴与轴承套之间磨损，导致涡轮增压器和柴油机的性能降低，功率下降，噪声变大，使用寿命缩短。因此应按规定要求正确使用增压柴油或API（美国石油协会标准的CF级以上机油质量等级润滑油。同时要重视机油滤清器的保养维护，确保机油的清洁干净。保持转轴与轴承套之间的配合间隙，在正常值为0.08~0.13mm之间。
4、保证进气清洁
要经常检查进、排气管的气密性，定时清洗或更换空气滤清器，其滤芯结构如图4所示。性能良好的空气滤清器可避免大颗粒灰尘和泥沙被吸入压气机，导致压气机叶片和柴油机雩部件的加速磨损，降低增压器转速，造成增压器压力下降，进气量减少，使柴油柴油机功率下降，性能变差。
5、应加装预热装置
在某些增压机型上特别是用于高原或北方地区，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。
6、更换新增压器应加注机油
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。
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图3 润滑油牌号和质量等级 |
图4 柴油机空气滤清器滤芯剖面图 |
总结：
涡轮增压器是用来提高柴油机功率和减少排放的重要部件，其原理是利用柴油机废气作涡轮动力源，带动同轴叶片高速旋转，增加气缸的充气效率，理论上安装涡轮增压器柴油机动力可以提高20%~30%。但该部件长期处在高温，高速环境中工作，如使用不当极易损坏.正确使用涡轮增压器，对于延长该零件及柴油机寿命，提高柴油发电机组的经济性和动力性起到至关重要的作用。增压柴油机与非增压柴油机相比，在使用过程中的要求是更为严格的。为保证增压柴油机的运行可靠性，应特别注意柴油机经过增压后，零部件的结构进行了强化，从使用、保养方面讲，必须加强发动机的强制保养工作，注意采用正确的操作方法。
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