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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油机废气涡轮增压器的构造 |
摘要：增压器的原理是利用柴油发电机废气能量在涡轮内转变为机械能驱动离心式压气机以增加进气压力，由于不消耗柴油机有效功，使柴油机高速时功率增大，全负荷燃油消耗率低，因此在柴油机增压上得到广泛采用。柴油机采用增压技术后不仅可提高功率30%～100%，甚至更多，还可以减小单位功率质量、缩小外形尺寸、降低燃油消耗、减少机型的品种系列、扩大使用范围。增压技术在节约能源、防止大气污染等方面具有较显著的作用，已成为柴油发电机的重要发展趋势之一，并得到越来越广泛的应用。
一、增压器基本结构组成
涡轮增压器的工作原理与涡轮机相似，原理示意图如图1所示。它利用排气流动的能量使涡轮转动，涡轮带动压缩机旋转，将空气压缩，送入柴油机燃烧室。涡轮增压器旁通阀的作用是在柴油机转速较低的情况下，减少涡轮增压器的转速，保证柴油机正常运转。当柴油机转速升高时，涡轮增压器旁通阀会自动关闭，使涡轮增压器正常工作，提高柴油机的功率和效率。康明斯柴油发电机配置的废气涡轮增压器虽然各个型号不同，但基本结构相似，如图2所示。涡轮一端安装在排气岐管的凸缘上，空气压缩机一端安装在进气岐管上。
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图1 废气涡轮增压器原理图 |
图2 柴油机涡轮增压器结构组成图 |
1、铭牌
固定在增压器上的铭牌上有零件编号、系列编号、型号及其他说明。
2、涡轮部分
由涡轮叶轮及轴、涡轮壳等零件组成。空气压缩机叶轮是用防松螺母固定在废气涡轮轴上，构成废气涡轮增压器的转动部分称为转子。
3、支撑装置
由装在中间壳中的分别靠近空气压缩机端和我聊端的轴承。护板、止推盘等所组成。支撑装置使转子可靠地定位于中间壳上，限定转子工作时在轴向和径向的活动范围。
4、密封装置
由油封总成、气封环等所组成。压气机端的密封装置主要是密封压气机内高压空气和防止油腔的机油进入压气机。涡轮端密封装置使防止高温废气进入油腔，以确保机油质量。
5、润滑冷却系统
康明斯柴油发电机的增压器均有机油冷却和润滑，机油通过轴承壳进行循环。
6、浮动轴承
增压器采用浮动轴承的原因是当增压器转速超过4000r/min时（该涡轮增压器额定转速为7300r/min），如采用非浮动轴承（如润滑轴承），则轴表面与轴承内表面间的滑动速度是相当高的，轴承很容易磨损，普通的滑动轴承难以胜任。采用浮动轴承时，用铅锡合金制作的轴承装在轴承壳内，而轴3支撑在轴内作高速转动。轴承与轴之间、轴承与轴承之间均由间隙，具有压力的润滑油从轴承壳上部的管接头进入轴承内、外间隙。在柴油发电机运转过程中，在轴承的内、外间隙、在柴油发电机运转过程中，在轴承的内、外间隙中均形成油膜，起着轴承的作用。
浮动轴承分全浮动轴承和半浮动轴承。全浮动轴承以一定转速转动，而半浮动轴承则不转动，此次轴承常采用整体浮动套，其一端为方形结构。在同样的情况下，半浮动轴承的机械损失小于全浮动轴承。浮动轴承与普通滑动轴承相比，具有温度低、摩擦功小、工作可靠、抗振性好及拆装维修方便等优点。
7、旁通阀
（1）涡轮增压器旁通阀的工作原理
涡轮增压器旁通阀位于涡轮增压器的进气道上游，与进气道相连。工作原理如图3所示。当柴油机转速较低时，旁通阀打开，使进气流经旁通阀，不经过涡轮增压器，直接进入柴油机燃烧室。这样可以减少涡轮增压器的转速，避免涡轮增压器在低速运转时出现过高的转速，减少涡轮增压器的磨损和故障。
当柴油机转速升高时，旁通阀关闭，进气流经涡轮增压器，压缩后送入柴油机燃烧室。这样可以提高柴油机的功率和效率，使柴油机在高速运转时仍能正常工作。
（2）涡轮增压器旁通阀的控制方式
涡轮增压器旁通阀的控制方式一般分为机械控制和电子控制两种。机械控制方式是通过机械装置控制旁通阀的开关，一般应用于低端柴油机。电子控制方式是通过电子信号控制旁通阀的开关，可以根据柴油机转速和负载实时调整旁通阀的状态，提高柴油机的稳定性和燃油经济性，一般应用于高端柴油机。电子控制电路如图4所示。
柴油机可有两只增压器。如果柴油机有两种增压器，则装在排气岐管上的增压器是高压增压器，安装在支架上的增压器是低压增压器。上述高（低）增压器是按增压压力来划分的：低增压器的增压压力<0.18MPa；中增压器的增压压力为0.18～0.25MPa；高增压器的增压压力为0.25～0.35MPa；超过增压器的增压压力>0.35MPa。
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图3 柴油机涡轮增压器废气旁通控制原理图 |
图4 柴油机增压器废气旁通控制电磁阀电路图 |
二、增压器的工作特性与温度控制
1、离心式压气机特性
离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律，称为离心式压气机的特性。表示这种特性的曲线叫压气机的特性曲线，如图5所示。
由图5压气机的特性曲线可以看到，当转速n等于常数时，随着流量G的减小，增压比π是开始是增加的。当G减小到某一值时，π值达最大，然后随G的减小开始下降。效率η随流量G的变化规率与π类似。当压气机的流量减小到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声。这种现象称为压气机喘振。喘振是压气机的固有特性。压气机特性曲线上表示喘振状态的临界线称为喘振线，其左方为喘振区，右方为稳定工作区。压气机不允许在喘振区工作。
产生喘振的原因是当流量小于设计值很多时在叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离。在设计流量下，气流平顺地流进叶片前缘和扩压器，气流与叶轮叶片、扩压器叶片既不发生撞击，也不产生分离。
当流量大于设计流量时，气流在叶轮叶片前缘冲向叶片的凸面，与叶片的四面发生分离；在扩压器中气流冲向叶片的四面，与叶片的凸面发生分离。但是，由于叶轮叶片的转动压向气流分离区，扩压器中气流的圆周向流动压向气流分离区，气流的分离区受到限制，不致随流量的增加而过分地扩大。
当流量小于设计流量时，气流在叶轮叶片前缘冲向叶片的凹面，与叶片的凸面发生分离；在扩压器中气流冲向叶片的凸面，与叶片的四面发生分离。由于叶轮叶片在转动中要离开气流分离区，扩压器中气流的圆周向流动也使气流离开气流分离区，气流分离区有扩展的趋势。随着流量的减少，气流分离区会愈来愈大，以致在叶轮和扩压器中造成气体倒流，发生不稳定流动，最终导致喘振的产生。一般扩压器叶片内气流分离的扩展是压气机喘振的主要原因，而叶轮进口处气流分离的扩展会使喘振加剧。
当离心式压气机被作为增压器与柴油机配合工作时，增压器（或包括辅助扫气泵）的供气量和压力要满足柴油机的要求。柴油机与增压器良好匹配的标志是：柴油机达到预定的增压指标；增压器在柴油机全部工作范围内都能稳定地运转，既不喘振也不超速，并且尽可能在高效区工作，即增压器工作特性曲线应离喘振线远一点，又要处在高效率区。
2、增压器温度控制
① 增压空气温度控制
增压器各系统剖析图如图6所示。空气经过压缩，温度会升高，又由于涡轮增压器处于排气歧管附近， 较高的环境温度使得压缩后的空气温度进一步升高。高温的空气密度减小，会降低充气效率，另外，高温高压的空气会使燃烧温度提升， 容易使发动机产生爆震。为此，需要对压缩后的空气进气冷却。涡轮增压发动机通常采用中冷器对压缩空气进行冷却。中冷器的形状结构与发动机冷却系统散热器相似，其冷却方式有风冷和水冷两种。
② 涡轮增压器温度控制
高温环境和高转速造成了涡轮增压器的很高的工作温度。 涡轮增压器的高速运转会使其轴承产生大量的热量，该热量由位于涡轮增压器上的冷却液管路将热量带走，输送到冷却系统进行散热。这样可以大大降低涡轮增压器温度，在发动机突然关机时也会减小机油结焦的可能性。
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图5 柴油机增压器压气机通用特性曲线图 |
图6 增压器各结构系统剖析布局图 |
三、增压器的喘振与消除
1．增压系统中增压器喘振的原因
增压器产生喘振的原因从根本上讲，是由于压气机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱流。任何新造的增压柴油机，只要涡轮增压器与柴油机匹配良好，使用初期增压器都不会发生喘振。可是随着运转时间的增长，增压系统中各部件就会污损或出现故障，柴油机本身某些部件也会产生故障，致使两者的性能逐渐恶化，导致匹配不良，引起喘振。此外，运行中某些暂时的匹配不良也可能发生喘振。如：
（1）气流通道堵塞；
（2）增压器和柴油机的运行失配；
（3）脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均；
（4）环境温度的变化。
2、各种增压器的运行特点
（1）单独增压系统
单独增压系统仅由增压器向柴油机供气，所以柴油机的进气特性线也就是增压器的工作特性线。由图7可见， 在单独增压系统中因流道阻塞，常常在低负荷时发生增压器喘振。管理中应经常注意气口和空气冷却器的清洁，使流道保持畅通，在低负荷下发生喘振时可暂时用提高负荷的办法消除。
（2）串联增压系统
在串联增压系统中，柴油机的进气特性与增压器工作特性不重合，结构如图8所示。串联增压系统的工作特性线是一条上部离喘振线较近，下部离喘振线较远的曲线，在高（超）负荷时容易发生喘振。因为在设计柴油机时选配的增压器一般都避开了高转速下的喘振问题，所以串联增压系统在柴油机全部转速范围内不会发生喘振。若由于增压系统出现故障而使增压器的排量减少，特性线左移，在高转速下就会出现喘振。这时可降低负荷，直至喘振消除为止。
（3）并联增压系统
在并联增压系统中，柴油机所需要的空气量是增压器和活塞下部增压泵两者供应空气量的总和。由图7可知，并联增压系统在柴油机低速运行时必然会发生增压器喘振现象，必须采取相应的措施。例如在扫气箱设放气阀；装设串-并联转换装置（低负荷时转换成串联增压系统）；采用并联喷射系统（低负荷时使用并联喷管系统）增大增压器流量等。由于并联增压系统结构复杂，本身存在着低负荷性能差、易喘振的问题。
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图7 涡轮增压器离心压气机喘振识别方法 |
图8 柴油机串联增压系统结构图 |
总结：
涡轮增压器是一种常见的涡轮式增压器，它可以将排气流动的能量转换成压缩空气的能量，从而提高柴油机的功率。而涡轮增压器旁通阀是涡轮增压器的一个重要组成部分，它可以控制涡轮增压器的工作状态，保证柴油机在不同转速下都能正常工作。涡轮增压器旁通阀的控制方式一般分为机械控制和电子控制两种，应用于不同类型的柴油机。了解涡轮增压器的工作原理对于维护和保养柴油发电机组具有重要意义。
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