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柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理 |
摘要：渦輪增壓器柴油發(fā)電機(jī)是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣驅(qū)動渦輪給發(fā)動機(jī)燃?xì)庠鰤?，來增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量、燃?xì)饬?，以提高柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率。由于它經(jīng)常處于高速、高溫狀態(tài)下工作，極易出現(xiàn)故障?？得魉构驹诒疚闹兄攸c介紹了增壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，同時提出了渦輪增壓器柴油發(fā)動機(jī)的正確使用和注意事項。
一、增壓器的結(jié)構(gòu)組成及原理
康明斯公司在本文中以徑流式廢氣渦輪增壓器為例講述其結(jié)構(gòu)與工作原理。廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機(jī)兩部分組成，一般右邊為廢氣渦輪，左邊為壓氣機(jī)，兩者同軸。渦輪機(jī)殼用耐熱合金鑄鐵鑄造而成，進(jìn)氣口端與氣缸排氣管道相連，出氣口端與柴油機(jī)排煙口相連。壓氣機(jī)進(jìn)氣口端與柴油機(jī)進(jìn)氣口的空氣濾清器相連，出氣口端與氣缸進(jìn)氣管道相連。
1、廢氣渦輪
廢氣渦輪通常由渦輪殼、噴嘴環(huán)和工作葉輪等組成。噴嘴環(huán)由噴嘴內(nèi)環(huán)、外環(huán)和噴嘴葉片等組成。噴嘴葉片形成的通道從進(jìn)口到出口呈收縮狀。工作葉輪由轉(zhuǎn)盤和葉輪組成，在轉(zhuǎn)盤外緣固定有工作葉片。一個噴嘴環(huán)與相鄰的工作葉輪組成一個“級”，僅有一個級的渦輪稱單級渦輪，絕大多數(shù)增壓器采用單級渦輪。
廢氣渦輪的工作原理如下所述：柴油機(jī)工作時，廢氣通過排氣管，以一定的壓力和溫度流入噴嘴環(huán)，由于噴嘴環(huán)的通道面積逐漸減小，所以噴嘴環(huán)內(nèi)廢氣的流速增高（盡管其壓力和溫度降低）。從噴嘴出來的高速廢氣進(jìn)入葉輪葉片中的流道，氣流被迫轉(zhuǎn)彎。由于離心力的作用，氣流壓向葉片凹面而企圖離開葉片，使葉片凹、凸面產(chǎn)生壓力差，作用在所有葉片上壓力差的合力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個沖擊力矩，使葉輪沿該力矩的方向旋轉(zhuǎn)，隨后從葉輪流出的廢氣經(jīng)渦輪中心從排氣口排出。
2、壓氣機(jī)
壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣道、工作葉輪、擴(kuò)壓機(jī)和渦輪殼等組成。壓氣機(jī)與廢氣渦輪同軸，由廢氣渦輪帶動，使工作渦輪高速旋轉(zhuǎn)。工作渦輪是壓氣機(jī)的主要部件，通常它由前彎的導(dǎo)風(fēng)輪和半開式工作輪組成，兩部分分別裝在轉(zhuǎn)軸上。在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成擴(kuò)張型的氣流通道。由于工作輪的旋轉(zhuǎn)使進(jìn)氣因離心力的作用而受到壓縮，被拋向工作輪的外緣使空氣的壓力、溫度和速度均升高?？諝饬鹘?jīng)擴(kuò)壓器時，由于擴(kuò)壓作用將空氣的動能轉(zhuǎn)化成壓力能，在排氣渦輪殼中，空氣的動能逐漸轉(zhuǎn)化成壓力能。就這樣通過壓氣機(jī)使柴油機(jī)的進(jìn)氣密度得到了顯著提高。
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圖1 柴油機(jī)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖 |
圖2 柴油機(jī)渦輪增壓器原理圖 |
二、增壓柴油機(jī)的性能
1、柴油機(jī)增壓后性能的改善
柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓后，其性能的改善主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
① 動力性得到了提高
增壓后，進(jìn)入氣缸的循環(huán)空氣量大大增加，循環(huán)供油量便可相應(yīng)增加，因而柴油機(jī)功率明顯提高。渦輪增壓可使柴油機(jī)功率提高30％～100％，甚至更高。與此同時，增壓后，由于氣體爆發(fā)壓力的增大，摩擦損失有所增加，但柴油機(jī)有效功率增加得更多，因而使柴油機(jī)機(jī)械效率有所提高。因此，增壓使得柴油機(jī)的動力性能大大提高。
② 經(jīng)濟(jì)性能得到了改善
增壓后機(jī)械效率的提高使燃油消耗率有所降低。進(jìn)氣壓力的提高不僅使掃氣過程得以改善，且使泵吸功變?yōu)檎Γ矊⑹谷加拖穆氏陆?。此外，增壓后通常過量空氣系數(shù)將相應(yīng)提高，使燃燒更趨完善，也促使燃油消耗率有所下降。
③ 有害排放物有所降低
增壓后，由于過量空氣系數(shù)提高，使得混合氣中含氧量相對增加，燃燒更為完全，廢氣中CO、碳?xì)浠衔锛盁煻鹊暮坑兴陆?。但是增壓后，由于進(jìn)氣溫度上升，尾氣排放中的NOx的含量有所增加。此時，若采用增壓中冷技術(shù)，則尾氣排放中NOx的含量也會有所降低。因此，從整體上看，增壓有利于降低排放。
2、柴油機(jī)增壓后帶來的問題
柴油機(jī)增壓后也將帶來一些問題，主要表現(xiàn)為：
① 機(jī)械負(fù)荷增加
爆發(fā)壓力是衡量柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的主要標(biāo)志之一。增壓后壓縮壓力及爆發(fā)壓力均有所提高，使機(jī)件載荷增大，磨損加劇。因此，應(yīng)對增壓后的爆發(fā)壓力進(jìn)行控制，并強(qiáng)化主要受力機(jī)件（曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲軸和軸承等）的結(jié)構(gòu)或材質(zhì)。
② 熱負(fù)荷增加
由于增壓后進(jìn)氣量和噴油量的增加，總的燃燒能量增加，柴油機(jī)的熱負(fù)荷加大；與此同時，由于進(jìn)入增壓柴油機(jī)氣缸的壓縮空氣溫度提高，最高燃燒溫度和循環(huán)的平均溫度提高；而且由于工質(zhì)的密度增大，工質(zhì)向壁面間的傳熱增大。以上這些因素都使得活塞組、氣缸（壁）和排氣門等零部件的熱負(fù)荷加大，材料強(qiáng)度降低。實踐證明，熱負(fù)荷的影響往往比機(jī)械負(fù)荷更大，成為限制提高柴油機(jī)增壓度的主要因素。
三、增壓柴油機(jī)的使用注意事項
1、不可開機(jī)立馬帶載
由于渦輪增壓器軸輪的轉(zhuǎn)速較高，采用的又是全浮動軸承結(jié)構(gòu)，因此柴油機(jī)起動后，不能著急帶載，應(yīng)怠速空載運(yùn)轉(zhuǎn)3分鐘，待機(jī)油壓力，機(jī)油溫度升高到規(guī)定要求，流動性能變好，渦輪增壓器得到充分潤滑后方可開始帶載送電。但怠速空載運(yùn)轉(zhuǎn)時間不宜過長，冬季應(yīng)在5分鐘以上，10分鐘以內(nèi)。避免長時間低速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸機(jī)油壓力偏低，軸溫過高，磨損轉(zhuǎn)軸與軸套。
2、不能帶載突然停機(jī)
渦輪增壓器柴油機(jī)非特殊情況下，不允許突然停機(jī)，特別是大負(fù)荷作業(yè)后不能立即停機(jī)，停機(jī)前應(yīng)怠速空載運(yùn)行3分鐘，但時間不宜過長，應(yīng)保持在5分鐘以內(nèi)，這是因為柴油機(jī)突然停機(jī)后，機(jī)油泵停止供油，機(jī)油壓力迅速下降，機(jī)油潤滑中斷，而渦輪增壓器軸輪因慣性仍在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時增壓器內(nèi)部熱量不能及時被機(jī)油帶走，極易使轉(zhuǎn)軸與軸承套之間產(chǎn)生高溫而抱死，使之不能正常工作。
3、規(guī)范使用機(jī)油
由于渦輪增壓器經(jīng)常處于高負(fù)荷、高溫狀態(tài)下工作，對機(jī)油質(zhì)量要求較高，機(jī)油牌號如圖3所示。機(jī)油質(zhì)量差或牌號不對都會加劇轉(zhuǎn)軸與軸承套之間磨損，導(dǎo)致渦輪增壓器和柴油機(jī)的性能降低，功率下降，噪聲變大，使用壽命縮短。因此應(yīng)按規(guī)定要求正確使用增壓柴油或API（美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的CF級以上機(jī)油質(zhì)量等級潤滑油。同時要重視機(jī)油濾清器的保養(yǎng)維護(hù)，確保機(jī)油的清潔干凈。保持轉(zhuǎn)軸與軸承套之間的配合間隙，在正常值為0.08~0.13mm之間。
4、保證進(jìn)氣清潔
要經(jīng)常檢查進(jìn)、排氣管的氣密性，定時清洗或更換空氣濾清器，其濾芯結(jié)構(gòu)如圖4所示。性能良好的空氣濾清器可避免大顆粒灰塵和泥沙被吸入壓氣機(jī)，導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片和柴油機(jī)雩部件的加速磨損，降低增壓器轉(zhuǎn)速，造成增壓器壓力下降，進(jìn)氣量減少，使柴油柴油機(jī)功率下降，性能變差。
5、應(yīng)加裝預(yù)熱裝置
在某些增壓機(jī)型上特別是用于高原或北方地區(qū)，為了進(jìn)一步改善其低溫起動性能，在柴油機(jī)的進(jìn)氣管上還設(shè)有進(jìn)氣預(yù)熱裝置，起動時應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)熱使用方法進(jìn)行操作。
6、更換新增壓器應(yīng)加注機(jī)油
對新的柴油機(jī)或調(diào)換增壓器后，必須卸下增壓器上的進(jìn)油管接頭，加注50～60mL機(jī)油，防止因缺油而燒壞增壓器軸承。
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圖3 潤滑油牌號和質(zhì)量等級 |
圖4 柴油機(jī)空氣濾清器濾芯剖面圖 |
總結(jié)：
渦輪增壓器是用來提高柴油機(jī)功率和減少排放的重要部件，其原理是利用柴油機(jī)廢氣作渦輪動力源，帶動同軸葉片高速旋轉(zhuǎn)，增加氣缸的充氣效率，理論上安裝渦輪增壓器柴油機(jī)動力可以提高20%~30%。但該部件長期處在高溫，高速環(huán)境中工作，如使用不當(dāng)極易損壞.正確使用渦輪增壓器，對于延長該零件及柴油機(jī)壽命，提高柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和動力性起到至關(guān)重要的作用。增壓柴油機(jī)與非增壓柴油機(jī)相比，在使用過程中的要求是更為嚴(yán)格的。為保證增壓柴油機(jī)的運(yùn)行可靠性，應(yīng)特別注意柴油機(jī)經(jīng)過增壓后，零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)化，從使用、保養(yǎng)方面講，必須加強(qiáng)發(fā)動機(jī)的強(qiáng)制保養(yǎng)工作，注意采用正確的操作方法。
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