性能特點(diǎn)和作用說明

康明斯柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的構(gòu)造

 

摘要：增壓器的原理是利用柴油發(fā)電機(jī)廢氣能量在渦輪內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能驅(qū)動(dòng)離心式壓氣機(jī)以增加進(jìn)氣壓力，由于不消耗柴油機(jī)有效功，使柴油機(jī)高速時(shí)功率增大，全負(fù)荷燃油消耗率低，因此在柴油機(jī)增壓上得到廣泛采用。柴油機(jī)采用增壓技術(shù)后不僅可提高功率30%～100%，甚至更多，還可以減小單位功率質(zhì)量、縮小外形尺寸、降低燃油消耗、減少機(jī)型的品種系列、擴(kuò)大使用范圍。增壓技術(shù)在節(jié)約能源、防止大氣污染等方面具有較顯著的作用，已成為柴油發(fā)電機(jī)的重要發(fā)展趨勢之一，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。

 

一、增壓器基本結(jié)構(gòu)組成

 

     渦輪增壓器的工作原理與渦輪機(jī)相似，原理示意圖如圖1所示。它利用排氣流動(dòng)的能量使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，將空氣壓縮，送入柴油機(jī)燃燒室。渦輪增壓器旁通閥的作用是在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低的情況下，減少渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，保證柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，渦輪增壓器旁通閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，使渦輪增壓器正常工作，提高柴油機(jī)的功率和效率?？得魉共裼桶l(fā)電機(jī)配置的廢氣渦輪增壓器雖然各個(gè)型號(hào)不同，但基本結(jié)構(gòu)相似，如圖2所示。渦輪一端安裝在排氣岐管的凸緣上，空氣壓縮機(jī)一端安裝在進(jìn)氣岐管上。

 

圖1  廢氣渦輪增壓器原理圖

圖2  柴油機(jī)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)組成圖

 

1、銘牌

      固定在增壓器上的銘牌上有零件編號(hào)、系列編號(hào)、型號(hào)及其他說明。

2、渦輪部分

      由渦輪葉輪及軸、渦輪殼等零件組成。空氣壓縮機(jī)葉輪是用防松螺母固定在廢氣渦輪軸上，構(gòu)成廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子。

3、支撐裝置

      由裝在中間殼中的分別靠近空氣壓縮機(jī)端和我聊端的軸承。護(hù)板、止推盤等所組成。支撐裝置使轉(zhuǎn)子可靠地定位于中間殼上，限定轉(zhuǎn)子工作時(shí)在軸向和徑向的活動(dòng)范圍。

4、密封裝置

      由油封總成、氣封環(huán)等所組成。壓氣機(jī)端的密封裝置主要是密封壓氣機(jī)內(nèi)高壓空氣和防止油腔的機(jī)油進(jìn)入壓氣機(jī)。渦輪端密封裝置使防止高溫廢氣進(jìn)入油腔，以確保機(jī)油質(zhì)量。

5、潤滑冷卻系統(tǒng)

      康明斯柴油發(fā)電機(jī)的增壓器均有機(jī)油冷卻和潤滑，機(jī)油通過軸承殼進(jìn)行循環(huán)。

6、浮動(dòng)軸承   

     增壓器采用浮動(dòng)軸承的原因是當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速超過4000r/min時(shí)（該渦輪增壓器額定轉(zhuǎn)速為7300r/min），如采用非浮動(dòng)軸承（如潤滑軸承），則軸表面與軸承內(nèi)表面間的滑動(dòng)速度是相當(dāng)高的，軸承很容易磨損，普通的滑動(dòng)軸承難以勝任。采用浮動(dòng)軸承時(shí)，用鉛錫合金制作的軸承裝在軸承殼內(nèi)，而軸3支撐在軸內(nèi)作高速轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承與軸之間、軸承與軸承之間均由間隙，具有壓力的潤滑油從軸承殼上部的管接頭進(jìn)入軸承內(nèi)、外間隙。在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在軸承的內(nèi)、外間隙、在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在軸承的內(nèi)、外間隙中均形成油膜，起著軸承的作用。

     浮動(dòng)軸承分全浮動(dòng)軸承和半浮動(dòng)軸承。全浮動(dòng)軸承以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而半浮動(dòng)軸承則不轉(zhuǎn)動(dòng)，此次軸承常采用整體浮動(dòng)套，其一端為方形結(jié)構(gòu)。在同樣的情況下，半浮動(dòng)軸承的機(jī)械損失小于全浮動(dòng)軸承。浮動(dòng)軸承與普通滑動(dòng)軸承相比，具有溫度低、摩擦功小、工作可靠、抗振性好及拆裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

7、旁通閥

（1）渦輪增壓器旁通閥的工作原理

      渦輪增壓器旁通閥位于渦輪增壓器的進(jìn)氣道上游，與進(jìn)氣道相連。工作原理如圖3所示。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，旁通閥打開，使進(jìn)氣流經(jīng)旁通閥，不經(jīng)過渦輪增壓器，直接進(jìn)入柴油機(jī)燃燒室。這樣可以減少渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，避免渦輪增壓器在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)過高的轉(zhuǎn)速，減少渦輪增壓器的磨損和故障。

      當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，旁通閥關(guān)閉，進(jìn)氣流經(jīng)渦輪增壓器，壓縮后送入柴油機(jī)燃燒室。這樣可以提高柴油機(jī)的功率和效率，使柴油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍能正常工作。

（2）渦輪增壓器旁通閥的控制方式

      渦輪增壓器旁通閥的控制方式一般分為機(jī)械控制和電子控制兩種。機(jī)械控制方式是通過機(jī)械裝置控制旁通閥的開關(guān)，一般應(yīng)用于低端柴油機(jī)。電子控制方式是通過電子信號(hào)控制旁通閥的開關(guān)，可以根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整旁通閥的狀態(tài)，提高柴油機(jī)的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性，一般應(yīng)用于高端柴油機(jī)。電子控制電路如圖4所示。

    柴油機(jī)可有兩只增壓器。如果柴油機(jī)有兩種增壓器，則裝在排氣岐管上的增壓器是高壓增壓器，安裝在支架上的增壓器是低壓增壓器。上述高（低）增壓器是按增壓壓力來劃分的：低增壓器的增壓壓力<0.18MPa；中增壓器的增壓壓力為0.18～0.25MPa；高增壓器的增壓壓力為0.25～0.35MPa；超過增壓器的增壓壓力>0.35MPa。

 

圖3  柴油機(jī)渦輪增壓器廢氣旁通控制原理圖

圖4  柴油機(jī)增壓器廢氣旁通控制電磁閥電路圖

 

二、增壓器的工作特性與溫度控制

 

1、離心式壓氣機(jī)特性

      離心式壓氣機(jī)在各種不同工況工作時(shí)，它的各主要參數(shù)會(huì)隨之變化。在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律，稱為離心式壓氣機(jī)的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機(jī)的特性曲線，如圖5所示。

      由圖5壓氣機(jī)的特性曲線可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速n等于常數(shù)時(shí)，隨著流量G的減小，增壓比π是開始是增加的。當(dāng)G減小到某一值時(shí)，π值達(dá)最大，然后隨G的減小開始下降。效率η隨流量G的變化規(guī)率與π類似。當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到一定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出異常的響聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振。喘振是壓氣機(jī)的固有特性。壓氣機(jī)特性曲線上表示喘振狀態(tài)的臨界線稱為喘振線，其左方為喘振區(qū)，右方為穩(wěn)定工作區(qū)。壓氣機(jī)不允許在喘振區(qū)工作。

      產(chǎn)生喘振的原因是當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值很多時(shí)在葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離。在設(shè)計(jì)流量下，氣流平順地流進(jìn)葉片前緣和擴(kuò)壓器，氣流與葉輪葉片、擴(kuò)壓器葉片既不發(fā)生撞擊，也不產(chǎn)生分離。

      當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的四面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的四面，與葉片的凸面發(fā)生分離。但是，由于葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，氣流的分離區(qū)受到限制，不致隨流量的增加而過分地?cái)U(kuò)大。

      當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凸面，與葉片的四面發(fā)生分離。由于葉輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中要離開氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)也使氣流離開氣流分離區(qū)，氣流分離區(qū)有擴(kuò)展的趨勢。隨著流量的減少，氣流分離區(qū)會(huì)愈來愈大，以致在葉輪和擴(kuò)壓器中造成氣體倒流，發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，最終導(dǎo)致喘振的產(chǎn)生。一般擴(kuò)壓器葉片內(nèi)氣流分離的擴(kuò)展是壓氣機(jī)喘振的主要原因，而葉輪進(jìn)口處氣流分離的擴(kuò)展會(huì)使喘振加劇。

      當(dāng)離心式壓氣機(jī)被作為增壓器與柴油機(jī)配合工作時(shí)，增壓器（或包括輔助掃氣泵）的供氣量和壓力要滿足柴油機(jī)的要求。柴油機(jī)與增壓器良好匹配的標(biāo)志是：柴油機(jī)達(dá)到預(yù)定的增壓指標(biāo)；增壓器在柴油機(jī)全部工作范圍內(nèi)都能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，既不喘振也不超速，并且盡可能在高效區(qū)工作，即增壓器工作特性曲線應(yīng)離喘振線遠(yuǎn)一點(diǎn)，又要處在高效率區(qū)。

2、增壓器溫度控制

① 增壓空氣溫度控制

      增壓器各系統(tǒng)剖析圖如圖6所示。空氣經(jīng)過壓縮，溫度會(huì)升高，又由于渦輪增壓器處于排氣歧管附近， 較高的環(huán)境溫度使得壓縮后的空氣溫度進(jìn)一步升高。高溫的空氣密度減小，會(huì)降低充氣效率，另外，高溫高壓的空氣會(huì)使燃燒溫度提升， 容易使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震。為此，需要對(duì)壓縮后的空氣進(jìn)氣冷卻。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用中冷器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行冷卻。中冷器的形狀結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器相似，其冷卻方式有風(fēng)冷和水冷兩種。

② 渦輪增壓器溫度控制

      高溫環(huán)境和高轉(zhuǎn)速造成了渦輪增壓器的很高的工作溫度。 渦輪增壓器的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使其軸承產(chǎn)生大量的熱量，該熱量由位于渦輪增壓器上的冷卻液管路將熱量帶走，輸送到冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱。這樣可以大大降低渦輪增壓器溫度，在發(fā)動(dòng)機(jī)突然關(guān)機(jī)時(shí)也會(huì)減小機(jī)油結(jié)焦的可能性。

 

圖5  柴油機(jī)增壓器壓氣機(jī)通用特性曲線圖

圖6  增壓器各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剖析布局圖

 

三、增壓器的喘振與消除

 

1．增壓系統(tǒng)中增壓器喘振的原因

      增壓器產(chǎn)生喘振的原因從根本上講，是由于壓氣機(jī)的實(shí)際流量小于該轉(zhuǎn)速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強(qiáng)烈撞擊與脫流。任何新造的增壓柴油機(jī)，只要渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配良好，使用初期增壓器都不會(huì)發(fā)生喘振。可是隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長，增壓系統(tǒng)中各部件就會(huì)污損或出現(xiàn)故障，柴油機(jī)本身某些部件也會(huì)產(chǎn)生故障，致使兩者的性能逐漸惡化，導(dǎo)致匹配不良，引起喘振。此外，運(yùn)行中某些暫時(shí)的匹配不良也可能發(fā)生喘振。如：

（1）氣流通道堵塞；

（2）增壓器和柴油機(jī)的運(yùn)行失配；

（3）脈沖增壓一缸熄火或各缸負(fù)荷嚴(yán)重不均；

（4）環(huán)境溫度的變化。

2、各種增壓器的運(yùn)行特點(diǎn)

（1）單獨(dú)增壓系統(tǒng)

      單獨(dú)增壓系統(tǒng)僅由增壓器向柴油機(jī)供氣，所以柴油機(jī)的進(jìn)氣特性線也就是增壓器的工作特性線。由圖7可見， 在單獨(dú)增壓系統(tǒng)中因流道阻塞，常常在低負(fù)荷時(shí)發(fā)生增壓器喘振。管理中應(yīng)經(jīng)常注意氣口和空氣冷卻器的清潔，使流道保持暢通，在低負(fù)荷下發(fā)生喘振時(shí)可暫時(shí)用提高負(fù)荷的辦法消除。

（2）串聯(lián)增壓系統(tǒng)

      在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，柴油機(jī)的進(jìn)氣特性與增壓器工作特性不重合，結(jié)構(gòu)如圖8所示。串聯(lián)增壓系統(tǒng)的工作特性線是一條上部離喘振線較近，下部離喘振線較遠(yuǎn)的曲線，在高（超）負(fù)荷時(shí)容易發(fā)生喘振。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)柴油機(jī)時(shí)選配的增壓器一般都避開了高轉(zhuǎn)速下的喘振問題，所以串聯(lián)增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生喘振。若由于增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障而使增壓器的排量減少，特性線左移，在高轉(zhuǎn)速下就會(huì)出現(xiàn)喘振。這時(shí)可降低負(fù)荷，直至喘振消除為止。

（3）并聯(lián)增壓系統(tǒng)

      在并聯(lián)增壓系統(tǒng)中，柴油機(jī)所需要的空氣量是增壓器和活塞下部增壓泵兩者供應(yīng)空氣量的總和。由圖7可知，并聯(lián)增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí)必然會(huì)發(fā)生增壓器喘振現(xiàn)象，必須采取相應(yīng)的措施。例如在掃氣箱設(shè)放氣閥；裝設(shè)串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置（低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)增壓系統(tǒng)）；采用并聯(lián)噴射系統(tǒng)（低負(fù)荷時(shí)使用并聯(lián)噴管系統(tǒng)）增大增壓器流量等。由于并聯(lián)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本身存在著低負(fù)荷性能差、易喘振的問題。

 

圖7  渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法

圖8  柴油機(jī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      渦輪增壓器是一種常見的渦輪式增壓器，它可以將排氣流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的能量，從而提高柴油機(jī)的功率。而渦輪增壓器旁通閥是渦輪增壓器的一個(gè)重要組成部分，它可以控制渦輪增壓器的工作狀態(tài)，保證柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都能正常工作。渦輪增壓器旁通閥的控制方式一般分為機(jī)械控制和電子控制兩種，應(yīng)用于不同類型的柴油機(jī)。了解渦輪增壓器的工作原理對(duì)于維護(hù)和保養(yǎng)柴油發(fā)電機(jī)組具有重要意義。

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