柴油发电机的功率和转矩大小与进入燃烧室的空气和燃油多少有直接的关系,虽然自然吸气式柴油发电机没有类似于柴油机节气门的进气节流装备,但其充气效率依然受制于大气压的限制,充气效率依然低于100%,升容量指标并不显着。因此,以改进充气效率为途径,提高发电机动力为目的进气增压技术得以在柴油发电机上应用。
柴油发电机的增压设备就是采用一套增压器,对进入汽缸前的空气进行预压缩,使空气密增大,这样,空气进入气缸后,其密度、压强、品质均比在自然吸气条件下增大了。在气缸容积一定的情形下,充气密度越大,新鲜空气的充入量越多;在满足燃油供给的因素下,混合气燃烧爆发推动活塞的力量会更大,因此柴油发电机能输出更大的容量和转矩。相比于同排气量的自然吸气柴油发电机,增压发电机在最高功率和最大转矩上能有20%~40%的提高量。同时,压缩终了时更高的混合气压强有利于提高燃烧效率,会引起更多的燃气做功转化为机械能,因此,增压发电机的机械效率普遍高于自然吸气式发电机。一台小排量的增压发电机经增压后,其容量和转矩可与一台较大排量的自然吸气式发电机相当。另外,发电机在采取了增压技术后,还能一定程度地提升燃油经济性和减轻尾气排放。
进气增压装备最核心的部件是增压器。增压器用于对吸入的空气进行压缩,增压器可以选择曲轴通过传动设备机械驱动,也可选用排气管的炽热废气进行驱动。因此,根据驱动力的不同柴油发电机的增压设备可分为机械增压设备、废气涡轮增压设备、复合增压装备和电动涡轮增压装备。
机械增压装置装配在发电机上并由传动带与发电机主轴相连接。发电机曲轴通过传动带驱动压气机的带轮,带轮通过轴将动力传动到压气机的上转子。在轴上设计有一个主动齿轮,与同齿数的从动齿轮啮合,从动齿轮通过轴连接到压气机下转子。因此,压气机的上、下转子等速反向旋转,转子上的叶片推动空气。空气从图4-18所示的1部分进入,随双转子旋转到2位置,再从3位置排出,实现了将空气增压并推到进气歧管里。机械增压设备的优点是压气机的速度和发电机转速同步,响应迅速,没有动力滞后的现状,动力输出非常流畅。但是由于受发电机驱动,速度不高,发电机容量提高效果没有废气涡轮增压明显。而且,当机械增压器工作时,消耗了部分发电机的动力,发电机燃料经济性会受到一些危害。
废气涡轮增压设备是目前在柴油发电机上应用较多的一类增压装备。该设备是由涡轮室和增压器构成的。废气涡轮增压设备与发电机的连接如图1所示。涡轮室的进气口承接的是从气缸内排出的炽热废气,故排气歧管相连,涡流室的排烟口接到发电机组排烟管上,作业后的废气从排气管排出;增压器的进气口与空气过滤器管道相连,吸入新鲜空气,出气口接在进气歧管上。若将废气涡轮增压装备平面布置,则如图2所示。
由图3可知,涡轮室内受废气冲击旋转的涡轮是主动件,通过一根轴刚性连接到增压器内的压气机叶轮,因此,叶轮是从动件,被涡轮带动旋转,与离心式水泵同样的机理,叶轮中央也会发生低压区,吸入新鲜空气,再将空气沿半径方向高速甩出,从而挤压了空气密度,压缩了空气。由图4可见,涡轮增压设备利用发电机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸。装备与发电机无任何机械联系,涡轮和叶轮的速度取决于废气的量和冲击转速湖南康明斯发电机。当发电机速度增快,废气排出转速与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量就可以增加发电机的输出容量。一般而言,加装废气涡轮增压器后的发电机功率及转矩会增大20%~30%。
废气涡轮增压装置是利用发电机废气的冲击能量工作的,这些废气的能量如果不加以利用也会被排放而白白浪费。废气涡轮增压设备很好地利用了这一部分能量,对发电机经济性能的改进有一定的帮助。柴油发电机使用了涡轮增压器后发电机升容量增强,油耗率减小,排污减轻,指示容量和高效功率都提高了,也就是提升了机械效率,自然可以明显改进高负载区运转的经济性。涡轮增压器不仅使功率范围增大,而且高负载的经济运行范围也扩大了。选择废气涡轮增压装备对经常满负载高速运行的重型柴油发电机发电机组十分有利。涡轮增压器由于滞燃期短、压力升高率低,可以使燃烧噪声降低。对于中、轻型载货柴油发电机发电机组及经常处于中等负荷或部分负载运转的柴油发电机发电机组也是有利的西安康明斯发电机。
由于受炽热废气的冲击,涡轮的作业温度达到600~800℃,且在废气的冲击下,涡轮最高转速可以达到100000转/分钟以上,要比机械增压设备的转子转速高许多。如此高的速度和温度对增压装置的材质、加工精度、润滑和冷却都提出了非常高的要点。普通的机械滚针或滚珠轴承不能承受如此高的转速,因此涡轮增压器普遍选择全浮动轴承,利用发电机润滑油的压力的支持,使连接涡轮和叶轮的中间轴旋转时“悬浮”在轴承孔内。与此同时,发电机润滑油给予良好的润滑,预防高速条件下的损伤,如图5所示。为了给增压器降温,还导入发电机冷却液来进行冷却。
复合增压装置即在一台发电机上同时选用了废气涡轮增压和机械增压两种增压装置。机械增压有助于低速度时的扭力输出,但是高速度时容量输出有限;废气涡轮增压设备在高转速时拥有强大的容量输出,但低转速时增压效果不明显。若把两种增压技术结合在一起,取长补短,弥补各自的不足,就可以同时处置低速转矩和高速功率输出的问题,由此有了复合增压装置。该装备在大功率柴油发电机上应用比较多。在转速较低时,由机械增压供应大部分的增压压力,在1500转/分钟时,两个增压器同时供应增压压力。随着转速的增强,涡轮增压器能使发电机获得更大的容量,与此同时,机械增压器的增压压力逐渐减小。机械增压装备可以通过电磁离合器控制进行动力切断,在速度超过3500r/min时,由涡轮增压器供应所有的增压压力,此时机械增压器在电磁离合器的作用下完全与发电机分离,预防消耗发电机功率。选择了这一系统,其发电机输出容量大、燃油消耗率低、噪音小。与此同时,复合增压装置构造较为复杂,技术含量高,修复保养不容易,在目前因素下尚难以普及。
增压后的空气,因增压器叶片对其做功及受到发电机工作时热传递的影响,其内能增加。因此,气体温度会上升至60~80℃(图6所示)。升温后的空气体积膨胀,反过来又制约了充气效率,即充入容积一定的气缸后,因为体积膨胀的原由,高温的空气要比温度低的空气品质要少。从这点来说,过热膨胀的空气削弱了增压的效果呼和浩特康明斯发电机。为了防范这一负面危害,对增压后的空气进行冷却,使其温度下降、体积收缩,对提高充气效率是非常有必要的。因此,增压柴油发电机在增压器之后,会设置一个热交换装备来冷却增压后的空气,此装备称为中央冷却机构,简称中冷器。中冷器通常部署于发电机的前端,利用迎面的外界空气对流对增压后的空气进行冷却降温,如图4-27所示。温度下降后,增压空气的密度增大,抵消了体积膨胀,改进了充气效率。