涡轮增压器比自然吸气柴油机好在哪里？

摘要：搭载涡轮增压康明斯发电机组给人的印象是比搭载自然吸气康明斯发电机组强很多。使用涡轮增压器的柴油发电机的较大输出容量可以增加约40%甚至更多。此外，采用增压技术后，柴油发电机可以提升燃油经济性，减小废气排放。这是涡轮增压柴油发电机优缺点中较重要的特征。涡轮增压柴油发电机的增压系统并不复杂，由涡轮室和增压器组成。涡轮室的进气口与柴油发电机排烟歧管相连，排烟口与排烟管相连。增压器的进气口连接空空气过滤管，出气口连接进气歧管。最后，涡轮和叶轮分别装配在涡轮室和增压器中，并同轴刚性连接。

涡轮增压器是一种利用排气而不是柴油发电机动力推动空气泵或压气机的系统，由空气泵将增多的空气压入汽缸。柴油和汽油柴油发电机上都可选用涡轮增压器。图1所示为涡轮增压柴油发电机中空气和排气的典型简图。高速排气从排烟门出来，穿过一个涡轮驱动的泵，推动排烟涡轮快速转动，而排烟涡轮又带动进气压气机快速转动。随着压气机涡轮的转动，它吸入了大量新鲜空气。进气被加压并被压入进气门。进气歧管中的升压步骤被称为增压（Boost）。增压可以在进气歧管中发生较高的压力，压力因OEM主机厂而异。

如果增加了相应数量的燃油，就会使容量大幅升高。图2中给出了涡轮增压柴油发电机和自然吸气柴油发电机之间对比的曲线图，转矩和容量在整个转速范围内都提升了。例如，在5000／min处，自然吸气柴油发电机出现大约80hp（1hp≈0.735kW，1lbf．ft≈1.35N．m）的容量。但在这个转速下柴油发电机启动不了，涡轮增压柴油发电机可以发生大约140hp的功率。

涡轮增压柴油发电机内部需要有一些变化，包括强化活塞、使用不同的活塞环，以及确保轴承能够承受更大的负载。但是，涡轮增压和非涡轮增压柴油发电机都选用相同的压缩比和排放物及电子控制系统。

柴油机排出的废气具有一定的温度和压力。它所含的热量约占燃油燃烧放出热量的30％～37％，因此探求废气的能量及其高效利用是增压技术中的重要问题。

在理论上所能作的功为面积b-1-f-b，也就是排烟开始时废气中的可用能柴油发电机厂家品牌。在换气程序中获得的能量为面积4-g-i-1-4。这部分能量对四冲程柴油机包括强制排烟程序中的活塞推出功和燃烧室扫气阶段进入排气管的扫气空气所具有的能量两部分；而二冲程柴油机这部分能量为扫气期间扫气空气所作的功。值得注意的是，二冲程柴油机在排烟开始后活塞继续下行，获得膨胀功，使废气可用能减小；在换气流程中没有活塞推出功补充废气能量，并且废气中掺混有很多扫气空气，使涡轮前气体温度减轻，因而废气中的能量较少。

根据在废气涡轮中能量的利用情况，一般把废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力膨胀到膨胀能，称之为脉冲能。它是一种脉动的转速能，在排气管中以压力波的形式产生。另一部分是废气由压力膨胀到的膨胀能比，称之为定压能（亦称势能）。废气能量是脉冲动能和定压能之和。能量在总能量中所占的百分数随着增压压力的不一样而不一样。

操作涡轮增压器后，进气管道就有所改变。排烟通过排气歧管并进入涡轮增压器的排烟涡轮。从排烟涡轮开始，排气通过排气系统被送到外界大气中。 对于汽油机，空气穿过空气滤清器被吸入进气歧管。压缩空气通过管道被送到节气门体系统。空气和燃油在这里按照正确的比例混合柴油发电机维修保养。 使用了涡轮增压器后，进气管路会与典型的非增压柴油发电机有所不一样。这个柴油柴油发电机上进、排烟管路的设计使涡轮增压器能够放置在柴油发电机一侧，如图3所示。  

与涡轮增压柴油发电机有关的一个问题被称为增长。增长是指涡轮增压器提升容量所需要的时间，这是节气门快速打开和实现增压之间的一个延长，是从使用者要求额外容量到实际容量发生延迟的时间，这是因为涡轮速度升高和出现所需的容量需要一定的时间。发电机组上的涡轮增压器怠速工作转速为10000／min。在10000～15000Ymin范围内运转时增压较大，效率较高。涡轮增压器升高到这个较佳效率速度需要一些时间。

废气旁通阀与涡轮增压器连通。废气旁通阀用于在涡轮增压器增压过高时旁通排烟。增压过程压力过大会引起过分爆燃或柴油发电机故障，甚至毁掉柴油发电机。废气旁通阀使排气绕过排气涡轮，此时，推动压气机涡轮的动力降低。而涡轮增压器的功用也就减轻了，如图4所示。图中展示的是位于排烟流中典型的废气旁通阀。废气旁通阀关闭时，排烟穿过排气涡轮，柴油发电机现在处于涡轮增压状态。废气旁通阀打开时，排气就绕过排气涡轮。 废气旁通阀是常闭的。它打开时旁通排气，避免过度增压情况的产生。

当执行器上施加真空时，废气旁通阀打开。执行器由废气旁通阀控制阀控制，该阀由PCM控制脉动启闭。在正常作业条件下，控制电磁阀通电，这就是说排烟通过排烟涡轮。

在急加速时，增压压力可能会升高。当增压压力升高时，其值被歧管绝对压力（MAP）传感器感测到。PCM则在增压值高于15psi时动脉开启废气旁通阀控制阀。当废气旁通阀脉动启闭时，歧管压力减少。如果出现增压过大的情形，PCM还将降低供油量。

中冷器就是一个热交换器。它交换空气间的热量，主用在涡轮增压柴油发电机上，装配在涡轮增压器和燃烧室之间。图6中展示的就是一个中冷器的例子。当进气或压缩空气被外界空气冷却时，它就会变得体积更小或利用外界空气冷却压缩空气使其密度更大，这就允许将更多的空气压缩进入进气道。中冷器将空气冷却后，空气的密度就加大了。这样在特定的增压压力下，就会有更多的空气和燃油分子被压入燃烧室，其结果就是柴油发电机产生要多的功率。   

在作业过程中，当空气被涡轮增压器增压时，它的温度随之升高。但是，当空气被送入中冷器后，外界的新鲜空气会将进气温度稍稍减轻一些。

排烟装置中的热量会使柴油发电机和排烟系统恶化。随着要求柴油发电机更高的容量，排气温室一般高于1200℉。当柴油发电机配备了涡轮增压器时，排烟温度一般稍稍降低一些，如图7所示。没有用涡轮增压器的柴油发电机其排气温度在1125～1250℉之间，而典型的涡轮增压柴油发电机的排烟温度低到980～1110℉。这个更低的排气温度较终增长了排烟门和排气系统的寿命。