柴油机增压

课题十  柴油机增压
第一节  柴油机增压系统
一、柴油机增压概述
根据有效功率的计算公式： ，可知，提高柴油机的有效功率有下列途径：
（1）改变柴油机的结构参数i、D、S、m。增大这些参数可以提高柴油机的功率，但是提高的幅度受到多种因素的限制。
（2）提高柴油机的转速。柴油机转速的增加可以增大柴油机作功频率，提高功率。但转速增加会使磨损增加，柴油机的惯性力增加，使柴油机寿命缩短，可靠性变差。对于船用主机还受到螺旋桨效率的限制，因而这种方法也是有限度的。目前新型船用低速柴油机大多降低转速以获得更高的经济性。
（3）提高平均有效压力pe。提高平均有效压力pe可以增加柴油机的功率。对pe影响最主要的因素是新气的密度。提高进气密度，就可以增加气缸充气量，使更多的燃油完全燃烧，从而大幅度提高柴油机的功率。而空气密度的增加对以通过提高进气压力和降低进气温度来实现。
所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力pi和柴油机的平均有效压力pe。柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压前标定功率的比值。
由于空气在增压器中被压缩时压力和温度是同时升高的，这就影响了空气密度的增加和增压的效果。因此，在增压器后都设有中冷器以降低空气温度，提高空气密度。通常中冷器都是以海水来冷却的。中冷的另一个作用是降低柴油机的循环平均温度。
二、柴油机增压系统
1．机械增压（图10-1）
增压器直接由柴油机驱动。显然这种增压形式将消耗柴油机的有效功率。随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。因此机械增压只适于增压压力小于（0.15～0.17）MPa的低增压柴油机。
2．废气涡轮增压（图10-2）
利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压器。显然，这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用。
3．复合增压
这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压。根据两种增压器的不同布置方案，可分为串联增压和并联增压。
图10-l  机械增压系统图                       图10-2  废气涡轮增压系统
1）串联增压系统（图10-3）
串联增压系统是采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作。在这种串联增压系统中，增压空气经过两级压缩。涡轮增压器为第一级，压气机从大气中吸入空气进入中间冷却器进行冷却，然后进入与增压器串联的往复压气机中进行第二级压缩，以达到规定的增压压力。空气经第二级压缩后，再送入第二级空气冷却器冷却，最后送入柴油机扫气箱。
采用串联增压系统使柴油机起动容易，低负荷性能好。当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到70％～80％的标定转速，因此不须另设应急鼓风机。然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加。
图10-3  串连增压系统                      图10-4  串联旁通增压系统
2）串联旁通增压系统（图10-4）
串联旁通增压系统的特点是部分串联增压，在扫气前期为串联增压，在换气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。这种增压系统利用柴油机活塞的下部空间作为辅助压气机，并与涡轮增压器串联作为第二级增压泵，涡轮增压器为第一级增压泵。其扫气箱分成内外两部分。外侧空间各缸共用，与涡轮增压器相通；内侧空间各缸分开，并与活塞下部空间相连通组成单缸扫气室。两者之间以单向阀连接。
串联旁通增压系统的主要优点是利用扫气室中空气的压力变化防止废气倒冲，扫气效果好。对于弯流扫气柴油机可以减小排气口高度。活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单。在采用定压增压时，由于在起动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作。
瑞士Sulzer RND…M型、RL和 RTA型柴油机采用这种串联旁通增压系统。
（3）并联增压系统（图10-5）
并联增压系统就是使涡轮增压器与活塞下部空间并联工作。在这种增压系统中，废气涡轮增压器和活塞下部辅助增压泵分别从机舱吸入空气并在其中压缩，然后经空气冷却器冷却再共同送入扫气箱。一般涡轮增压器所供应的空气约为增压空气量的75％～80％，其余空气量由活塞下部辅助增压泵供给。由于辅助增压泵只供给一小部分空气，则只需将柴油机的部分气缸下部作为辅助增压泵。
并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，增压器在低负荷时易发生喘振。为了防止在低负荷时增压器发生喘振和改善柴油机的性能，并联增压系统几经改进，取消了活塞下部辅助增压泵，变成了单独增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气。
MAN公司生产的KZ型、KSZ型柴油机采用并联增压系统。
图10-5  并联增压系统                图10-6  废气涡轮中废气能量的利用图
第二节  两种废气涡轮增压系统
一、废气能量分析（图10-6）
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％，因此研究废气的能量及其有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，也就是排气开始时废气中的可用能。
在换气过程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气过程中的活塞推出功1-2-3-4-1和燃烧室扫气阶段进入排气管的扫气空气所具有的能量2-i-g-3-2两部分；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，二冲程柴油机在排气开始后活塞继续下行，获得膨胀功为b-4-5-b所示的面积，使废气可用能减少；在换气过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，使涡轮前气体温度降低，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，通常把废气的能量分成两部分：一部分是废气由压力pb膨胀到pT膨胀能E1，称之为脉冲能。它是一种脉动的速度能，在排气管中以压力波的形式出现，在图中为面积b-4-e-b。另一部分是废气由压力pT膨胀到po的膨胀能比，称之为定压能（亦称势能），在图中为面积g-e-f-i-g。废气能量E是脉冲动能E1和定压能E2之和。能量E1和E2各在总能量中所占的百分数随着增压压力pk的不同而不同。pk越低，则E1所占的比例越大；pk越高，则E2越大。
二、废气涡轮增压的两种基本形式
l．定压涡轮增压（图10-7）
定压涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态。柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮就装在排气总管后面。因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定，效率高。
定压增压只利用了废气能量中的定压能E2，而没有利用废气中的脉冲动能E1。脉冲动能E1在排气流动中由于排气口（阀）的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分损失掉。只有小部分脉冲动能转化为热能，使排气管中的废气温度略有升高。因此废气涡轮增压所能利用的废气能量就少些。尤其是当柴油机在低负荷时或起动时，因排气管压力低，废气的能量少，使涡轮发出的功率满足不了压气机所需的功率，柴油机必需另设辅助风机来满足低负荷时的扫气需要。
图10-7  定压废气涡轮增压系统      图10-8  定压涡轮增压四冲程柴油机的理论示功图
2．脉冲涡轮增压（图10-9、10）
脉冲涡轮增压的特点是进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态。在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细。
脉冲增压除了可以利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，故废气的能量利用增多。这有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡。此外，扫气阶段正好是排气管中的低压阶段，扫气箱与排气管间压差较大，故有利于扫气，即使柴油机低负荷时也是如此。但由于涡轮在不稳定工况下工作，效率较低。
在多缸柴油机的脉冲增压系统中，如果各缸的排气均排入一根排气管，那就会产生扫、排气的相互干扰。即当某缸进行扫气而相邻缸正好在排气时，排气压力波就会传到扫气缸的排气口处，使该缸排气背压升高，从而严重影响该缸扫气的正常进行。如果每缸各自向单独的排气管排气，虽然消除了各缸间的排气干扰，但会使涡轮供气间断，效率降低。这一问题必须依靠对排气管进行合理分组来解决。分组的原则是避免同组内各缸的排、扫气互相干扰。排气管分组是脉冲增压所必须采取的措施。
图10-9  脉冲废气涡轮增压系统图                   图10-10  排气脉冲波
所以脉冲增压最适合于气缸数是3的倍数的柴油机。例如某二冲程六缸柴油机的发火顺序为1-6-2-4-3-5，各缸发火间隔角为60º，则可把1、2、3缸分为一组，4、5、6缸分为另一组。
一般来说，大型低速二冲程柴油机的脉冲增压系统采用多台增压器。而四冲程柴油机为使结构布置紧凑，往往只采用一台脉冲涡轮增压器。为了防止排气干扰，往往将废气涡轮的喷嘴环分隔开，采用多进口的布置方案。
3．两种增压方式比较
在不同的增压压力下应当采用不同的增压方式。在低、中增压时，即当pk介于0.13～0.20 MPa之间时，采用脉冲增压可以更多地利用废气能量。虽然在结构、管理、涡轮效率等方面有缺点，但与其优点相比还是属于第二位的。所以，在这个增压压力范围内的柴油机绝大多数采用脉冲增压。而随着增压压力的提高，定压能的比例也随之增高，脉冲增压在废气能量利用方面的优势不存在了，而在结构、布置、涡轮效率等方面的问题上升为第一位的。因此，在高增压时均采用定压增压。如Sulzer公司 RND型以后的新机型、B＆W公司 KGF型以后的新机型，均采用定压涡轮增压。定压增压也是目前增压系统的发展方向。
第三节  废气涡轮增压器
废气涡轮增压器结构形式繁多。废气涡轮增压器是由废气涡轮和压气机两部分组成的。在废气涡轮增压器中一般都采用离心式压气机，故可依据所采用的涡轮机类型把废气涡轮增压器分为两大类：轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。目前，船用大、中型柴油机均采用轴流式涡轮增压器，径流式涡轮增压器仅用于中小型柴油机。
以在船用柴油机中用得较多的瑞士ABB公司制造的VTR型增压器为例介绍废气涡轮增压器的结构。VTR型增压器有0、1、4、4A四种系列产品，可以满足200kW～37000kW柴油机的匹配要求。
上图为VTR··0与VTR…1系列增压器剖视图。它由右侧的单级轴流式废气涡轮和左侧的单级离心式压气机组成。废气涡轮的叶轮和压气机的叶轮装在同一根轴上构成废气涡轮增压器的转子，由两端的轴承支承。
1．轴流式废气涡轮
废气涡轮由涡轮进气箱50、喷嘴环30、工作叶轮21、隔热墙70、燃气箱60等组成。进、排气箱内腔用水冷却。进气箱与排气箱之间用螺钉紧固。进气箱右部布置着轴承箱。排气箱下部装有增压器支架680。柴油机排出的废气由进气箱50下部引入涡轮，由排气箱上部排出。隔热墙70用绝热材料制成，避免废气对压气机叶轮和空气加热。
柴油机排出的废气经进气箱50送至喷嘴环30。喷嘴环由喷嘴内环、外环和喷嘴叶片组成。喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状，其作用是将柴油机排出的废气的压力能部分转变为动能，并使气流具有工作叶片所需要的方向。工作轮由轮盘和工作叶片组成，工作叶片轴向安装在轮盘边缘的槽口中。工作叶片叶根有机树形和球形两种。叶身为叶片的工作部分，其形状由气体流动情况决定。它沿着高度逐渐扭转。这是因为废气通过喷嘴进入叶轮时，气流的参数如压力和速度（大小和方向）等均沿叶片的高度而变化。为了减少气流流过叶片时的能量损失，要求叶片的形状与气流参数沿叶片的变化相适应，以提高涡轮效率。高速流动的气流进入工作轮的叶片通道，其中一部分能量转变为机械功，最后经排气箱排往大气。
2．离心式压气机
增压器的压气机主要由进气消音器80、进气箱72、压气机叶轮25、扩压器28、排气箱74等组成。空气从消音器滤网处进入。消音器80中的空气滤网、导流环对空气起滤清、导流、吸音（导流环由吸音材料制成）作用。进气箱由内、外进气壳共同组成进气通道，对吸入的空气起导流定向作用。进气箱的左部分布置着轴承箱。工作叶轮是压气机的主要部件。它是由前弯的导风轮和半开式工作轮组成的。导风轮的扭曲方向和角度应适应气流进入叶轮的相对流动方向，使气流平顺地从轴向转到径向，以减少进气流动损失；在工作轮上沿径向布置着直叶片，各叶片间形成气流通道。两部分分别装在转轴上。有叶扩压器28用焊钉固定在排气箱74上，其叶片间的气流通道呈扩张形。它将把压缩空气的动能变成压力能，以提高空气的排出压力。叶片环一般比圆环形平板圈窄一些，无叶片的圆环段同样起扩压作用，通常称之为无叶扩压器。一个工作轮与相邻的扩压器组成一个级。压气机排气箱74的主体是一个蜗壳状的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集从叶片扩压器流出的空气，一方面继续起着扩压作用。空气从蜗壳排出后经空气冷却器进入柴油机的扫气箱。
3．轴承
压气机叶轮25和涡轮机叶轮21装在同一根轴20的两端，构成增压器的转子。转子轴的两端由轴承32和38支承。这种支承为外支承式，它具有转子稳定性好，轴承受高温气体影响较小，便于密封，有利于增加轴承寿命等优点。但也存在着使涡轮增压器结构复杂，重量、尺寸增大，清洗涡轮增压器困难等问题。
在压气机端，由于叶轮出口的空气漏至叶轮右侧，其压力大于叶轮左侧的空气压力；在涡轮端，涡轮右侧的压力也大于涡轮左侧，因此在转子上作用着一个自右向左的轴向推力。必须在压气机端设一个支持止推轴承，承受转子的径向和轴向负荷，并起着转子轴向定位的作用。涡轮端的轴承是一个支持轴承，只承受转子的径向负荷，并允许产生一定的轴向位移以保证转子的热膨胀。
轴承32和38是滚动轴承，它的摩擦损失小，加速性能好；在其它增压器中，也有采用滑动轴承的。采用滑动轴承的构造简单，造价低廉，使用寿命较长。轴承封闭在轴承箱中，一般采用三种润滑方式：一是靠装在转轴上的甩油盘进行飞溅润滑；二是由涡轮增压器的专门油泵润滑；三是由柴油机的润滑系统供给滑油润滑。图中采用的是第二种方式。
4．气封与油封
为了防止燃气、空气和滑油漏泄，在轴承箱的内侧装有油封505、726，在叶轮两侧装有气封208、705、702、725。气封208处由扩压器28经通道X引入增压空气提高气封效果。在转子右端的油气封之间通过通道Z、左端油气封之间通过钻孔（图中未画出）与大气相通。
第四节  增压气与柴油机的配合
一、废气涡轮增压器的工作原理
1．单级轴流式涡轮机的基本工作原理（图10-22）
它的主要元件是固定的喷嘴环和旋的工作叶轮。一列喷嘴叶片和其后的一列工作叶片组成了涡轮机的一个级。图中上部为喷嘴环和工作叶轮的局部剖视图。中部的叶型断面是用一个通过I-I的圆柱面切割涡轮，将所得切面展开在平面上，称为平面叶栅。喷嘴环的各叶片间和叶轮各叶片之间构成了废气流道。废气流经喷嘴和叶轮时，其参数（压力p、温度T、流速c）沿流道的变化情况如图中下部所示。
图10-22  涡轮级中气流参数变化和速度三角形     图10-23  离心式压气机工作过程中参数变化情况
2．离心式压气机的基本工作原理（图10-23）
废气涡轮增压器的压气机一般都采用单级离心式压气机。它由进气道、工作轮、扩压器和排气涡壳组成。当压气机工作时，新鲜空气经进气道轴向进入压气机叶轮。由于通道的导流作用，气流能在最小的损失下均匀进入压气机叶轮。进气道是渐缩流道，在进气道中，压力、温度略有降低，流速提高。正是因为压力降低，空气才被吸入工作轮。空气进入压气机叶轮后，随叶轮高速回转，因而产生离心力。这样，空气在叶轮叶片间随叶轮作圆周运动的同时，在离心力的作用下向叶轮外缘流动并被压缩。在叶轮中气体的流速、压力、温度都升高了，其中流速提高了很多。这是由于叶轮对气体作功，把叶轮的机械能变成了气体的动能和压力能。气体被压缩时也提高了温度。在扩压器中，由于流道逐渐扩大，使空气的动能转换为压力能，流速降低，压力升高。排气蜗壳中的通道也是渐扩的，因而空气流过时继续将动能转换为压力能。
二、离心式压气机的工作特性及喘振机理（图10-24）
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。
图10-24  压气机流量特性
由压气机的特性曲线可以看到，当转速nk等于常数时，随着流量Gk的减小，增压比πk是开始是增加的。当Gk减小到某一值时，πk值达最大，然后随Gk的减小开始下降。效率ηk随流量Gk的变化规率与πk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。图10-25和图10-26为压气机流量变化时空气在叶轮前缘和扩压器中的流动情况。
在设计流量下，如两图a）所示，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，如两图b）中所示，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，如两图c）中所示，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。
图10-25  在一定转速、不回流量下叶片前缘的空气流动情况
图10-26  在一定转速、不同流量下叶片扩压器的空气流动情况
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。
三、柴油机增压系统中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．各种增压系统中增压器的运行特点
1）单独增压系统（图10-28）
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。
图10-28  单独增压系统工作线图   10-29  串联增压系统工作线   10-30  并联增压系统工作线
2）串联增压系统（图10-29）
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。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（图10-30）
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。MAN公司自KSZ－A型柴油机起，采用纯废气涡轮增压，并设一台电动辅助鼓风机，保证柴油机在50％以下负荷工作时的供气。