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柴油发动机涡轮增压技术研究

责任编辑:礼德动力    发布时间:2020-11-02     【

[摘 要]近些年,随着人们认识的提高和科技的进步,机械领域涡轮增压这一技术的快速发展,使得柴油机等动力机械方面得到了长足的发展。为了推广涡轮增压技术,本文对此作以研究分析。

[关键词]农业机械;涡轮;增压技术;原理;应用

随着我国近几年农业机械的发展与进步,农业机械化率也在不断地提高,农业机械正向着大型化方向迈进。但是,近几年随着农业机械的增多,以及世界石油价格的不断上涨,空气污染现象不断增多,如何有效地利用能源这一课题也展现出来。由于涡轮增压这一新的技术可以很好地提高发动机的燃烧率,从而减少有害气体的排放量,特别是在空气稀薄的高原地区,空气密度对发动机性能影响很大。海拔高度每升高1000米时,发动机功率会下降8%到10%左右,油耗增加4%到5%左右。如果使用涡轮增压器,就可减少对发动机性能的负面影响。而且增压器消耗的功率是由发动机排出的废气提供的,并不消耗发动机输出的有效功率。所以,近年来这一技术应运而生,并快速发展。

一.涡轮增压器的原理

涡轮增压器(Tubro)是由涡轮室和增压器组成的机器,涡轮室进气口与排气歧管相连,排气口接在排气管上;增压器进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上(图1)。

增压器实际上是一种空气压缩器。发动机是靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的,输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制,所产生的功率也会受到限制。涡轮增压器是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内),涡轮又带动同轴的叶轮(位于进气道内),叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,废气排出速度与涡轮转速也同步加快,空气压缩程度就得以加大,发动机的进气量就相应地得到增加,空气的压力和密度的增加可以燃烧更多的燃料,相应同等的燃料量就会燃烧的更加充分和彻底了,这样在同样的燃料的情况下就可以增加发动机的输出功率了。

二.涡轮增压器的分类

涡轮增压从工作方式上基本上可以分为以下几种系统:

1.废气涡轮增压系统:利用发动机排出的废气达到增压目的。增压器与发动机无任何机械联系,压气机由内燃机废气驱动的涡轮来带动。一般增压压力可达180~200kPa,或300kPa左右,需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。这种的增压器常见与各类农用拖拉机或小型汽车中。

优点:增加效率高于机械增压;

缺点:发动机动力输出略滞后于油门的开启,加大油门后一般需要等片刻,稍后发动机会有惊人的动力爆发(也不能算是缺点)。

2.机械增压系统(supperchargersystem):装置在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接,从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转,从而将空气增压吹到进气岐道里。

优点:转子的速度与发动机转速是相对应的,所以没有滞后或超前,动力输出更为流畅;

图1 废气涡轮增压器

缺点:由于它要消耗部分引擎动力,会导致增压效率不高。

3.复合增压系统:即在发动机上,既采用废气涡轮增压器,又同时应用机械驱动式增压器。此外还有惯性增压、气波增压等其他增压方式。

三.柴油发动机安装或未安装涡轮增压器对比分析

随着我国农用车会商用车市场的迅猛发展及排放法规的不断升级,涡轮增压技术在柴油发动机中的应用也越来越广泛,一台好的涡轮增压器能通过利用发动机废气中的剩余能量,促使发动机燃烧更充分从而增加发动机的功率。

1.一台装有涡轮增压器的发动机的功率输出与其非增压时相比可增加40%或更多,其动力性的优势比较明显。

2.提高燃油的经济性:涡轮增压发动机与非增压时相比可节省油耗20%或更多。这对于当前国际价不断高涨的情况下来说,有着非常积极的现实意义。

3.降低废气排放:涡轮增压技术的应用使得柴油发动机可以轻松满足欧Ⅱ欧Ш的排放法规的要求。

可以说涡轮增压的优势比较明显,但事物都有其相对的方面,涡轮增压也有其不足的方面。

1.采用涡轮增压的弊端。一台涡轮增压器可以增加一台柴油机的功率,但它对柴油机的寿命却有很大的影响,一台普通的柴油机在加了涡轮增压器后,使用寿命将缩短一些。要安装涡轮增压机构的柴油机,其相应的机构的强度也要相应的加强。另外,由于涡轮的转速很高,这就要求在进气机构有相应的进气冷却机构,否则,涡轮增压器的效率将大打折扣。

2.增加保养维修费用。涡轮增压发动机在工作时,将其性能发挥得淋漓尽致,但这种接近极限的高速运转,也会增加其磨损的程度,特别是叶轮。对于车主来说,在车子的保养上,就比其他车主多了一项更换叶轮的费用。

3.虽然涡轮增压技术可以加强燃料的燃烧率,但同时它也对机体的强度有了一定的要求,同时对柴油机的寿命也有一定的影响。一般涡轮在怠速时就高达一万转左右,高速可达三万转以上,正是由于涡轮的高转速,这就要求有相应的润滑措施和降温机构。配置涡轮增压的涡柴油机,其价格要比没有安装增压机构的柴油机要高以些。

综上所述,可见采用涡轮增压技术的发动机的优点是显而易见的,它可在不增加发动机排量的基础上大幅度提高功率和扭矩。其输出的最大功率与未装增压器的相比,可增加大约40%甚至更多。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率,或者说,一台小排量的发动机经增压后,可以产生较大排量发动机相同的功率。另外,发动机在采用了增压技术后,还能提高燃油经济性和降低尾气排放。在动力性和经济性等方面的优势非常明显。通过调查研究,采用普通的涡轮增压器对于发动机的总体价格没有大的影响,一般价格就在几千元的水平。但其应用价值是很明显,这对与我国提倡的兴建节约型社会是很有意义的。

四.涡轮增压技术的应用前景

随着这些年我省乃至我国的农业的发展,农业机械也向着大型化和集约化的方向发展,加之国际石油价格的居高不下,各国环保意识的不断强化,这些都要求我们在动力机械的动力性和经济性及环保型等方面做更好的平衡。涡轮增压这一新技术必将有很大的发展范围。随着我国农用车和商用车市场的迅猛发展及排放法规的不断升级,涡轮增压技术在柴油发动机中的应用也会越来越广泛,一台好的涡轮增压器能通过利用发动机废气中的剩余能量,促使发动机燃烧更充分,从而增加发动机的功率。

五.结束语

总之,从长远看,我国将呈现柴油机逐步取代汽油机的趋势,尤其要达到欧Ⅱ标准。涡轮增压是一项关键技术,其发展空间是非常巨大的。总体上看,涡轮增压技术作为一项很有应用意义的技术在我国未来的农业现代化建设中将有广阔的应用前景,在我国农业机械化过程中也必将有广阔的应用天地。