增壓技術對礦用發(fā)動機功率的影響

孟兆凱

【摘要】渦輪增壓技術能夠有效改善發(fā)動機的動力特性和燃油經(jīng)濟性，在國內(nèi)外得到了非常廣泛的應用。本文主要介紹了渦輪增加技術的原理和優(yōu)勢，給出了發(fā)動機功率大小的影響因素，對采用渦輪增壓技術后各個參數(shù)的變化情況進行了介紹，得到了增壓后發(fā)動機功率變化的趨勢，并且通過實驗驗證了發(fā)動機功率大小的變化情況。

【關鍵詞】渦輪增壓；發(fā)動機；功率大小

渦輪增壓技術是目前常用的一種提高發(fā)動機功率的措施，能夠起到提高發(fā)動機功率，降低其運行經(jīng)濟成本和減少其廢氣排放量的作用。據(jù)統(tǒng)計我國絕大多數(shù)的發(fā)動機都采用了先進的渦輪增壓技術，使原有發(fā)動機的功率提高了40%-60%左右，發(fā)動機內(nèi)的有效壓力能夠達到3MPa以上，極大的提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。渦輪增壓器具有較廣的轉速范圍，目前其轉速能夠達到250000轉每分鐘，但是要想實現(xiàn)發(fā)動機功率的最優(yōu)，必須加強發(fā)動機和渦輪增壓器之間的參數(shù)匹配。隨著對發(fā)動機性能的不斷增加，渦輪增壓技術是未來發(fā)動機發(fā)展的主要方向，也是提高發(fā)動機功率因素的必然途徑。

1、渦輪增壓的原理和優(yōu)勢

渦輪增壓技術在使用過程中利用發(fā)動機中產(chǎn)生的廢氣推動其內(nèi)部渦輪的旋轉，進而帶動葉輪的旋轉，達到對空濾器中空氣增壓的目的。進入到氣缸中的增壓空氣具有較大的密度，從而提高發(fā)動機氣功中空氣的燃燒比，實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率的提高。隨著發(fā)動機轉速的加快，氣缸中廢氣的排出速度和渦輪增壓器中的渦輪旋轉速度越快，葉輪就能夠將更多的壓縮空氣帶入氣缸，提高發(fā)動機運行過程燃料的消耗量，進而增加發(fā)動機的輸出功率。一個完整的渦輪增壓系統(tǒng)需要包含空氣壓縮機、渦輪機和中冷器等部件，以完成對空氣進行壓縮的目的。

渦輪增壓技術能夠有效提高發(fā)動機的輸出功率，具有較好的經(jīng)濟性，與此同時它還有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）體積小，渦輪增壓器的尺寸和質量較小，能夠在不增加發(fā)動機質量的前提下實現(xiàn)其功率的提高，特別是在大型發(fā)動機中具有較高的優(yōu)勢。（2）發(fā)動機中產(chǎn)生的廢氣壓力能夠在渦輪中得到進一步的降低，降低了廢氣噪聲對發(fā)動機性能的影響。（3）增壓后發(fā)動機氣缸中的空氣系數(shù)提高，燃料能夠得到充分的燃燒，排放出的有害氣體HC、CO以及微粒的數(shù)量得到了降低，實現(xiàn)了對環(huán)境的有效保護。（4）能夠適用于高原地區(qū)中發(fā)動機功率性能的恢復，通過空氣壓縮使發(fā)動機能夠達到跟平原環(huán)境下相同的性能，具有較好的推廣可行性。

但是采用渦輪增壓技術后氣缸中空氣的壓力和溫度得到了明顯的提高，發(fā)動機的所要承受的負荷量較大，對發(fā)動機的質量有了更高的要求。另外該技術不適用于發(fā)動機在低速條件下運行。

2、渦輪增壓技術對礦用發(fā)動機功率的影響

發(fā)動機功率大小的計算公式如下：

由此我們可以看出在發(fā)動機的轉速n和空氣過量系數(shù)φa不變的情況下，如果采用渦輪增壓技術，進入到發(fā)動機的空氣熱效率ηit會上升。機械效率ηm也會隨著壓力的增加而增加。經(jīng)過壓縮后的空氣密度ρs較大，特別是壓縮空氣經(jīng)過中冷裝置后，其密度會進一步增加。渦輪增壓過程中隨著掃氣工作的進行，加快了氣缸中廢氣的排除速度，減少了對進入空氣的加熱作用，充量系數(shù) 得到了有效提高。由于發(fā)動機的功率大小跟這些參數(shù)成正比關系，所以增壓后發(fā)動機的功率會得到明顯的提高。

為了驗證渦輪增壓技術對發(fā)動機功率的影響大小，我們對不同轉速下發(fā)動機增壓前后的功率大小進行了實驗，實驗結果如下圖1所示。

通過對圖1中所示數(shù)據(jù)，我們可以看出采用增壓技術后，由于輸入到發(fā)動機中空氣壓力的增加，發(fā)動機輸出功率的大小得到了明顯的提高。特別是在4500轉每分鐘時，發(fā)動機功率跟非增壓相比提高了53.1%，達到了最大。在5000轉每分鐘時，發(fā)動機的輸出功率有所降低，主要是由于發(fā)動機的增壓壓力較小造成的。

3、發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配

為了能夠保證發(fā)動機和增壓器之間的有效配合，需要對二者的參數(shù)大小進行設置，以實現(xiàn)發(fā)動機功率的最優(yōu)。通過對其工作原理的分析，我們知道渦輪增壓器和發(fā)動機之間通過空氣聯(lián)系在一起，沒有直接的機械部件聯(lián)系，因此在進行二者參數(shù)匹配時，主要對其氣體流動參數(shù)進行設定。

對于發(fā)動機來說其轉速和負荷大小是影響其排氣量大小和溫度的主要因素，采用增壓技術后，氣體排放參數(shù)的大小會反過來影響進入氣缸中空氣參數(shù)的大小，進而影響發(fā)動機工作過程中的性能的排氣狀態(tài)。為此在進行匹配過程中需要保證以下幾個方面的參數(shù)：（1）渦輪機和壓氣機安裝在同一主軸上，保證工作過程中二者具有相同的轉速。（2）渦輪機的實際輸出功率和壓氣機所需要消耗的功率大小相等。（3）通過增壓裝置的氣體流量等于發(fā)動機進口處的空氣流量和發(fā)動機燃油流量的綜合。

因此必須適當降低發(fā)動機中壓縮比的大小，增加發(fā)動機每個循環(huán)中的供油量大小。即適當增加發(fā)動機柱塞直徑和噴孔直徑的大小，提高供油功率和噴油壓力，保證發(fā)動機工作過程中油料有足夠的貫穿距離。另外還可以通過適當?shù)臏p小噴油提前角和加大氣門疊開角等措施來實現(xiàn)增壓系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)之間動力的匹配。

結論

隨著時代的發(fā)展，對發(fā)動機性能的要求越來越高，實驗證明改變其轉速不能夠達到功率提升的目的。渦輪增壓技術通過改變進入發(fā)動機氣功中空氣的密度，實現(xiàn)了對發(fā)動機功率大小的調(diào)節(jié)。增壓技術具有體積小和質量輕的優(yōu)點，能夠在不改變原有發(fā)動機質量的前提下，提高其進氣壓力，降低進氣溫度。通過本文的分析，增壓技術通過調(diào)節(jié)影響發(fā)動機功率各個參數(shù)的大小，達到提高發(fā)動機功率的目的。

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