新聞主題	柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的布置要求、結(jié)構(gòu)組成及流量計(jì)算

 

摘要：柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管，空氣濾清器，進(jìn)氣歧管，渦輪增壓器等組成。其作用為提供清潔新鮮空氣，合適濃度的混合氣（節(jié)氣門體式）和進(jìn)氣充分均勻地供給各氣缸。因此，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)性能的優(yōu)劣將直接影響柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性。其中，增壓器被設(shè)置于排氣管的后端，通過排氣管的排氣口法蘭安裝面來支撐增壓器，增壓器包括壓氣機(jī)、中間體、進(jìn)氣口和出氣口，其中，進(jìn)氣口朝向前端布置，排氣口朝向后端布置；空氣濾清器通過空濾支架被固定在氣缸蓋的側(cè)面，且位于飛輪殼的上方，空氣濾清器的高度應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)本體的最高點(diǎn)；壓氣機(jī)和進(jìn)氣管采用側(cè)面連接結(jié)構(gòu)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)高度。

 

一、進(jìn)氣系統(tǒng)作用和布置

 

      內(nèi)燃機(jī)在工作過程中，要求一定比例的空氣以確保燃料燃燒充分。為了防止外界雜質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸引起磨損，要求對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行必要的清潔處理。因此決定了對(duì)空濾器除了濾清效率的要求外，還要求它在保養(yǎng)期的進(jìn)氣量（可用進(jìn)氣阻力表示）不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)?？諡V器流量不足（即進(jìn)氣阻力超過要求的進(jìn)氣允許阻力），發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)為油耗逐漸上升、排放溫度升高、功率逐漸下降。

      要對(duì)一種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要明確該車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的要求，其次要知道柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)總成布置的要求。

1、進(jìn)氣系統(tǒng)的功用

      發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、進(jìn)氣噪聲、柴油機(jī)的煙度等性能。

（1）為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足量的空氣，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率的正常發(fā)揮（進(jìn)氣阻力增加6Kpa，功率下降3%左右）。

（2）有足夠的濾清效率及過濾精度，濾除空氣中的硬質(zhì)灰塵顆粒，降低灰塵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損；

（3）對(duì)進(jìn)氣產(chǎn)生一定的抑制作用，降低進(jìn)氣噪音。

2、空氣濾清器布置要求

      空氣濾清器作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的一部分，在系統(tǒng)布置時(shí)，必須從整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）空氣濾清器進(jìn)口處的溫度，不應(yīng)過高，不應(yīng)超出環(huán)境溫度的15℃（較高要求為不超過8℃），進(jìn)氣溫度過高會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)。

（2）進(jìn)氣口應(yīng)避免吸入雨雪及發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣。

（3）進(jìn)氣口應(yīng)避開負(fù)壓區(qū)，集灰區(qū)，甩泥區(qū)?？諡V進(jìn)口應(yīng)盡量升高，放在頂部，以降低吸入空氣的含塵濃度，空氣灰塵濃度與地面距離高度三次方成反比。

（4）空氣濾清器至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口之間的管子應(yīng)減少接口數(shù)量，接口卡箍沿管壁360º密封。

（5）空氣濾清器裝在發(fā)電機(jī)組上，容易讓人接近，便于保養(yǎng)，外殼上在醒目的位置貼上明確的保養(yǎng)說明。

3、進(jìn)氣管路布置要求

（1）剛性管道：

      必須絕對(duì)氣密，而且能經(jīng)受得住發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和壓力脈沖所引起的機(jī)械壓力。無縫鋼管及塑料管道能適用這一要求；也可以采用薄鋼板的焊接管，但其先決條件是焊縫致密，內(nèi)部要清理。管道內(nèi)表面必須清潔，無焊瘤、銹層、氧化皮等進(jìn)行防銹處理。進(jìn)氣鋼管不允許內(nèi)表面涂漆處理。

      管道須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝檢查振動(dòng)情況，并盡可能增加固定支架。

（2）軟管：

      由于發(fā)動(dòng)機(jī)彈性支撐在車架上，在使用過程中會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，而空濾器一般剛性連接于車架上，對(duì)此必須在進(jìn)氣管道上裝上具有減震作用的彈性管路（如橡膠管）。

      在管路布置時(shí)，軟管的縱向中心線應(yīng)盡可能與主振動(dòng)方向垂直。

（3）橡膠管的密封

      為了不讓灰塵通過連接部位進(jìn)入管路（即短路），膠管與剛性硬管連接時(shí)必須用卡箍可靠連接，確?？煽棵芊?。一般還要求在進(jìn)氣硬管上增加限位凸臺(tái)。由于進(jìn)氣管路內(nèi)負(fù)壓并不是很大（一般小于10 kPa），最常用的緊固件是蝸桿緊固的帶式卡箍或鋼絲環(huán)箍,橡膠件的扦接長(zhǎng)度應(yīng)不小于40 mm,卡箍位于密封凸臺(tái)后。

4、進(jìn)氣真空度要求

       進(jìn)氣系統(tǒng)的真空度用充水的U形管來測(cè)量,對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī),不帶負(fù)荷,在額定轉(zhuǎn)速下于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管口前不遠(yuǎn)處測(cè)量;對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī),在全負(fù)荷\額定轉(zhuǎn)速下,于壓氣機(jī)進(jìn)口前清潔空氣管上測(cè)量。

表1    紙芯空氣濾臟污后的許用進(jìn)氣阻力（單位mmH2O）

 

 二、進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

 

1、進(jìn)氣管

      進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)目的是消除各缸之間的進(jìn)氣干涉、排氣干擾，提高充氣效率。在設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管時(shí)要充分利用進(jìn)氣管的波動(dòng)效應(yīng)和慣性效應(yīng)，提高進(jìn)氣終了時(shí)的進(jìn)氣壓力，提高充氣效率。設(shè)計(jì)出最佳的管長(zhǎng)和管徑，就能在發(fā)動(dòng)機(jī)一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增加充氣量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和煙度。進(jìn)氣管外觀與位置如圖1所示。

（1）進(jìn)氣管和進(jìn)氣道柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，新鮮空氣通過進(jìn)氣管和汽缸蓋中的進(jìn)氣道進(jìn)入汽缸內(nèi)。為了使進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣不致受熱而影響進(jìn)氣量，通常柴油發(fā)電機(jī)都將進(jìn)氣管與排氣管分別裝在汽缸蓋的兩側(cè)。并要求進(jìn)氣通道截面積應(yīng)足夠大，內(nèi)表面應(yīng)平整光滑，使空氣流通阻力盡可能小。

（2）進(jìn)氣管通常用鋼板沖壓焊接或用鑄鐵、鑄鋁制成。

（3）進(jìn)氣管側(cè)面有四個(gè)氣口分別與四個(gè)汽缸蓋上的進(jìn)氣道相通，其上端總進(jìn)氣口與空氣濾清器相連。

2、進(jìn)氣歧管

      柴油機(jī)進(jìn)氣歧管示例如圖2所示。

（1）將空氣-燃油混合氣或潔凈空氣均勻分配到各缸。

（2）進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流道的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能相等。

（3）進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁應(yīng)該光滑，減小氣體流動(dòng)阻力。

 

圖1  柴油機(jī)進(jìn)氣管示意圖

圖2  柴油機(jī)進(jìn)氣歧管示意圖

 

3、空氣濾清器

       空氣濾清器是汽缸吸入新鮮空氣的“大門”，它的功用是清除進(jìn)入汽缸空氣中的灰塵雜質(zhì)，將干凈的空氣送入汽缸內(nèi)。由于空氣中含有大量的灰塵和雜質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣中的灰塵和雜質(zhì)隨空氣一起被吸入汽缸內(nèi)，與機(jī)油混合在一起，造成汽缸、活塞組及氣門機(jī)構(gòu)等零件嚴(yán)重磨損，使柴佃機(jī)位用期限大為縮短。試驗(yàn)證明，如果柴油發(fā)電機(jī)不裝空氣濾清器，其磨損危害性是：汽缸的磨損增大8倍，活塞的磨損增大3倍，活塞環(huán)的磨損增大9倍。由此可知，空氣濾清器對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命有著極大的影響，因此，在使用時(shí)，應(yīng)定期清洗空氣濾清器，保證氣道暢通，滿足柴油發(fā)電機(jī)對(duì)進(jìn)氣量的要求，防止由此而產(chǎn)生的故障?？諝鉃V清器位置如圖3所示。

（1）干式空氣濾清器

      干式空氣濾清器是利用改變空氣流動(dòng)方向或使空氣通過帶有孔隙濾心的機(jī)械方法，使空氣凈化，因它不需加注機(jī)油故稱為干式空氣濾清器。由于濾心不同，故有金屬濾心和紙質(zhì)濾心之分。135、125和105系列柴油發(fā)電機(jī)通常采用此種空氣濾清器，也有用“濕式”濾清器。

（2）濕式空氣濾清器

① 用于在多塵條件下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)上濾芯多為金屬絲，清洗后可重復(fù)使用。

② 濕式空氣濾清器的底部裝有一定數(shù)量的機(jī)油，利用機(jī)油的粘性作用，將空氣中的灰塵、雜質(zhì)被吸附下來。

③ 濕式空氣濾清器結(jié)構(gòu)由外殼、濾心和上蓋等構(gòu)成。其外殼底部裝有一定數(shù)量的機(jī)油，濾心套裝在殼體中間的出氣筒上，上面蓋著上蓋，結(jié)合畫處用橡膠套圈密封。

④ 柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，空氣從進(jìn)氣口沿外殼里層高速吸入形成旋轉(zhuǎn)的氣流，然后在外殼與濾心之間向下流動(dòng)，當(dāng)接觸到濾清器下部的機(jī)油面時(shí)，其流動(dòng)方向急轉(zhuǎn)向上，于是使空氣中較重的塵粒因慣性力作用落入機(jī)油中，同時(shí)，空氣流轉(zhuǎn)向上方時(shí)，將一部分機(jī)油夾帶到濾芯上，使空氣中所含的塵土被粘在有機(jī)油的濾芯上。經(jīng)過這樣過濾處理，空氣中的灰塵等雜質(zhì)（95～97）%被過濾掉，凈化后的空氣經(jīng)中央氣道和進(jìn)氣管進(jìn)入汽缸。

（3）旋風(fēng)式空氣濾清器

      這種空氣濾清器是利用旋風(fēng)器（即離心元件）使空氣產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，空氣中的灰塵在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下分離出去，達(dá)到凈化空氣的目的。工作時(shí)，空氣從罩蓋與上體之間空間處，沿離心元件葉片方向流動(dòng)進(jìn)入旋風(fēng)器。使空氣產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，空氣中的灰塵在離心力作用下被甩向旋風(fēng)器內(nèi)壁，然后從下部除塵孔甩出去，落到上體內(nèi)。干凈空氣沿離心元件體中間短管進(jìn)入下體，由下體出氣口送到增壓器中。

      目前，柴油發(fā)電機(jī)上所使用的空氣濾清器，大多采用的是慣性油浴式空氣濾清器，工作時(shí)，應(yīng)保持器底機(jī)油液面的高度，即與外殼上凹進(jìn)部分同高，一般每工作（100～150）h應(yīng)認(rèn)真清洗一次，并更換機(jī)油。在灰塵較多的地方，清洗的時(shí)間應(yīng)縮短。

      增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪（見圖4所示），葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。

      當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%—30%。但是廢氣渦輪增壓器技術(shù)也有其必須注意的地方，那就是泵輪和渦輪由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)泵輪，泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī)械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動(dòng)軸承，由機(jī)油來進(jìn)行潤(rùn)滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。

      渦輪增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，由于它工作的環(huán)境經(jīng)常處于高速、高溫下工作，增壓器廢氣渦輪端的溫度在600度以上，增壓器的轉(zhuǎn)速也非常高，因此為了保證增壓器的正常工作，對(duì)它的正確使用和維護(hù)十分重要。

 

圖3  柴油機(jī)空氣濾清器位置示意圖

圖4   廢氣渦輪增壓系統(tǒng)剖面圖（葉輪放大圖）

 

三、進(jìn)氣流量計(jì)算

 

      一般發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量是發(fā)動(dòng)機(jī)廠通過臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，然后在主機(jī)廠進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出相應(yīng)要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)廠未明確要求進(jìn)氣流量的情況下，柴油發(fā)電機(jī)廠家可通過以下的近似計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)空濾器及管路。以下對(duì)非增壓與增壓兩種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的計(jì)算方法分別進(jìn)行介紹。

1、非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的計(jì)算

      可以通過以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得

Q=0.03V_h·n·η_v·Z

式中，Q——額定空氣流量（m³/h）；

V_h——活塞總排量（l）；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

η_v——充氣系數(shù)，柴油機(jī)取0.85，汽油機(jī)取0.75；

Z——缸數(shù)系數(shù)，4缸機(jī)以上取1。

2、 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的計(jì)算

      對(duì)于增壓（含中冷）發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量也就是發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下增壓器的進(jìn)氣流量，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)報(bào)告中可以查到，單位kg/s。將其轉(zhuǎn)換成我們常用的體積流量公式為：

Q=3600·Mc/γc

式中，Q——柴油機(jī)所需空氣量（m³/h）；

Mc——額定狀態(tài)下增壓器質(zhì)量流量（kg/s）；

γc——空氣密度（kg/m³）。

3、其他方法

      如果發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告上不能提供準(zhǔn)確的進(jìn)氣流量數(shù)值，也可通過以下計(jì)算方法進(jìn)行估算：

（1）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器壓比、增壓器出氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)參數(shù)確定。該方法需要發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量也比較方便。

Q=0.03V_h·n·η_v·η_s·A

式中，A=I·（T₀/T）^0.75；

Q——柴油機(jī)所需空氣量（m³/h）；

A——增壓系數(shù)；

V_h——活塞總排量（l）；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

η_s——掃氣系數(shù)，增壓機(jī)取1.05；

η_v——充氣系數(shù)，柴油機(jī)取0.85；

I——增壓器壓比（增壓器出口與進(jìn)口空氣壓力的比值）；

T₀——增壓器進(jìn)氣溫度（K）；

T——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度（K）（增壓機(jī)為增壓器出口溫度，增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)為中冷后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度）。

（2）根據(jù)進(jìn)氣密度近似計(jì)算空氣流量

Q=0.03*V_h*n*ψ_k*ρ_k/γ_c

式中，ρ_k=P₂/（RT）；

Q——柴油機(jī)所需空氣量（m³/h）；

ρ_k——進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密度（kg/m³）；

P₂——進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓力（Pa）；

R——氣體常數(shù)。對(duì)空氣R=287；

T——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度（K）（增壓機(jī)為增壓器出口溫度，增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)為中冷后溫度）；

Vh——發(fā)動(dòng)機(jī)排量（（l）；

ψ_k——過量掃氣系數(shù)：氣閥重疊角0°~30°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)ψk=0.9；氣閥重疊角50°~70°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)ψk=1；氣閥重疊角100°~140°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)ψk=1.1；

ρ_k——增壓后進(jìn)氣密度；

γ_c——空氣密度（kg/m³）；

 

總結(jié)：

     綜上所述，柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣排氣系統(tǒng)作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其作用是將外界空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行燃燒，以輸出電力，并將燃燒產(chǎn)生的廢氣排放到環(huán)境中。了解進(jìn)氣排氣系統(tǒng)的工作原理，能夠更好地掌握柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理，對(duì)于提高電力輸出和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。因此，上文中詳細(xì)介紹了柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣排氣系統(tǒng)的組成部分和工作原理。通過深入了解柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)氣排氣系統(tǒng)，讀者可以更好地掌握其運(yùn)行原理，提高電力輸出和保護(hù)環(huán)境。

 

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