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柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的作用 |
摘要：進(jìn)氣系統(tǒng)的作用是保證柴油發(fā)電機(jī)的各氣缸在工作時(shí)得到充足的新鮮空氣和排出燃燒室內(nèi)燃燒后形成的廢氣。進(jìn)排氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管、排氣管、消聲器、氣缸蓋進(jìn)氣道及氣缸蓋排氣道等組成。另外為了提高柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，增壓柴油發(fā)電機(jī)裝有增壓器，高級(jí)增壓系統(tǒng)中還裝有中冷器等。柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本文主要介紹防爆型柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作用。
一、進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件作用
防爆型柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管、進(jìn)氣阻火柵欄，空氣關(guān)斷閥及空氣濾清器等組成。
1、進(jìn)氣阻火柵欄
進(jìn)氣阻火柵欄構(gòu)造為疊片式，由多塊1.2mm厚，51mm寬的不銹鋼板疊加在一起制成的一組柵欄，柵欄片與片的間隙≤0.5mm專為熄滅火焰之用。是為了防止柴油機(jī)氣缸內(nèi)可能返回的火焰直接通向大氣、火焰經(jīng)它熄滅，不至引燃工作環(huán)境的易燃?xì)?。為了保證柴油機(jī)有足夠的進(jìn)氣量，應(yīng)經(jīng)常清理柵欄的表面和間隙間的雜質(zhì)。清理時(shí)應(yīng)保證柵欄間隙不被破壞。空氣關(guān)斷閥是為了安全而設(shè)置的，在柴油機(jī)發(fā)生“飛車”現(xiàn)象時(shí)，用作緊急停車用。在空氣關(guān)斷閥關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)氣被完全切斷，在5～10秒內(nèi)，柴油機(jī)即可停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在正常工作狀況停機(jī)時(shí)，要使用停機(jī)開關(guān)，嚴(yán)禁使用空氣關(guān)斷閥停機(jī)。
2、空氣濾清器
空氣濾清器的作用是濾除掉空氣中的雜，以保證清潔的空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)。否則會(huì)導(dǎo)致氣缸套和活塞組零件早期磨損，縮短柴油發(fā)電機(jī)的使用受命，空氣濾清器一般又分為干式濾清器和濕式濾清器。
（1）紙質(zhì)干式空氣濾清器的結(jié)構(gòu)
它不需要加注機(jī)油，即可將空氣中的雜質(zhì)濾除，其原理是通過改變空氣流動(dòng)方向或使空氣穿過具有微孔的濾芯，以達(dá)到凈化空氣的目的。干式空氣濾清器的濾芯一般有金屬網(wǎng)狀濾芯和紙質(zhì)濾芯兩種。這兩種濾芯一般使用150h后，需要清除濾芯中的雜質(zhì)。金屬網(wǎng)狀漶芯取出后應(yīng)放在汽油中清洗，并用壓縮空氣吹干。紙質(zhì)濾芯取出后，一般用手或木棒輕輕敲擊其端面，使其吸附在濾芯上的灰塵和雜質(zhì)脫落。
（2）濕式濾清器
濕式濾清器殼的底部放置了一定量的機(jī)油，其日的是利用機(jī)油的黏性吸附進(jìn)入氣缸中空氣的灰塵和雜質(zhì)。目前，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)電機(jī)較多采用的是濕式空氣濾清器。
3、進(jìn)氣管
進(jìn)氣管是指氣缸蓋進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管道，一般是用鑄鐵或鋁合金鑄造，外觀示意圖如圖1所示。進(jìn)氣管的作用就是按照柴油機(jī)的工作次序，分別供給各缸充足的新鮮空氣（如圖2所示），因此進(jìn)氣管長(zhǎng)度應(yīng)盡量相等。進(jìn)氣管和排氣管分別安裝在氣缸蓋的兩側(cè)，如果在一側(cè)裝配，會(huì)使排氣管的高溫傳給進(jìn)氣管，造成進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度減小，影響進(jìn)氣量。同時(shí)，為了減小空氣的流通阻力，進(jìn)氣管內(nèi)壁一般要做的比較平整和光滑。
4、渦輪增壓器
廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)形式繁多。廢氣渦輪增壓器是由廢氣渦輪和壓氣機(jī)兩部分組成的。在廢氣渦輪增壓器中一般都采用離心式壓氣機(jī)，故可依據(jù)所采用的渦輪機(jī)類型把廢氣渦輪增壓器分為兩大類：軸流式渦輪增壓器和徑流式渦輪增壓器。目前，大、中型柴油機(jī)均采用軸流式渦輪增壓器，徑流式渦輪增壓器僅用于中小型柴油機(jī)。
以在柴油發(fā)電機(jī)中用得較多的VTR型增壓器為例介紹廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)。VTR型增壓器有0、1、4、4A四種系列產(chǎn)品，可以滿足50kW～2200kW柴油機(jī)的匹配要求。它由右側(cè)的單級(jí)軸流式廢氣渦輪和左側(cè)的單級(jí)離心式壓氣機(jī)組成。廢氣渦輪的葉輪和壓氣機(jī)的葉輪裝在同一根軸上構(gòu)成廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，由兩端的軸承支承。
（1）軸流式廢氣渦輪
廢氣渦輪由渦輪進(jìn)氣箱、噴嘴環(huán)、工作葉輪、隔熱墻、燃?xì)庀涞冉M成。進(jìn)、排氣箱內(nèi)腔用水冷卻。進(jìn)氣箱與排氣箱之間用螺釘緊固。進(jìn)氣箱右部布置著軸承箱。排氣箱下部裝有增壓器支架。柴油機(jī)排出的廢氣由進(jìn)氣箱下部引入渦輪，由排氣箱上部排出。隔熱墻70用絕熱材料制成，避免廢氣對(duì)壓氣機(jī)葉輪和空氣加熱。
柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)進(jìn)氣箱送至噴嘴環(huán)。噴嘴環(huán)由噴嘴內(nèi)環(huán)、外環(huán)和噴嘴葉片組成。噴嘴葉片形成的通道從進(jìn)口到出口呈收縮狀，其作用是將柴油機(jī)排出的廢氣的壓力能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，并使氣流具有工作葉片所需要的方向。工作輪由輪盤和工作葉片組成，工作葉片軸向安裝在輪盤邊緣的槽口中。工作葉片葉根有機(jī)樹形和球形兩種。葉身為葉片的工作部分，其形狀由氣體流動(dòng)情況決定。它沿著高度逐漸扭轉(zhuǎn)。這是因?yàn)閺U氣通過噴嘴進(jìn)入葉輪時(shí)，氣流的參數(shù)如壓力和速度（大小和方向）等均沿葉片的高度而變化。為了減少氣流流過葉片時(shí)的能量損失，要求葉片的形狀與氣流參數(shù)沿葉片的變化相適應(yīng)，以提高渦輪效率。高速流動(dòng)的氣流進(jìn)入工作輪的葉片通道，其中一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，最后經(jīng)排氣箱排往大氣。
（2）離心式壓氣機(jī)
增壓器的壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣消音器、進(jìn)氣箱、壓氣機(jī)葉輪、擴(kuò)壓器、排氣箱等組成?？諝鈴南羝鳛V網(wǎng)處進(jìn)入。消音器80中的空氣濾網(wǎng)、導(dǎo)流環(huán)對(duì)空氣起濾清、導(dǎo)流、吸音（導(dǎo)流環(huán)由吸音材料制成）作用。進(jìn)氣箱由內(nèi)、外進(jìn)氣殼共同組成進(jìn)氣通道，對(duì)吸入的空氣起導(dǎo)流定向作用。進(jìn)氣箱的左部分布置著軸承箱。工作葉輪是壓氣機(jī)的主要部件。它是由前彎的導(dǎo)風(fēng)輪和半開式工作輪組成的。導(dǎo)風(fēng)輪的扭曲方向和角度應(yīng)適應(yīng)氣流進(jìn)入葉輪的相對(duì)流動(dòng)方向，使氣流平順地從軸向轉(zhuǎn)到徑向，以減少進(jìn)氣流動(dòng)損失；在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成氣流通道。兩部分分別裝在轉(zhuǎn)軸上。有葉擴(kuò)壓器28用焊釘固定在排氣箱上，其葉片間的氣流通道呈擴(kuò)張形。它將把壓縮空氣的動(dòng)能變成壓力能，以提高空氣的排出壓力。葉片環(huán)一般比圓環(huán)形平板圈窄一些，無葉片的圓環(huán)段同樣起擴(kuò)壓作用，通常稱之為無葉擴(kuò)壓器。一個(gè)工作輪與相鄰的擴(kuò)壓器組成一個(gè)級(jí)。壓氣機(jī)排氣箱的主體是一個(gè)蝸殼狀的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集從葉片擴(kuò)壓器流出的空氣，一方面繼續(xù)起著擴(kuò)壓作用?？諝鈴奈仛づ懦龊蠼?jīng)空氣冷卻器進(jìn)入柴油機(jī)的掃氣箱。
（3）軸承
壓氣機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪裝在同一根軸的兩端，構(gòu)成增壓器的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子軸的兩端由軸承和支承。這種支承為外支承式，它具有轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性好，軸承受高溫氣體影響較小，便于密封，有利于增加軸承壽命等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著使渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、尺寸增大，清洗渦輪增壓器困難等問題。
在壓氣機(jī)端，由于葉輪出口的空氣漏至葉輪右側(cè)，其壓力大于葉輪左側(cè)的空氣壓力；在渦輪端，渦輪右側(cè)的壓力也大于渦輪左側(cè)，因此在轉(zhuǎn)子上作用著一個(gè)自右向左的軸向推力。必須在壓氣機(jī)端設(shè)一個(gè)支持止推軸承，承受轉(zhuǎn)子的徑向和軸向負(fù)荷，并起著轉(zhuǎn)子軸向定位的作用。渦輪端的軸承是一個(gè)支持軸承，只承受轉(zhuǎn)子的徑向負(fù)荷，并允許產(chǎn)生一定的軸向位移以保證轉(zhuǎn)子的熱膨脹。
軸承是滾動(dòng)軸承，它的摩擦損失小，加速性能好；在其它增壓器中，也有采用滑動(dòng)軸承的。采用滑動(dòng)軸承的構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用壽命較長(zhǎng)。軸承封閉在軸承箱中，一般采用三種潤(rùn)滑方式：一是靠裝在轉(zhuǎn)軸上的甩油盤進(jìn)行飛濺潤(rùn)滑；二是由渦輪增壓器的專門油泵潤(rùn)滑；三是由柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)供給滑油潤(rùn)滑。圖中采用的是第二種方式。
（4）氣封與油封
為了防止燃?xì)?、空氣和滑油漏泄，在軸承箱的內(nèi)側(cè)裝有油封，在葉輪兩側(cè)裝有氣封。氣封處由擴(kuò)壓器經(jīng)通道X引入增壓空氣提高氣封效果。在轉(zhuǎn)子右端的油氣封之間通過通道、左端油氣封之間通過鉆孔與大氣相通。
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圖1 四缸機(jī)進(jìn)氣管外觀示意圖 |
圖2 柴油機(jī)進(jìn)氣管工作原理圖 |
二、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件作用
防爆型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)由水夾層排氣管、水夾層彎管、水夾層波紋管、廢氣處理箱和排氣阻火柵欄以及補(bǔ)水箱等組成。
1、排氣系統(tǒng)的類型
排氣系統(tǒng)一般有單排氣系統(tǒng)和雙排氣系統(tǒng)兩種類型，單排氣系統(tǒng)應(yīng)用于直列式柴油發(fā)電機(jī)和部分 V型柴油發(fā)電機(jī)，雙排氣系統(tǒng)用于V型柴油發(fā)電機(jī)。
（1）單排氣系統(tǒng)
直列式柴油發(fā)電機(jī)在排氣行程期間，氣缸中的廢氣經(jīng)排氣門進(jìn)入排氣歧管，再由排氣歧管進(jìn)入排氣管、三元催化器和消聲器，最后由排氣尾管排到大氣中。V型柴油發(fā)電機(jī)有兩個(gè)排氣歧管，在大多數(shù)裝配V型柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組上仍采用單排氣系統(tǒng)，即通過一個(gè)叉形管將兩個(gè)排氣歧管連接到一個(gè)排氣管上。
（2）雙排氣系統(tǒng)
有些12V型柴油發(fā)電機(jī)采用兩個(gè)單排氣系統(tǒng)，即每個(gè)排氣歧管各自連接一個(gè)排氣管、消聲器和排氣尾管，這種布置形式稱為雙排氣系統(tǒng)。雙排氣系統(tǒng)降低了排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力，使柴油發(fā)電機(jī)排氣更為順暢。
2、廢氣處理箱
（1） 水夾層排氣管、水夾層彎管和水夾層波紋管，水夾層中的水作為冷卻液與柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)聯(lián)通封閉循環(huán)冷卻，保證排氣管表面溫度不超150℃。各部件之間在連接處通過橡膠軟管將各水夾層聯(lián)通，使水夾層形成了一個(gè)通暢的循環(huán)水路。水夾層波紋管位于柴油機(jī)和廢氣處理箱之間，主要起減震的作用。
（2） 廢氣處理箱內(nèi)有排氣阻火柵欄、水浴箱和膨脹箱。用以處理由排氣管進(jìn)入的廢氣。主要用作熄滅廢氣中的火焰、進(jìn)一步冷卻和洗滌廢氣，清除炭煙及溶解廢氣中的部分有害物質(zhì)。經(jīng)過排氣阻火柵欄熄滅火焰和水浴處理后的廢氣經(jīng)膨脹箱、排氣尾管通向大氣。
（3） 排氣阻火柵欄構(gòu)造為疊片式，由多塊1.2mm厚，51mm寬的不銹鋼板疊加在一起制成的一組柵欄，柵欄片與片的間隙≤0.5mm專為熄滅火焰之用。要及時(shí)清理柵欄的表面和間隙間的雜質(zhì)和積炭，以保證排氣的暢通。排氣阻火柵欄，要做到每天一清理，清理時(shí)打開維修門，松動(dòng)頂緊輪，抽出柵欄，清理兩表面上的積炭和雜質(zhì)，然后將柵欄裝回頂緊，關(guān)閉維修門并鎖住。維修清理時(shí)應(yīng)保證柵欄間隙不被破壞。
（4） 廢氣處理箱中的水量控制，廢氣處理箱中的水量約50升，與補(bǔ)水箱連通。廢氣處理箱中水量的大小由進(jìn)水浮球閥和水位報(bào)警浮球控制，進(jìn)水浮球閥控制最高水位和在水量不足時(shí)由補(bǔ)水箱向廢氣處理箱中補(bǔ)水。水位報(bào)警浮球在水位降至最低控制水位且補(bǔ)水箱無法正常向廢氣處理箱中補(bǔ)水時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)裝置報(bào)警并在1分鐘內(nèi)使柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)。因此，每次工作前必須將補(bǔ)水箱加滿水，在工作中要隨時(shí)觀察補(bǔ)水箱的水位，及時(shí)加水保證防爆柴油機(jī)工作正常。
（5） 氣密封襯墊，在進(jìn)、排氣的管路中，各連接法蘭處都夾有密封襯墊，襯墊均采用特制的銅皮包封石棉板制成，具有良好的彈性、拆裝時(shí)若發(fā)現(xiàn)有損壞或失去彈性應(yīng)予更換，對(duì)各處的密封面不許有任何碰傷和劃痕。
2、消聲器
（1）消聲器的作用：
消聲器主要是減少?gòu)U氣排出時(shí)的噪聲。消聲器一般用鋼板沖壓并經(jīng)焊接而成，與排氣管連接示意圖如圖3所示。在裝配時(shí)，消聲器帶有斜面的出口要朝下，以防止雨水或異物進(jìn)入。
（2）消聲器的原理：
排氣門剛打開時(shí)，排氣壓力和溫度非常高，具有一定的能量，同時(shí)，由于排氣的間歇性，排氣管內(nèi)產(chǎn)生排氣壓力脈動(dòng)。如果讓廢氣直接排入大氣，必然產(chǎn)生強(qiáng)烈的、頻譜比較復(fù)雜的噪聲，讓排氣通過消聲器，可以逐漸降低排氣壓力和衰減排氣脈動(dòng)，從而降低排氣噪聲。
3、排氣管
排氣管的作用是按照柴油機(jī)各缸的工作次序，分別把燃燒室燃燒后形成的廢氣從燃燒室中排出。排氣管一般采用鑄鐵鑄造。為了減小排氣阻力，排氣管內(nèi)壁要做的直徑較大且平整和光滑。同時(shí)，排氣外管的彎曲度要做的盡可能小，否則會(huì)影響柴油機(jī)的輸出功率。其中，排氣管墊作用是密封排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接，結(jié)構(gòu)如圖4所示。排氣管墊是裝配在排氣管與缸蓋排氣口之間，用來防止燃燒后的高溫氣體從連接處泄漏的一種彈性密封墊片。
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圖3 消聲器及排煙管安裝圖 |
圖4 柴油機(jī)排氣歧管密封墊結(jié)構(gòu)圖 |
總結(jié)：
柴油機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)向氣缸提供清潔的充足的新鮮空氣，排除作功后的廢氣。增壓柴油機(jī)還有進(jìn)一步利用排出氣缸的燃?xì)饽芰?，使進(jìn)入氣缸的空氣預(yù)先增壓和冷卻，,從而增加氣缸的進(jìn)氣密度，達(dá)到提高柴油機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性的目的。因此，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)良好性會(huì)直接影響柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能。
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