新聞主題	柴油發動機進氣系統的布置要求、結構組成及流量計算

 

摘要：柴油機進氣系統由進氣管，空氣濾清器，進氣歧管，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（節氣門體式）和進氣充分均勻地供給各氣缸。因此，柴油發電機進氣系統的結構和流動性能的優劣將直接影響柴油發電機的動力性、經濟性和排放特性。其中，增壓器被設置于排氣管的后端，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、中間體、進氣口和出氣口，其中，進氣口朝向前端布置，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面，且位于飛輪殼的上方，空氣濾清器的高度應低于發動機本體的最高點；壓氣機和進氣管采用側面連接結構，從而降低發動機整機高度。

 

一、進氣系統作用和布置

 

      內燃機在工作過程中，要求一定比例的空氣以確保燃料燃燒充分。為了防止外界雜質進入發動機氣缸引起磨損，要求對進入氣缸的空氣進行必要的清潔處理。因此決定了對空濾器除了濾清效率的要求外，還要求它在保養期的進氣量（可用進氣阻力表示）不影響發動機的設計指標?？諡V器流量不足（即進氣阻力超過要求的進氣允許阻力），發動機的表現為油耗逐漸上升、排放溫度升高、功率逐漸下降。

      要對一種發動機進氣系統進行設計，首先要明確該車搭載的發動機對進氣系統的要求，其次要知道柴油發電機組對進氣系統總成布置的要求。

1、進氣系統的功用

      發動機進氣系統關系到發動機動力性、經濟性、進氣噪聲、柴油機的煙度等性能。

（1）為發動機提供足量的空氣，以保證發動機功率的正常發揮（進氣阻力增加6Kpa，功率下降3%左右）。

（2）有足夠的濾清效率及過濾精度，濾除空氣中的硬質灰塵顆粒，降低灰塵對發動機的磨損；

（3）對進氣產生一定的抑制作用，降低進氣噪音。

2、空氣濾清器布置要求

      空氣濾清器作為發動機進氣系統的一部分，在系統布置時，必須從整個進氣系統考慮以下幾點：

（1）空氣濾清器進口處的溫度，不應過高，不應超出環境溫度的15℃（較高要求為不超過8℃），進氣溫度過高會降低發動機充氣系數。

（2）進氣口應避免吸入雨雪及發動機排出的廢氣。

（3）進氣口應避開負壓區，集灰區，甩泥區?？諡V進口應盡量升高，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）空氣濾清器至發動機進氣口之間的管子應減少接口數量，接口卡箍沿管壁360º密封。

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

3、進氣管路布置要求

（1）剛性管道：

      必須絕對氣密，而且能經受得住發動機振動和壓力脈沖所引起的機械壓力。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，內部要清理。管道內表面必須清潔，無焊瘤、銹層、氧化皮等進行防銹處理。進氣鋼管不允許內表面涂漆處理。

      管道須根據發動機的安裝檢查振動情況，并盡可能增加固定支架。

（2）軟管：

      由于發動機彈性支撐在車架上，在使用過程中會發生抖動，而空濾器一般剛性連接于車架上，對此必須在進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，軟管的縱向中心線應盡可能與主振動方向垂直。

（3）橡膠管的密封

      為了不讓灰塵通過連接部位進入管路（即短路），膠管與剛性硬管連接時必須用卡箍可靠連接，確?？煽棵芊狻Ｒ话氵€要求在進氣硬管上增加限位凸臺。由于進氣管路內負壓并不是很大（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箍,橡膠件的扦接長度應不小于40 mm,卡箍位于密封凸臺后。

4、進氣真空度要求

       進氣系統的真空度用充水的U形管來測量,對非增壓發動機,不帶負荷,在額定轉速下于發動機的進氣管口前不遠處測量;對增壓發動機,在全負荷\額定轉速下,于壓氣機進口前清潔空氣管上測量。

表1    紙芯空氣濾臟污后的許用進氣阻力（單位mmH2O）

 

 二、進氣系統結構組成

 

1、進氣管

      進氣管的設計目的是消除各缸之間的進氣干涉、排氣干擾，提高充氣效率。在設計進氣歧管時要充分利用進氣管的波動效應和慣性效應，提高進氣終了時的進氣壓力，提高充氣效率。設計出最佳的管長和管徑，就能在發動機一定的轉速范圍內增加充氣量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和煙度。進氣管外觀與位置如圖1所示。

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

（2）進氣管通常用鋼板沖壓焊接或用鑄鐵、鑄鋁制成。

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

2、進氣歧管

      柴油機進氣歧管示例如圖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）進氣歧管內氣體流道的長度應盡可能相等。

（3）進氣歧管的內壁應該光滑，減小氣體流動阻力。

 

圖1  柴油機進氣管示意圖

圖2  柴油機進氣歧管示意圖

 

3、空氣濾清器

       空氣濾清器是汽缸吸入新鮮空氣的“大門”，它的功用是清除進入汽缸空氣中的灰塵雜質，將干凈的空氣送入汽缸內。由于空氣中含有大量的灰塵和雜質，發動機工作時，空氣中的灰塵和雜質隨空氣一起被吸入汽缸內，與機油混合在一起，造成汽缸、活塞組及氣門機構等零件嚴重磨損，使柴佃機位用期限大為縮短。試驗證明，如果柴油發電機不裝空氣濾清器，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，活塞環的磨損增大9倍。由此可知，空氣濾清器對柴油發電機的使用壽命有著極大的影響，因此，在使用時，應定期清洗空氣濾清器，保證氣道暢通，滿足柴油發電機對進氣量的要求，防止由此而產生的故障?？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方向或使空氣通過帶有孔隙濾心的機械方法，使空氣凈化，因它不需加注機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濾心之分。135、125和105系列柴油發電機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動機上濾芯多為金屬絲，清洗后可重復使用。

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

③ 濕式空氣濾清器結構由外殼、濾心和上蓋等構成。其外殼底部裝有一定數量的機油，濾心套裝在殼體中間的出氣筒上，上面蓋著上蓋，結合畫處用橡膠套圈密封。

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

（3）旋風式空氣濾清器

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

      目前，柴油發電機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，應保持器底機油液面的高度，即與外殼上凹進部分同高，一般每工作（100～150）h應認真清洗一次，并更換機油。在灰塵較多的地方，清洗的時間應縮短。

      增壓器與發動機無任何機械聯系，實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪（見圖4所示），葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。

      當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量就可以增加發動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發動機功率及扭矩要增大20%—30%。但是廢氣渦輪增壓器技術也有其必須注意的地方，那就是泵輪和渦輪由一根軸相連，也就是轉子，發動機排出的廢氣驅動泵輪，泵輪帶動渦輪旋轉，渦輪轉動后給進氣系統增壓。增壓器安裝在發動機的排氣一側，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時轉子的轉速非常高，可達到每分鐘十幾萬轉，如此高的轉速和溫度使得常見的機械滾針或滾珠軸承無法為轉子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，由機油來進行潤滑，還有冷卻液為增壓器進行冷卻。

      渦輪增壓器是利用發動機排出的廢氣驅動渦輪，由于它工作的環境經常處于高速、高溫下工作，增壓器廢氣渦輪端的溫度在600度以上，增壓器的轉速也非常高，因此為了保證增壓器的正常工作，對它的正確使用和維護十分重要。

 

圖3  柴油機空氣濾清器位置示意圖

圖4   廢氣渦輪增壓系統剖面圖（葉輪放大圖）

 

三、進氣流量計算

 

      一般發動機的進氣流量是發動機廠通過臺架試驗進行測量，然后在主機廠進行進氣系統設計時提出相應要求。在發動機廠未明確要求進氣流量的情況下，柴油發電機廠家可通過以下的近似計算結果設計空濾器及管路。以下對非增壓與增壓兩種發動機進氣流量的計算方法分別進行介紹。

1、非增壓發動機空氣流量的計算

      可以通過以下經驗公式計算獲得

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——發動機轉速（r/min）；

η_v——充氣系數，柴油機取0.85，汽油機取0.75；

Z——缸數系數，4缸機以上取1。

2、 增壓發動機空氣流量的計算

      對于增壓（含中冷）發動機，發動機的進氣量也就是發動機在額定轉速下增壓器的進氣流量，一般在發動機的性能試驗報告中可以查到，單位kg/s。將其轉換成我們常用的體積流量公式為：

Q=3600·Mc/γc

式中，Q——柴油機所需空氣量（m³/h）；

Mc——額定狀態下增壓器質量流量（kg/s）；

γc——空氣密度（kg/m³）。

3、其他方法

      如果發動機實驗報告上不能提供準確的進氣流量數值，也可通過以下計算方法進行估算：

（1）根據發動機增壓器壓比、增壓器出氣溫度、發動機進氣溫度以及發動機常規參數確定。該方法需要發動機進行必要的實驗，測量也比較方便。

Q=0.03V_h·n·η_v·η_s·A

式中，A=I·（T₀/T）^0.75；

Q——柴油機所需空氣量（m³/h）；

A——增壓系數；

V_h——活塞總排量（l）；

n——發動機轉速（r/min）；

η_s——掃氣系數，增壓機取1.05；

η_v——充氣系數，柴油機取0.85；

I——增壓器壓比（增壓器出口與進口空氣壓力的比值）；

T₀——增壓器進氣溫度（K）；

T——發動機進氣溫度（K）（增壓機為增壓器出口溫度，增壓中冷發動機為中冷后發動機進氣溫度）。

（2）根據進氣密度近似計算空氣流量

Q=0.03*V_h*n*ψ_k*ρ_k/γ_c

式中，ρ_k=P₂/（RT）；

Q——柴油機所需空氣量（m³/h）；

ρ_k——進入發動機的空氣密度（kg/m³）；

P₂——進入發動機的空氣壓力（Pa）；

R——氣體常數。對空氣R=287；

T——發動機進氣溫度（K）（增壓機為增壓器出口溫度，增壓中冷發動機為中冷后溫度）；

Vh——發動機排量（（l）；

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

ρ_k——增壓后進氣密度；

γ_c——空氣密度（kg/m³）；

 

總結：

     綜上所述，柴油發電機組進氣排氣系統作為柴油發動機的重要組成部分，其作用是將外界空氣引入發動機內進行燃燒，以輸出電力，并將燃燒產生的廢氣排放到環境中。了解進氣排氣系統的工作原理，能夠更好地掌握柴油發電機組的運行原理，對于提高電力輸出和保護環境具有重要意義。因此，上文中詳細介紹了柴油發電機組進氣排氣系統的組成部分和工作原理。通過深入了解柴油發電機組的進氣排氣系統，讀者可以更好地掌握其運行原理，提高電力輸出和保護環境。

 

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