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防爆型柴油發電機的進排氣系統作用

 

摘要：進排氣系統是指防爆型柴油發電機在工作時需要進氣系統和排氣系統的輔助，相當于人類身體中的呼吸系統，其作用是提供干凈且足夠的空氣給氣缸，排氣系統是以最低的排氣阻力和噪聲將廢氣排到大氣中。由于柴油自身在燃燒過程中會產生較大的功率，且相對于汽油來說也具有一定的經濟性，因而柴油機會被廣泛的應用于發電機組中。雖然柴油機在功率上有較大的優勢，但是在環保方面卻存在一定的弊端，對柴油機的進排氣結構進行優化設計將會有助于柴油機工作過程中噪音的降低、廢氣排放量的降低等。

 

一、電噴柴油機的進排氣設計

 

      進氣和排氣系統的工作原理如圖1所示，空氣流向路徑如圖2所示。

1、電噴機型進氣系統設計

       對于柴油機進氣系統結構的設計主要包括空氣濾清器與進氣支管的設計，其空氣循環示意圖如圖3所示。下面我們將單獨分析兩種不同零件結構的設計方法。

（1）空氣濾清器的設計

      空氣濾清器的作用主要在于凈化進入氣缸內的空氣，空氣中含有很多雜質，如果不經過濾清器直接進入進氣管然后進入氣缸，就會加速氣缸內機械部件的損壞，進而會減少發動機部件的使用壽命。由此可見，空氣理濾清器在進氣系統中很重要。空氣濾清器的性能好壞，重點在于所選擇的材料，目前最新一代的空氣濾清器采用的是復合型濾網，即是由低阻高效HEPA濾材與高效改性活性炭復合制成，其與普通濾網有加大的差別，比普通濾網的過濾效果更優化。

（2）進氣導流管的設計

      柴油發電機上的進氣導流管的設計直接影響空氣的進氣速度與進氣效能，空氣進入進氣導流管之后，其流動是被動的，其依靠發動機的諧振以及進氣導管的特殊結構，進而保證其進氣速度。為保證進氣導管中空氣流動速度與流動效果比較穩定，本文所設計的柴油機中的進氣導流管應為細長類型。

（3）進氣支管的設計

      進氣支管設計會直接影響柴油發電機的效能，進氣歧管的作用是為每一個氣缸導出柴油燃燒過程中所需要的空氣，由于柴油機的每個氣缸的燃燒狀態是相似的，所以每一個氣缸的進氣支管的長度和彎曲度也要盡量保持一致，同時，為保證空氣在支管中有較高的流速，支管內壁的光滑度也有一定的要求，為保證進氣支管散熱均勻、輕量，具有較高的進氣能力，柴油機的進氣支管多由鋁合金材質制造而成，但隨著新材料的發展與應用，復合材料制成的進氣支管應用也十分的廣泛。

（4）進氣系統的方案

      為保證柴油機在運行過程中的高低速的要求，進一步保證進氣歧管的諧波效應，本文將會采用對于可變進氣系統的方案設計。

      根據柴油機的運行需求，我們知道每一根進氣歧管中的空氣會以脈沖的方式進入氣缸，較長的進氣歧管能滿足柴油機低速的需求，而相對而言，較短的進氣歧管會滿足柴油機高速勻速，因而本文為保證柴油機運轉穩定采用可變長度的進氣歧管，即每個進氣歧管都包含兩種（一長一短）進氣方式，由專門的空氣控制閥來控制空氣從哪一個進氣歧管流入，發動機具有中低速扭矩要求時，外側通道的空氣會有長進氣管進入氣缸。反之亦然，柴油發電機具有高扭矩要求時，外側通道的空氣會由短進氣管進入氣缸。

2、電噴機型排氣系統設計

      柴油機排氣系統的結構設計中，主要設計兩個方面：其一，排氣支管的設計，需要解決的技術問題為保證氣缸內廢氣不產生氣流干擾而順暢地排出去，防止廢氣倒流。另外，消聲器的設計，保證氣體排放的噪音能夠有效地被降低。

（1）排氣歧管的設計

      排氣歧管的設計中，形狀是設計中的關鍵因素，形狀的優化可避免氣缸內氣體作用力的相互干擾，進而有效防止尾氣倒流情況的發生。為了有效防止上述情況的發生，我們盡量在設計排氣歧管不去過多的干涉氣體排放的走向，而是順著氣體的慣性排出，進入排氣管后，盡可能的加長排氣歧管的長度以合理的降低尾氣排放阻力。排氣歧管的設計需保持等長度且要相互獨立。對于四缸柴油機來說，為保證排氣中氣體不相互干擾，可將1,4缸的排氣支管匯合在一起，將2,3缸的匯合在一起，二者可以很好地滿足以上的要求。

（2）消聲結構的設計

      柴油機氣缸產生的廢氣并不能直接排到大氣中去，這是因為從氣缸中出來的廢氣溫度比較高，廢氣的壓力比較大，帶有較高的能量，同時排氣量的大小會隨著發動機的工作功率，有間歇性的變化，這種氣體也會在排氣管中產生壓力脈沖，促使排氣管會發生振動，排出的氣體也會產生強烈的空氣流動，從而會產生較大的噪音。為了能夠有效的降低排氣過程中產生的噪音，我們會專門的在發電機組的排氣管上加裝消音器銳減氣體的排放壓力及噪音，最終能夠促使噪音水平控制在標準數值之內，滿足于國家規定的排放標準。

      消聲器的設計中外殼部分為雙層鋼板焊接制成（外觀如圖4所示）， 另外，在消聲器的內部會將內殼作成波紋狀，以此來進一步讓氣體經過更多的時間和流程才能夠排出去，消聲器設計的目的在于消耗尾氣的排放能力與排氣壓力。有利于排氣脈動的散射，不讓脈動形成尖波狀，避免出現能量集中區域消聲效果是最好的。

 

圖1  柴油機進排氣系統工作原理圖	圖2  柴油發動機進氣和排氣路徑圖
圖3  柴油機進氣系統空氣循環示意圖	圖4  柴油機一級消聲器剖析圖

 

二、防爆柴油機進排氣設計

 

1、防爆機型進氣系統設計

      進氣系統由進氣管、進氣阻火柵欄，空氣關斷閥及空氣濾清器等組成。

（1）進氣阻火柵欄

      進氣阻火柵欄構造為疊片式，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。是為了防止柴油機氣缸內可能返回的火焰直接通向大氣、火焰經它熄滅，不至引燃工作環境的易燃氣。

      為了保證防爆型柴油發電機有足夠的進氣量，應經常清理柵欄的表面和間隙間的雜質。清理時應保證柵欄間隙不被破壞。空氣關斷閥是為了安全而設置的，在防爆型柴油發電機發生"飛車"現象時，用作緊急停車用。在空氣關斷閥關閉狀態下進氣被完全切斷，在5~10秒內，防爆型柴油發電機即可停止運轉。在正常工作狀況停機時，要使用停機開關，嚴禁使用空氣關斷閥停機。

（2）空氣濾清器

       空氣濾清器的主要組成部分（如圖5所示）是濾芯和機殼，其中濾芯是主要的過濾部分，承擔著氣體的過濾工作，而機殼是為濾芯提供必要保護的外部結構。使用一段時間后必須更換，否則會存在空氣空氣過濾不充分的缺點，還會導致空氣濾清器被灰塵阻塞，被阻塞后，進氣阻力增大，導致可燃混合氣變濃，使柴油機的輸出功率下降，燃油消耗增高，長期下去甚至會影響到柴油機械壽命。 

（3）進氣管

      進氣管是柴油發電機進氣系統的重要零件（如圖6所示），常安裝于柴油發電機的頂部，但因其整體由金屬管端成型機擠壓成型，剛性較強，彎折后結構強度下降。柴油發電機工作時會連帶柴油發電機進氣管一起振動，長期使用，柴油發電機進氣管彎折處容易發生裂紋等缺陷。 

2、防爆機型排氣系統設計

      排氣系統由水夾層排氣管、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水箱等組成。 

（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防爆型柴油發電機冷卻系統聯通封閉循環冷卻，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通，使水夾層形成了一個通暢的循環水路。水夾層波紋管位于防爆型柴油發電機和廢氣處理箱之間，主要起減震的作用。

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