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柴油发电机的进气和排气系统的作用 |
摘要：进气系统的作用是保证柴油发电机的各气缸在工作时得到充足的新鲜空气和排出燃烧室内燃烧后形成的废气。进排气系统主要由空气滤清器、进气管、排气管、消声器、气缸盖进气道及气缸盖排气道等组成。另外为了提高柴油发电机的输出功率，增压柴油发电机装有增压器，高级增压系统中还装有中冷器等。柴油发电机进、排气系统的结构。本文主要介绍防爆型柴油发电机组的进气和排气系统结构及作用。
一、进气系统结构与部件作用
防爆型柴油发电机进气系统由进气管、进气阻火栅栏，空气关断阀及空气滤清器等组成。
1、进气阻火栅栏
进气阻火栅栏构造为叠片式，由多块1.2mm厚，51mm宽的不锈钢板叠加在一起制成的一组栅栏，栅栏片与片的间隙≤0.5mm专为熄灭火焰之用。是为了防止柴油机气缸内可能返回的火焰直接通向大气、火焰经它熄灭，不至引燃工作环境的易燃气。为了保证柴油机有足够的进气量，应经常清理栅栏的表面和间隙间的杂质。清理时应保证栅栏间隙不被破坏。空气关断阀是为了安全而设置的，在柴油机发生“飞车”现象时，用作紧急停车用。在空气关断阀关闭状态下进气被完全切断，在5～10秒内，柴油机即可停止运转。在正常工作状况停机时，要使用停机开关，严禁使用空气关断阀停机。
2、空气滤清器
空气滤清器的作用是滤除掉空气中的杂，以保证清洁的空气进入气缸内。否则会导致气缸套和活塞组零件早期磨损，缩短柴油发电机的使用受命，空气滤清器一般又分为干式滤清器和湿式滤清器。
（1）纸质干式空气滤清器的结构
它不需要加注机油，即可将空气中的杂质滤除，其原理是通过改变空气流动方向或使空气穿过具有微孔的滤芯，以达到净化空气的目的。干式空气滤清器的滤芯一般有金属网状滤芯和纸质滤芯两种。这两种滤芯一般使用150h后，需要清除滤芯中的杂质。金属网状漶芯取出后应放在汽油中清洗，并用压缩空气吹干。纸质滤芯取出后，一般用手或木棒轻轻敲击其端面，使其吸附在滤芯上的灰尘和杂质脱落。
（2）湿式滤清器
湿式滤清器壳的底部放置了一定量的机油，其日的是利用机油的黏性吸附进入气缸中空气的灰尘和杂质。目前，进口和国产柴油发电机较多采用的是湿式空气滤清器。
3、进气管
进气管是指气缸盖进气道之前的进气管道，一般是用铸铁或铝合金铸造，外观示意图如图1所示。进气管的作用就是按照柴油机的工作次序，分别供给各缸充足的新鲜空气（如图2所示），因此进气管长度应尽量相等。进气管和排气管分别安装在气缸盖的两侧，如果在一侧装配，会使排气管的高温传给进气管，造成进入气缸内的空气密度减小，影响进气量。同时，为了减小空气的流通阻力，进气管内壁一般要做的比较平整和光滑。
4、涡轮增压器
废气涡轮增压器结构形式繁多。废气涡轮增压器是由废气涡轮和压气机两部分组成的。在废气涡轮增压器中一般都采用离心式压气机，故可依据所采用的涡轮机类型把废气涡轮增压器分为两大类：轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。目前，大、中型柴油机均采用轴流式涡轮增压器，径流式涡轮增压器仅用于中小型柴油机。
以在柴油发电机中用得较多的VTR型增压器为例介绍废气涡轮增压器的结构。VTR型增压器有0、1、4、4A四种系列产品，可以满足50kW～2200kW柴油机的匹配要求。它由右侧的单级轴流式废气涡轮和左侧的单级离心式压气机组成。废气涡轮的叶轮和压气机的叶轮装在同一根轴上构成废气涡轮增压器的转子，由两端的轴承支承。
（1）轴流式废气涡轮
废气涡轮由涡轮进气箱、喷嘴环、工作叶轮、隔热墙、燃气箱等组成。进、排气箱内腔用水冷却。进气箱与排气箱之间用螺钉紧固。进气箱右部布置着轴承箱。排气箱下部装有增压器支架。柴油机排出的废气由进气箱下部引入涡轮，由排气箱上部排出。隔热墙70用绝热材料制成，避免废气对压气机叶轮和空气加热。
柴油机排出的废气经进气箱送至喷嘴环。喷嘴环由喷嘴内环、外环和喷嘴叶片组成。喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状，其作用是将柴油机排出的废气的压力能部分转变为动能，并使气流具有工作叶片所需要的方向。工作轮由轮盘和工作叶片组成，工作叶片轴向安装在轮盘边缘的槽口中。工作叶片叶根有机树形和球形两种。叶身为叶片的工作部分，其形状由气体流动情况决定。它沿着高度逐渐扭转。这是因为废气通过喷嘴进入叶轮时，气流的参数如压力和速度（大小和方向）等均沿叶片的高度而变化。为了减少气流流过叶片时的能量损失，要求叶片的形状与气流参数沿叶片的变化相适应，以提高涡轮效率。高速流动的气流进入工作轮的叶片通道，其中一部分能量转变为机械功，最后经排气箱排往大气。
（2）离心式压气机
增压器的压气机主要由进气消音器、进气箱、压气机叶轮、扩压器、排气箱等组成。空气从消音器滤网处进入。消音器80中的空气滤网、导流环对空气起滤清、导流、吸音（导流环由吸音材料制成）作用。进气箱由内、外进气壳共同组成进气通道，对吸入的空气起导流定向作用。进气箱的左部分布置着轴承箱。工作叶轮是压气机的主要部件。它是由前弯的导风轮和半开式工作轮组成的。导风轮的扭曲方向和角度应适应气流进入叶轮的相对流动方向，使气流平顺地从轴向转到径向，以减少进气流动损失；在工作轮上沿径向布置着直叶片，各叶片间形成气流通道。两部分分别装在转轴上。有叶扩压器28用焊钉固定在排气箱上，其叶片间的气流通道呈扩张形。它将把压缩空气的动能变成压力能，以提高空气的排出压力。叶片环一般比圆环形平板圈窄一些，无叶片的圆环段同样起扩压作用，通常称之为无叶扩压器。一个工作轮与相邻的扩压器组成一个级。压气机排气箱的主体是一个蜗壳状的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集从叶片扩压器流出的空气，一方面继续起着扩压作用。空气从蜗壳排出后经空气冷却器进入柴油机的扫气箱。
（3）轴承
压气机叶轮和涡轮机叶轮装在同一根轴的两端，构成增压器的转子。转子轴的两端由轴承和支承。这种支承为外支承式，它具有转子稳定性好，轴承受高温气体影响较小，便于密封，有利于增加轴承寿命等优点。但也存在着使涡轮增压器结构复杂，重量、尺寸增大，清洗涡轮增压器困难等问题。
在压气机端，由于叶轮出口的空气漏至叶轮右侧，其压力大于叶轮左侧的空气压力；在涡轮端，涡轮右侧的压力也大于涡轮左侧，因此在转子上作用着一个自右向左的轴向推力。必须在压气机端设一个支持止推轴承，承受转子的径向和轴向负荷，并起着转子轴向定位的作用。涡轮端的轴承是一个支持轴承，只承受转子的径向负荷，并允许产生一定的轴向位移以保证转子的热膨胀。
轴承是滚动轴承，它的摩擦损失小，加速性能好；在其它增压器中，也有采用滑动轴承的。采用滑动轴承的构造简单，造价低廉，使用寿命较长。轴承封闭在轴承箱中，一般采用三种润滑方式：一是靠装在转轴上的甩油盘进行飞溅润滑；二是由涡轮增压器的专门油泵润滑；三是由柴油机的润滑系统供给滑油润滑。图中采用的是第二种方式。
（4）气封与油封
为了防止燃气、空气和滑油漏泄，在轴承箱的内侧装有油封，在叶轮两侧装有气封。气封处由扩压器经通道X引入增压空气提高气封效果。在转子右端的油气封之间通过通道、左端油气封之间通过钻孔与大气相通。
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图1 四缸机进气管外观示意图 |
图2 柴油机进气管工作原理图 |
二、排气系统结构与部件作用
防爆型柴油机排气系统由水夹层排气管、水夹层弯管、水夹层波纹管、废气处理箱和排气阻火栅栏以及补水箱等组成。
1、排气系统的类型
排气系统一般有单排气系统和双排气系统两种类型，单排气系统应用于直列式柴油发电机和部分 V型柴油发电机，双排气系统用于V型柴油发电机。
（1）单排气系统
直列式柴油发电机在排气行程期间，气缸中的废气经排气门进入排气歧管，再由排气歧管进入排气管、三元催化器和消声器，最后由排气尾管排到大气中。V型柴油发电机有两个排气歧管，在大多数装配V型柴油发电机的发电机组上仍采用单排气系统，即通过一个叉形管将两个排气歧管连接到一个排气管上。
（2）双排气系统
有些12V型柴油发电机采用两个单排气系统，即每个排气歧管各自连接一个排气管、消声器和排气尾管，这种布置形式称为双排气系统。双排气系统降低了排气系统内的压力，使柴油发电机排气更为顺畅。
2、废气处理箱
（1） 水夹层排气管、水夹层弯管和水夹层波纹管，水夹层中的水作为冷却液与柴油机冷却系统联通封闭循环冷却，保证排气管表面温度不超150℃。各部件之间在连接处通过橡胶软管将各水夹层联通，使水夹层形成了一个通畅的循环水路。水夹层波纹管位于柴油机和废气处理箱之间，主要起减震的作用。
（2） 废气处理箱内有排气阻火栅栏、水浴箱和膨胀箱。用以处理由排气管进入的废气。主要用作熄灭废气中的火焰、进一步冷却和洗涤废气，清除炭烟及溶解废气中的部分有害物质。经过排气阻火栅栏熄灭火焰和水浴处理后的废气经膨胀箱、排气尾管通向大气。
（3） 排气阻火栅栏构造为叠片式，由多块1.2mm厚，51mm宽的不锈钢板叠加在一起制成的一组栅栏，栅栏片与片的间隙≤0.5mm专为熄灭火焰之用。要及时清理栅栏的表面和间隙间的杂质和积炭，以保证排气的畅通。排气阻火栅栏，要做到每天一清理，清理时打开维修门，松动顶紧轮，抽出栅栏，清理两表面上的积炭和杂质，然后将栅栏装回顶紧，关闭维修门并锁住。维修清理时应保证栅栏间隙不被破坏。
（4） 废气处理箱中的水量控制，废气处理箱中的水量约50升，与补水箱连通。废气处理箱中水量的大小由进水浮球阀和水位报警浮球控制，进水浮球阀控制最高水位和在水量不足时由补水箱向废气处理箱中补水。水位报警浮球在水位降至最低控制水位且补水箱无法正常向废气处理箱中补水时，启动自动保护装置报警并在1分钟内使柴油机自动停机。因此，每次工作前必须将补水箱加满水，在工作中要随时观察补水箱的水位，及时加水保证防爆柴油机工作正常。
（5） 气密封衬垫，在进、排气的管路中，各连接法兰处都夹有密封衬垫，衬垫均采用特制的铜皮包封石棉板制成，具有良好的弹性、拆装时若发现有损坏或失去弹性应予更换，对各处的密封面不许有任何碰伤和划痕。
2、消声器
（1）消声器的作用：
消声器主要是减少废气排出时的噪声。消声器一般用钢板冲压并经焊接而成，与排气管连接示意图如图3所示。在装配时，消声器带有斜面的出口要朝下，以防止雨水或异物进入。
（2）消声器的原理：
排气门刚打开时，排气压力和温度非常高，具有一定的能量，同时，由于排气的间歇性，排气管内产生排气压力脉动。如果让废气直接排入大气，必然产生强烈的、频谱比较复杂的噪声，让排气通过消声器，可以逐渐降低排气压力和衰减排气脉动，从而降低排气噪声。
3、排气管
排气管的作用是按照柴油机各缸的工作次序，分别把燃烧室燃烧后形成的废气从燃烧室中排出。排气管一般采用铸铁铸造。为了减小排气阻力，排气管内壁要做的直径较大且平整和光滑。同时，排气外管的弯曲度要做的尽可能小，否则会影响柴油机的输出功率。其中，排气管垫作用是密封排气管与发动机的连接，结构如图4所示。排气管垫是装配在排气管与缸盖排气口之间，用来防止燃烧后的高温气体从连接处泄漏的一种弹性密封垫片。
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图3 消声器及排烟管安装图 |
图4 柴油机排气歧管密封垫结构图 |
总结：
柴油机进、排气系统向气缸提供清洁的充足的新鲜空气，排除作功后的废气。增压柴油机还有进一步利用排出气缸的燃气能量，使进入气缸的空气预先增压和冷却，,从而增加气缸的进气密度，达到提高柴油机动力性能和经济性的目的。因此，柴油发电机进排气系统良好性会直接影响柴油发电机的动力性、经济性及排放性能。
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