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技术维修与康明斯知识 |
防爆型柴油发电机的进排气系统作用 |
摘要：进排气系统是指防爆型柴油发电机在工作时需要进气系统和排气系统的辅助，相当于人类身体中的呼吸系统，其作用是提供干净且足够的空气给气缸，排气系统是以最低的排气阻力和噪声将废气排到大气中。由于柴油自身在燃烧过程中会产生较大的功率，且相对于汽油来说也具有一定的经济性，因而柴油机会被广泛的应用于发电机组中。虽然柴油机在功率上有较大的优势，但是在环保方面却存在一定的弊端，对柴油机的进排气结构进行优化设计将会有助于柴油机工作过程中噪音的降低、废气排放量的降低等。
一、电喷柴油机的进排气设计
进气和排气系统的工作原理如图1所示，空气流向路径如图2所示。
1、电喷机型进气系统设计
对于柴油机进气系统结构的设计主要包括空气滤清器与进气支管的设计，其空气循环示意图如图3所示。下面我们将单独分析两种不同零件结构的设计方法。
（1）空气滤清器的设计
空气滤清器的作用主要在于净化进入气缸内的空气，空气中含有很多杂质，如果不经过滤清器直接进入进气管然后进入气缸，就会加速气缸内机械部件的损坏，进而会减少发动机部件的使用寿命。由此可见，空气理滤清器在进气系统中很重要。空气滤清器的性能好坏，重点在于所选择的材料，目前最新一代的空气滤清器采用的是复合型滤网，即是由低阻高效HEPA滤材与高效改性活性炭复合制成，其与普通滤网有加大的差别，比普通滤网的过滤效果更优化。
（2）进气导流管的设计
柴油发电机上的进气导流管的设计直接影响空气的进气速度与进气效能，空气进入进气导流管之后，其流动是被动的，其依靠发动机的谐振以及进气导管的特殊结构，进而保证其进气速度。为保证进气导管中空气流动速度与流动效果比较稳定，本文所设计的柴油机中的进气导流管应为细长类型。
（3）进气支管的设计
进气支管设计会直接影响柴油发电机的效能，进气歧管的作用是为每一个气缸导出柴油燃烧过程中所需要的空气，由于柴油机的每个气缸的燃烧状态是相似的，所以每一个气缸的进气支管的长度和弯曲度也要尽量保持一致，同时，为保证空气在支管中有较高的流速，支管内壁的光滑度也有一定的要求，为保证进气支管散热均匀、轻量，具有较高的进气能力，柴油机的进气支管多由铝合金材质制造而成，但随着新材料的发展与应用，复合材料制成的进气支管应用也十分的广泛。
（4）进气系统的方案
为保证柴油机在运行过程中的高低速的要求，进一步保证进气歧管的谐波效应，本文将会采用对于可变进气系统的方案设计。
根据柴油机的运行需求，我们知道每一根进气歧管中的空气会以脉冲的方式进入气缸，较长的进气歧管能满足柴油机低速的需求，而相对而言，较短的进气歧管会满足柴油机高速匀速，因而本文为保证柴油机运转稳定采用可变长度的进气歧管，即每个进气歧管都包含两种（一长一短）进气方式，由专门的空气控制阀来控制空气从哪一个进气歧管流入，发动机具有中低速扭矩要求时，外侧通道的空气会有长进气管进入气缸。反之亦然，柴油发电机具有高扭矩要求时，外侧通道的空气会由短进气管进入气缸。
2、电喷机型排气系统设计
柴油机排气系统的结构设计中，主要设计两个方面：其一，排气支管的设计，需要解决的技术问题为保证气缸内废气不产生气流干扰而顺畅地排出去，防止废气倒流。另外，消声器的设计，保证气体排放的噪音能够有效地被降低。
（1）排气歧管的设计
排气歧管的设计中，形状是设计中的关键因素，形状的优化可避免气缸内气体作用力的相互干扰，进而有效防止尾气倒流情况的发生。为了有效防止上述情况的发生，我们尽量在设计排气歧管不去过多的干涉气体排放的走向，而是顺着气体的惯性排出，进入排气管后，尽可能的加长排气歧管的长度以合理的降低尾气排放阻力。排气歧管的设计需保持等长度且要相互独立。对于四缸柴油机来说，为保证排气中气体不相互干扰，可将1,4缸的排气支管汇合在一起，将2,3缸的汇合在一起，二者可以很好地满足以上的要求。
（2）消声结构的设计
柴油机气缸产生的废气并不能直接排到大气中去，这是因为从气缸中出来的废气温度比较高，废气的压力比较大，带有较高的能量，同时排气量的大小会随着发动机的工作功率，有间歇性的变化，这种气体也会在排气管中产生压力脉冲，促使排气管会发生振动，排出的气体也会产生强烈的空气流动，从而会产生较大的噪音。为了能够有效的降低排气过程中产生的噪音，我们会专门的在发电机组的排气管上加装消音器锐减气体的排放压力及噪音，最终能够促使噪音水平控制在标准数值之内，满足于国家规定的排放标准。
消声器的设计中外壳部分为双层钢板焊接制成（外观如图4所示）， 另外，在消声器的内部会将内壳作成波纹状，以此来进一步让气体经过更多的时间和流程才能够排出去，消声器设计的目的在于消耗尾气的排放能力与排气压力。有利于排气脉动的散射，不让脉动形成尖波状，避免出现能量集中区域消声效果是最好的。
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图1 柴油机进排气系统工作原理图 |
图2 柴油发动机进气和排气路径图 |
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图3 柴油机进气系统空气循环示意图 |
图4 柴油机一级消声器剖析图 |
二、防爆柴油机进排气设计
1、防爆机型进气系统设计
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。
为了保证防爆型柴油发电机有足够的进气量，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，在防爆型柴油发电机发生"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，防爆型柴油发电机即可停止运转。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
空气滤清器的主要组成部分（如图5所示）是滤芯和机壳，其中滤芯是主要的过滤部分，承担着气体的过滤工作，而机壳是为滤芯提供必要保护的外部结构。使用一段时间后必须更换，否则会存在空气空气过滤不充分的缺点，还会导致空气滤清器被灰尘阻塞，被阻塞后，进气阻力增大，导致可燃混合气变浓，使柴油机的输出功率下降，燃油消耗增高，长期下去甚至会影响到柴油机械寿命。
（3）进气管
进气管是柴油发电机进气系统的重要零件（如图6所示），常安装于柴油发电机的顶部，但因其整体由金属管端成型机挤压成型，刚性较强，弯折后结构强度下降。柴油发电机工作时会连带柴油发电机进气管一起振动，长期使用，柴油发电机进气管弯折处容易发生裂纹等缺陷。
2、防爆机型排气系统设计
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）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防爆型柴油发电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。水夹层波纹管位于防爆型柴油发电机和废气处理箱之间，主要起减震的作用。
（2）废气处理箱
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
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）补水箱
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分钟内使防爆型柴油发电机自动停机。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，及时加水保证防爆防爆型柴油发电机工作正常。
（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。
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图5 空气滤清器结构剖面图 |
图6 进气管示意图 |
总结：
总的来说，本文对于电喷和防爆柴油机进排气系统结构设计分别进行了相关的介绍，由于本文的篇幅有限，所以探讨深度仍然不够，对于一些先进的进排气系统结构设计的理念与方法表述不够透彻。 柴油机进排气系统的结构优化不仅可以有效保证发动机功率的稳定，同时也影响着发动机的排放指标、噪音生成等等，对于进排气系统来说，其一般都具有较为复杂的管路结构，其在发挥作用过程中，一个小的结构优化就可能改变其运行状态，因而对于柴油机进排气系统结构设计与优化的研究，对于提高柴油机的性能具有重要的作用。
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