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防爆型柴油發(fā)電機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)作用

 

摘要：進(jìn)排氣系統(tǒng)是指防爆型柴油發(fā)電機(jī)在工作時需要進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的輔助，相當(dāng)于人類身體中的呼吸系統(tǒng)，其作用是提供干凈且足夠的空氣給氣缸，排氣系統(tǒng)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(chǎn)生較大的功率，且相對于汽油來說也具有一定的經(jīng)濟(jì)性，因而柴油機(jī)會被廣泛的應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組中。雖然柴油機(jī)在功率上有較大的優(yōu)勢，但是在環(huán)保方面卻存在一定的弊端，對柴油機(jī)的進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計將會有助于柴油機(jī)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(jī)的進(jìn)排氣設(shè)計

 

      進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)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(jī)型進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

       對于柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括空氣濾清器與進(jìn)氣支管的設(shè)計，其空氣循環(huán)示意圖如圖3所示。下面我們將單獨分析兩種不同零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

（1）空氣濾清器的設(shè)計

      空氣濾清器的作用主要在于凈化進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣，空氣中含有很多雜質(zhì)，如果不經(jīng)過濾清器直接進(jìn)入進(jìn)氣管然后進(jìn)入氣缸，就會加速氣缸內(nèi)機(jī)械部件的損壞，進(jìn)而會減少發(fā)動機(jī)部件的使用壽命。由此可見，空氣理濾清器在進(jìn)氣系統(tǒng)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(fù)合型濾網(wǎng)，即是由低阻高效HEPA濾材與高效改性活性炭復(fù)合制成，其與普通濾網(wǎng)有加大的差別，比普通濾網(wǎng)的過濾效果更優(yōu)化。

（2）進(jìn)氣導(dǎo)流管的設(shè)計

      柴油發(fā)電機(jī)上的進(jìn)氣導(dǎo)流管的設(shè)計直接影響空氣的進(jìn)氣速度與進(jìn)氣效能，空氣進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)流管之后，其流動是被動的，其依靠發(fā)動機(jī)的諧振以及進(jìn)氣導(dǎo)管的特殊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而保證其進(jìn)氣速度。為保證進(jìn)氣導(dǎo)管中空氣流動速度與流動效果比較穩(wěn)定，本文所設(shè)計的柴油機(jī)中的進(jìn)氣導(dǎo)流管應(yīng)為細(xì)長類型。

（3）進(jìn)氣支管的設(shè)計

      進(jìn)氣支管設(shè)計會直接影響柴油發(fā)電機(jī)的效能，進(jìn)氣歧管的作用是為每一個氣缸導(dǎo)出柴油燃燒過程中所需要的空氣，由于柴油機(jī)的每個氣缸的燃燒狀態(tài)是相似的，所以每一個氣缸的進(jìn)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(nèi)壁的光滑度也有一定的要求，為保證進(jìn)氣支管散熱均勻、輕量，具有較高的進(jìn)氣能力，柴油機(jī)的進(jìn)氣支管多由鋁合金材質(zhì)制造而成，但隨著新材料的發(fā)展與應(yīng)用，復(fù)合材料制成的進(jìn)氣支管應(yīng)用也十分的廣泛。

（4）進(jìn)氣系統(tǒng)的方案

      為保證柴油機(jī)在運行過程中的高低速的要求，進(jìn)一步保證進(jìn)氣歧管的諧波效應(yīng)，本文將會采用對于可變進(jìn)氣系統(tǒng)的方案設(shè)計。

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

2、電噴機(jī)型排氣系統(tǒng)設(shè)計

      柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要設(shè)計兩個方面：其一，排氣支管的設(shè)計，需要解決的技術(shù)問題為保證氣缸內(nèi)廢氣不產(chǎn)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(shè)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(shè)計

      排氣歧管的設(shè)計中，形狀是設(shè)計中的關(guān)鍵因素，形狀的優(yōu)化可避免氣缸內(nèi)氣體作用力的相互干擾，進(jìn)而有效防止尾氣倒流情況的發(fā)生。為了有效防止上述情況的發(fā)生，我們盡量在設(shè)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(jìn)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(shè)計需保持等長度且要相互獨立。對于四缸柴油機(jī)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(jié)構(gòu)的設(shè)計

      柴油機(jī)氣缸產(chǎn)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(fā)動機(jī)的工作功率，有間歇性的變化，這種氣體也會在排氣管中產(chǎn)生壓力脈沖，促使排氣管會發(fā)生振動，排出的氣體也會產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣流動，從而會產(chǎn)生較大的噪音。為了能夠有效的降低排氣過程中產(chǎn)生的噪音，我們會專門的在發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之內(nèi)，滿足于國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

      消聲器的設(shè)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(nèi)部會將內(nèi)殼作成波紋狀，以此來進(jìn)一步讓氣體經(jīng)過更多的時間和流程才能夠排出去，消聲器設(shè)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(xiàn)能量集中區(qū)域消聲效果是最好的。

 

圖1  柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)工作原理圖	圖2  柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和排氣路徑圖
圖3  柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)空氣循環(huán)示意圖	圖4  柴油機(jī)一級消聲器剖析圖

 

二、防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣設(shè)計

 

1、防爆機(jī)型進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

      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)狻?/span>

      為了保證防爆型柴油發(fā)電機(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)。清理時應(yīng)保證柵欄間隙不被破壞?？諝怅P(guān)斷閥是為了安全而設(shè)置的，在防爆型柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生"飛車"現(xiàn)象時，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)，防爆型柴油發(fā)電機(jī)即可停止運轉(zhuǎn)。在正常工作狀況停機(jī)時，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

       空氣濾清器的主要組成部分（如圖5所示）是濾芯和機(jī)殼，其中濾芯是主要的過濾部分，承擔(dān)著氣體的過濾工作，而機(jī)殼是為濾芯提供必要保護(hù)的外部結(jié)構(gòu)。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(dǎo)致空氣濾清器被灰塵阻塞，被阻塞后，進(jìn)氣阻力增大，導(dǎo)致可燃混合氣變濃，使柴油機(jī)的輸出功率下降，燃油消耗增高，長期下去甚至?xí)绊懙讲裼蜋C(jī)械壽命。 

（3）進(jìn)氣管

      進(jìn)氣管是柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要零件（如圖6所示），常安裝于柴油發(fā)電機(jī)的頂部，但因其整體由金屬管端成型機(jī)擠壓成型，剛性較強(qiáng)，彎折后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。柴油發(fā)電機(jī)工作時會連帶柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣管一起振動，長期使用，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣管彎折處容易發(fā)生裂紋等缺陷。 

2、防爆機(jī)型排氣系統(tǒng)設(shè)計

      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(fā)電機(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通暢的循環(huán)水路。水夾層波紋管位于防爆型柴油發(fā)電機(jī)和廢氣處理箱之間，主要起減震的作用。

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