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防爆型柴油發(fā)電機的進(jìn)排氣系統作用

 

摘要：進(jìn)排氣系統是指防爆型柴油發(fā)電機在工作時(shí)需要進(jìn)氣系統和排氣系統的輔助，相當于人類(lèi)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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較大的功率，且相對于汽油來(lái)說(shuō)也具有一定的經(jīng)濟性，因而柴油機會(huì )被廣泛的應用于發(fā)電機組中。雖然柴油機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，對柴油機的進(jìn)排氣結構進(jìn)行優(yōu)化設計將會(huì )有助于柴油機工作過(guò)程中噪音的降低、廢氣排放量的降低等。

 

一、電噴柴油機的進(jìn)排氣設計

 

      進(jìn)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(jìn)氣系統設計

       對于柴油機進(jìn)氣系統結構的設計主要包括空氣濾清器與進(jìn)氣支管的設計，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(jìn)入氣缸內的空氣，空氣中含有很多雜質(zhì)，如果不經(jīng)過(guò)濾清器直接進(jìn)入進(jìn)氣管然后進(jìn)入氣缸，就會(huì )加速氣缸內機械部件的損壞，進(jìn)而會(huì )減少發(fā)動(dòng)機部件的使用壽命。由此可見(jiàn)，空氣理濾清器在進(jìn)氣系統中很重要?？諝鉃V清器的性能好壞，重點(diǎn)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(wǎng)，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(wǎng)有加大的差別，比普通濾網(wǎng)的過(guò)濾效果更優(yōu)化。

（2）進(jìn)氣導流管的設計

      柴油發(fā)電機上的進(jìn)氣導流管的設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)氣導流管之后，其流動(dòng)是被動(dòng)的，其依靠發(fā)動(dòng)機的諧振以及進(jìn)氣導管的特殊結構，進(jìn)而保證其進(jìn)氣速度。為保證進(jìn)氣導管中空氣流動(dòng)速度與流動(dòng)效果比較穩定，本文所設計的柴油機中的進(jìn)氣導流管應為細長(cháng)類(lèi)型。

（3）進(jìn)氣支管的設計

      進(jìn)氣支管設計會(huì )直接影響柴油發(fā)電機的效能，進(jìn)氣歧管的作用是為每一個(gè)氣缸導出柴油燃燒過(guò)程中所需要的空氣，由于柴油機的每個(gè)氣缸的燃燒狀態(tài)是相似的，所以每一個(gè)氣缸的進(jìn)氣支管的長(cháng)度和彎曲度也要盡量保持一致，同時(shí)，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(jìn)氣支管散熱均勻、輕量，具有較高的進(jìn)氣能力，柴油機的進(jìn)氣支管多由鋁合金材質(zhì)制造而成，但隨著(zhù)新材料的發(fā)展與應用，復合材料制成的進(jìn)氣支管應用也十分的廣泛。

（4）進(jìn)氣系統的方案

      為保證柴油機在運行過(guò)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，本文將會(huì )采用對于可變進(jìn)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(jìn)氣歧管中的空氣會(huì )以脈沖的方式進(jìn)入氣缸，較長(cháng)的進(jìn)氣歧管能滿(mǎn)足柴油機低速的需求，而相對而言，較短的進(jìn)氣歧管會(huì )滿(mǎn)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(cháng)度的進(jìn)氣歧管，即每個(gè)進(jìn)氣歧管都包含兩種（一長(cháng)一短）進(jìn)氣方式，由專(zhuān)門(mén)的空氣控制閥來(lái)控制空氣從哪一個(gè)進(jìn)氣歧管流入，發(fā)動(dòng)機具有中低速扭矩要求時(shí)，外側通道的空氣會(huì )有長(cháng)進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸。反之亦然，柴油發(fā)電機具有高扭矩要求時(shí)，外側通道的空氣會(huì )由短進(jìn)氣管進(jìn)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(gè)方面：其一，排氣支管的設計，需要解決的技術(shù)問(wèn)題為保證氣缸內廢氣不產(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(guān)鍵因素，形狀的優(yōu)化可避免氣缸內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，我們盡量在設計排氣歧管不去過(guò)多的干涉氣體排放的走向，而是順著(zhù)氣體的慣性排出，進(jìn)入排氣管后，盡可能的加長(cháng)排氣歧管的長(cháng)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(cháng)度且要相互獨立。對于四缸柴油機來(lái)說(shuō)，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(mǎn)足以上的要求。

（2）消聲結構的設計

      柴油機氣缸產(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(lái)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(shí)排氣量的大小會(huì )隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的工作功率，有間歇性的變化，這種氣體也會(huì )在排氣管中產(chǎn)生壓力脈沖，促使排氣管會(huì )發(fā)生振動(dòng)，排出的氣體也會(huì )產(chǎn)生強烈的空氣流動(dòng)，從而會(huì )產(chǎn)生較大的噪音。為了能夠有效的降低排氣過(guò)程中產(chǎn)生的噪音，我們會(huì )專(zhuān)門(mén)的在發(fā)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(mǎn)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(guān)如圖4所示）， 另外，在消聲器的內部會(huì )將內殼作成波紋狀，以此來(lái)進(jìn)一步讓氣體經(jīng)過(guò)更多的時(shí)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(dòng)的散射，不讓脈動(dòng)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(jìn)排氣系統工作原理圖	圖2  柴油發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣和排氣路徑圖
圖3  柴油機進(jìn)氣系統空氣循環(huán)示意圖	圖4  柴油機一級消聲器剖析圖

 

二、防爆柴油機進(jìn)排氣設計

 

1、防爆機型進(jìn)氣系統設計

      進(jìn)氣系統由進(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(zhuān)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(jīng)它熄滅，不至引燃工作環(huán)境的易燃氣。

      為了保證防爆型柴油發(fā)電機有足夠的進(jìn)氣量，應經(jīng)常清理柵欄的表面和間隙間的雜質(zhì)。清理時(shí)應保證柵欄間隙不被破壞?？諝怅P(guān)斷閥是為了安全而設置的，在防爆型柴油發(fā)電機發(fā)生"飛車(chē)"現象時(shí)，用作緊急停車(chē)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，防爆型柴油發(fā)電機即可停止運轉。在正常工作狀況停機時(shí)，要使用停機開(kāi)關(guān)，嚴禁使用空氣關(guān)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(guò)濾部分，承擔著(zhù)氣體的過(guò)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(shí)間后必須更換，否則會(huì )存在空氣空氣過(guò)濾不充分的缺點(diǎn)，還會(huì )導致空氣濾清器被灰塵阻塞，被阻塞后，進(jìn)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(cháng)期下去甚至會(huì )影響到柴油機械壽命。 

（3）進(jìn)氣管

      進(jìn)氣管是柴油發(fā)電機進(jìn)氣系統的重要零件（如圖6所示），常安裝于柴油發(fā)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(fā)電機工作時(shí)會(huì )連帶柴油發(fā)電機進(jìn)氣管一起振動(dòng)，長(cháng)期使用，柴油發(fā)電機進(jìn)氣管彎折處容易發(fā)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(fā)電機冷卻系統聯(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(guò)橡膠軟管將各水夾層聯(lián)通，使水夾層形成了一個(gè)通暢的循環(huán)水路。水夾層波紋管位于防爆型柴油發(fā)電機和廢氣處理箱之間，主要起減震的作用。

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