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柴油發(fā)電機的進(jìn)氣和排氣系統的作用 |
摘要：進(jìn)氣系統的作用是保證柴油發(fā)電機的各氣缸在工作時(shí)得到充足的新鮮空氣和排出燃燒室內燃燒后形成的廢氣。進(jìn)排氣系統主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管、排氣管、消聲器、氣缸蓋進(jìn)氣道及氣缸蓋排氣道等組成。另外為了提高柴油發(fā)電機的輸出功率，增壓柴油發(fā)電機裝有增壓器，高級增壓系統中還裝有中冷器等。柴油發(fā)電機進(jìn)、排氣系統的結構。本文主要介紹防爆型柴油發(fā)電機組的進(jìn)氣和排氣系統結構及作用。
一、進(jìn)氣系統結構與部件作用
防爆型柴油發(fā)電機進(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。為了保證柴油機有足夠的進(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，在柴油機發(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，柴油機即可停止運轉。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
空氣濾清器的作用是濾除掉空氣中的雜，以保證清潔的空氣進(jìn)入氣缸內。否則會(huì )導致氣缸套和活塞組零件早期磨損，縮短柴油發(fā)電機的使用受命，空氣濾清器一般又分為干式濾清器和濕式濾清器。
（1）紙質(zhì)干式空氣濾清器的結構
它不需要加注機油，即可將空氣中的雜質(zhì)濾除，其原理是通過(guò)改變空氣流動(dòng)方向或使空氣穿過(guò)具有微孔的濾芯，以達到凈化空氣的目的。干式空氣濾清器的濾芯一般有金屬網(wǎng)狀濾芯和紙質(zhì)濾芯兩種。這兩種濾芯一般使用150h后，需要清除濾芯中的雜質(zhì)。金屬網(wǎng)狀漶芯取出后應放在汽油中清洗，并用壓縮空氣吹干。紙質(zhì)濾芯取出后，一般用手或木棒輕輕敲擊其端面，使其吸附在濾芯上的灰塵和雜質(zhì)脫落。
（2）濕式濾清器
濕式濾清器殼的底部放置了一定量的機油，其日的是利用機油的黏性吸附進(jìn)入氣缸中空氣的灰塵和雜質(zhì)。目前，進(jìn)口和國產(chǎn)柴油發(fā)電機較多采用的是濕式空氣濾清器。
3、進(jìn)氣管
進(jìn)氣管是指氣缸蓋進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管道，一般是用鑄鐵或鋁合金鑄造，外觀(guān)示意圖如圖1所示。進(jìn)氣管的作用就是按照柴油機的工作次序，分別供給各缸充足的新鮮空氣（如圖2所示），因此進(jìn)氣管長(cháng)度應盡量相等。進(jìn)氣管和排氣管分別安裝在氣缸蓋的兩側，如果在一側裝配，會(huì )使排氣管的高溫傳給進(jìn)氣管，造成進(jìn)入氣缸內的空氣密度減小，影響進(jìn)氣量。同時(shí)，為了減小空氣的流通阻力，進(jìn)氣管內壁一般要做的比較平整和光滑。
4、渦輪增壓器
廢氣渦輪增壓器結構形式繁多。廢氣渦輪增壓器是由廢氣渦輪和壓氣機兩部分組成的。在廢氣渦輪增壓器中一般都采用離心式壓氣機，故可依據所采用的渦輪機類(lèi)型把廢氣渦輪增壓器分為兩大類(lèi)：軸流式渦輪增壓器和徑流式渦輪增壓器。目前，大、中型柴油機均采用軸流式渦輪增壓器，徑流式渦輪增壓器僅用于中小型柴油機。
以在柴油發(fā)電機中用得較多的VTR型增壓器為例介紹廢氣渦輪增壓器的結構。VTR型增壓器有0、1、4、4A四種系列產(chǎn)品，可以滿(mǎn)足50kW～2200kW柴油機的匹配要求。它由右側的單級軸流式廢氣渦輪和左側的單級離心式壓氣機組成。廢氣渦輪的葉輪和壓氣機的葉輪裝在同一根軸上構成廢氣渦輪增壓器的轉子，由兩端的軸承支承。
（1）軸流式廢氣渦輪
廢氣渦輪由渦輪進(jìn)氣箱、噴嘴環(huán)、工作葉輪、隔熱墻、燃氣箱等組成。進(jìn)、排氣箱內腔用水冷卻。進(jìn)氣箱與排氣箱之間用螺釘緊固。進(jìn)氣箱右部布置著(zhù)軸承箱。排氣箱下部裝有增壓器支架。柴油機排出的廢氣由進(jìn)氣箱下部引入渦輪，由排氣箱上部排出。隔熱墻70用絕熱材料制成，避免廢氣對壓氣機葉輪和空氣加熱。
柴油機排出的廢氣經(jīng)進(jìn)氣箱送至噴嘴環(huán)。噴嘴環(huán)由噴嘴內環(huán)、外環(huán)和噴嘴葉片組成。噴嘴葉片形成的通道從進(jìn)口到出口呈收縮狀，其作用是將柴油機排出的廢氣的壓力能部分轉變?yōu)閯?dòng)能，并使氣流具有工作葉片所需要的方向。工作輪由輪盤(pán)和工作葉片組成，工作葉片軸向安裝在輪盤(pán)邊緣的槽口中。工作葉片葉根有機樹(shù)形和球形兩種。葉身為葉片的工作部分，其形狀由氣體流動(dòng)情況決定。它沿著(zhù)高度逐漸扭轉。這是因為廢氣通過(guò)噴嘴進(jìn)入葉輪時(shí)，氣流的參數如壓力和速度（大小和方向）等均沿葉片的高度而變化。為了減少氣流流過(guò)葉片時(shí)的能量損失，要求葉片的形狀與氣流參數沿葉片的變化相適應，以提高渦輪效率。高速流動(dòng)的氣流進(jìn)入工作輪的葉片通道，其中一部分能量轉變?yōu)闄C械功，最后經(jīng)排氣箱排往大氣。
（2）離心式壓氣機
增壓器的壓氣機主要由進(jìn)氣消音器、進(jìn)氣箱、壓氣機葉輪、擴壓器、排氣箱等組成?？諝鈴南羝鳛V網(wǎng)處進(jìn)入。消音器80中的空氣濾網(wǎng)、導流環(huán)對空氣起濾清、導流、吸音（導流環(huán)由吸音材料制成）作用。進(jìn)氣箱由內、外進(jìn)氣殼共同組成進(jìn)氣通道，對吸入的空氣起導流定向作用。進(jìn)氣箱的左部分布置著(zhù)軸承箱。工作葉輪是壓氣機的主要部件。它是由前彎的導風(fēng)輪和半開(kāi)式工作輪組成的。導風(fēng)輪的扭曲方向和角度應適應氣流進(jìn)入葉輪的相對流動(dòng)方向，使氣流平順地從軸向轉到徑向，以減少進(jìn)氣流動(dòng)損失；在工作輪上沿徑向布置著(zhù)直葉片，各葉片間形成氣流通道。兩部分分別裝在轉軸上。有葉擴壓器28用焊釘固定在排氣箱上，其葉片間的氣流通道呈擴張形。它將把壓縮空氣的動(dòng)能變成壓力能，以提高空氣的排出壓力。葉片環(huán)一般比圓環(huán)形平板圈窄一些，無(wú)葉片的圓環(huán)段同樣起擴壓作用，通常稱(chēng)之為無(wú)葉擴壓器。一個(gè)工作輪與相鄰的擴壓器組成一個(gè)級。壓氣機排氣箱的主體是一個(gè)蝸殼狀的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集從葉片擴壓器流出的空氣，一方面繼續起著(zhù)擴壓作用?？諝鈴奈仛づ懦龊蠼?jīng)空氣冷卻器進(jìn)入柴油機的掃氣箱。
（3）軸承
壓氣機葉輪和渦輪機葉輪裝在同一根軸的兩端，構成增壓器的轉子。轉子軸的兩端由軸承和支承。這種支承為外支承式，它具有轉子穩定性好，軸承受高溫氣體影響較小，便于密封，有利于增加軸承壽命等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著(zhù)使渦輪增壓器結構復雜，重量、尺寸增大，清洗渦輪增壓器困難等問(wèn)題。
在壓氣機端，由于葉輪出口的空氣漏至葉輪右側，其壓力大于葉輪左側的空氣壓力；在渦輪端，渦輪右側的壓力也大于渦輪左側，因此在轉子上作用著(zhù)一個(gè)自右向左的軸向推力。必須在壓氣機端設一個(gè)支持止推軸承，承受轉子的徑向和軸向負荷，并起著(zhù)轉子軸向定位的作用。渦輪端的軸承是一個(gè)支持軸承，只承受轉子的徑向負荷，并允許產(chǎn)生一定的軸向位移以保證轉子的熱膨脹。
軸承是滾動(dòng)軸承，它的摩擦損失小，加速性能好；在其它增壓器中，也有采用滑動(dòng)軸承的。采用滑動(dòng)軸承的構造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用壽命較長(cháng)。軸承封閉在軸承箱中，一般采用三種潤滑方式：一是靠裝在轉軸上的甩油盤(pán)進(jìn)行飛濺潤滑；二是由渦輪增壓器的專(zhuān)門(mén)油泵潤滑；三是由柴油機的潤滑系統供給滑油潤滑。圖中采用的是第二種方式。
（4）氣封與油封
為了防止燃氣、空氣和滑油漏泄，在軸承箱的內側裝有油封，在葉輪兩側裝有氣封。氣封處由擴壓器經(jīng)通道X引入增壓空氣提高氣封效果。在轉子右端的油氣封之間通過(guò)通道、左端油氣封之間通過(guò)鉆孔與大氣相通。
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圖1 四缸機進(jìn)氣管外觀(guān)示意圖 |
圖2 柴油機進(jìn)氣管工作原理圖 |
二、排氣系統結構與部件作用
防爆型柴油機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、排氣系統的類(lèi)型
排氣系統一般有單排氣系統和雙排氣系統兩種類(lèi)型，單排氣系統應用于直列式柴油發(fā)電機和部分 V型柴油發(fā)電機，雙排氣系統用于V型柴油發(fā)電機。
（1）單排氣系統
直列式柴油發(fā)電機在排氣行程期間，氣缸中的廢氣經(jīng)排氣門(mén)進(jìn)入排氣歧管，再由排氣歧管進(jìn)入排氣管、三元催化器和消聲器，最后由排氣尾管排到大氣中。V型柴油發(fā)電機有兩個(gè)排氣歧管，在大多數裝配V型柴油發(fā)電機的發(fā)電機組上仍采用單排氣系統，即通過(guò)一個(gè)叉形管將兩個(gè)排氣歧管連接到一個(gè)排氣管上。
（2）雙排氣系統
有些12V型柴油發(fā)電機采用兩個(gè)單排氣系統，即每個(gè)排氣歧管各自連接一個(gè)排氣管、消聲器和排氣尾管，這種布置形式稱(chēng)為雙排氣系統。雙排氣系統降低了排氣系統內的壓力，使柴油發(fā)電機排氣更為順暢。
2、廢氣處理箱
（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柴油機冷卻系統聯(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。水夾層波紋管位于柴油機和廢氣處理箱之間，主要起減震的作用。
（2） 廢氣處理箱內有排氣阻火柵欄、水浴箱和膨脹箱。用以處理由排氣管進(jìn)入的廢氣。主要用作熄滅廢氣中的火焰、進(jìn)一步冷卻和洗滌廢氣，清除炭煙及溶解廢氣中的部分有害物質(zhì)。經(jīng)過(guò)排氣阻火柵欄熄滅火焰和水浴處理后的廢氣經(jīng)膨脹箱、排氣尾管通向大氣。
（3） 排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。要及時(shí)清理柵欄的表面和間隙間的雜質(zhì)和積炭，以保證排氣的暢通。排氣阻火柵欄，要做到每天一清理，清理時(shí)打開(kāi)維修門(mén)，松動(dòng)頂緊輪，抽出柵欄，清理兩表面上的積炭和雜質(zhì)，然后將柵欄裝回頂緊，關(guān)閉維修門(mén)并鎖住。維修清理時(shí)應保證柵欄間隙不被破壞。
（4） 廢氣處理箱中的水量控制，廢氣處理箱中的水量約50升，與補水箱連通。廢氣處理箱中水量的大小由進(jìn)水浮球閥和水位報警浮球控制，進(jìn)水浮球閥控制最高水位和在水量不足時(shí)由補水箱向廢氣處理箱中補水。水位報警浮球在水位降至最低控制水位且補水箱無(wú)法正常向廢氣處理箱中補水時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)保護裝置報警并在1分鐘內使柴油機自動(dòng)停機。因此，每次工作前必須將補水箱加滿(mǎn)水，在工作中要隨時(shí)觀(guān)察補水箱的水位，及時(shí)加水保證防爆柴油機工作正常。
（5） 氣密封襯墊，在進(jìn)、排氣的管路中，各連接法蘭處都夾有密封襯墊，襯墊均采用特制的銅皮包封石棉板制成，具有良好的彈性、拆裝時(shí)若發(fā)現有損壞或失去彈性應予更換，對各處的密封面不許有任何碰傷和劃痕。
2、消聲器
（1）消聲器的作用：
消聲器主要是減少廢氣排出時(shí)的噪聲。消聲器一般用鋼板沖壓并經(jīng)焊接而成，與排氣管連接示意圖如圖3所示。在裝配時(shí)，消聲器帶有斜面的出口要朝下，以防止雨水或異物進(jìn)入。
（2）消聲器的原理：
排氣門(mén)剛打開(kāi)時(shí)，排氣壓力和溫度非常高，具有一定的能量，同時(shí)，由于排氣的間歇性，排氣管內產(chǎn)生排氣壓力脈動(dòng)。如果讓廢氣直接排入大氣，必然產(chǎn)生強烈的、頻譜比較復雜的噪聲，讓排氣通過(guò)消聲器，可以逐漸降低排氣壓力和衰減排氣脈動(dòng)，從而降低排氣噪聲。
3、排氣管
排氣管的作用是按照柴油機各缸的工作次序，分別把燃燒室燃燒后形成的廢氣從燃燒室中排出。排氣管一般采用鑄鐵鑄造。為了減小排氣阻力，排氣管內壁要做的直徑較大且平整和光滑。同時(shí)，排氣外管的彎曲度要做的盡可能小，否則會(huì )影響柴油機的輸出功率。其中，排氣管墊作用是密封排氣管與發(fā)動(dòng)機的連接，結構如圖4所示。排氣管墊是裝配在排氣管與缸蓋排氣口之間，用來(lái)防止燃燒后的高溫氣體從連接處泄漏的一種彈性密封墊片。
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圖3 消聲器及排煙管安裝圖 |
圖4 柴油機排氣歧管密封墊結構圖 |
總結：
柴油機進(jìn)、排氣系統向氣缸提供清潔的充足的新鮮空氣，排除作功后的廢氣。增壓柴油機還有進(jìn)一步利用排出氣缸的燃氣能量，使進(jìn)入氣缸的空氣預先增壓和冷卻，,從而增加氣缸的進(jìn)氣密度，達到提高柴油機動(dòng)力性能和經(jīng)濟性的目的。因此，柴油發(fā)電機進(jìn)排氣系統良好性會(huì )直接影響柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及排放性能。
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