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柴油發(fā)電機的進氣和排氣系統(tǒng)的作用 |
摘要：進氣系統(tǒng)的作用是保證柴油發(fā)電機的各氣缸在工作時得到充足的新鮮空氣和排出燃燒室內(nèi)燃燒后形成的廢氣。進排氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進氣管、排氣管、消聲器、氣缸蓋進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(tǒng)中還裝有中冷器等。柴油發(fā)電機進、排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本文主要介紹防爆型柴油發(fā)電機組的進氣和排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作用。
一、進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件作用
防爆型柴油發(fā)電機進氣系統(tǒng)由進氣管、進氣阻火柵欄，空氣關(guān)斷閥及空氣濾清器等組成。
1、進氣阻火柵欄
進氣阻火柵欄構(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)境的易燃氣。為了保證柴油機有足夠的進氣量，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，在柴油機發(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)下進氣被完全切斷，在5～10秒內(nèi)，柴油機即可停止運轉(zhuǎn)。在正常工作狀況停機時，要使用停機開關(guān)，嚴(yán)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入氣缸內(nèi)。否則會導(dǎo)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(jié)構(gòu)
它不需要加注機油，即可將空氣中的雜質(zhì)濾除，其原理是通過改變空氣流動方向或使空氣穿過具有微孔的濾芯，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(yīng)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入氣缸中空氣的灰塵和雜質(zhì)。目前，進口和國產(chǎn)柴油發(fā)電機較多采用的是濕式空氣濾清器。
3、進氣管
進氣管是指氣缸蓋進氣道之前的進氣管道，一般是用鑄鐵或鋁合金鑄造，外觀示意圖如圖1所示。進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），因此進氣管長度應(yīng)盡量相等。進氣管和排氣管分別安裝在氣缸蓋的兩側(cè)，如果在一側(cè)裝配，會使排氣管的高溫傳給進氣管，造成進入氣缸內(nèi)的空氣密度減小，影響進氣量。同時，為了減小空氣的流通阻力，進氣管內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jù)所采用的渦輪機類型把廢氣渦輪增壓器分為兩大類：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(jié)構(gòu)。VTR型增壓器有0、1、4、4A四種系列產(chǎn)品，可以滿足50kW～2200kW柴油機的匹配要求。它由右側(cè)的單級軸流式廢氣渦輪和左側(cè)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(gòu)成廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，由兩端的軸承支承。
（1）軸流式廢氣渦輪
廢氣渦輪由渦輪進氣箱、噴嘴環(huán)、工作葉輪、隔熱墻、燃氣箱等組成。進、排氣箱內(nèi)腔用水冷卻。進氣箱與排氣箱之間用螺釘緊固。進氣箱右部布置著軸承箱。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)進氣箱送至噴嘴環(huán)。噴嘴環(huán)由噴嘴內(nèi)環(huán)、外環(huán)和噴嘴葉片組成。噴嘴葉片形成的通道從進口到出口呈收縮狀，其作用是將柴油機排出的廢氣的壓力能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，并使氣流具有工作葉片所需要的方向。工作輪由輪盤和工作葉片組成，工作葉片軸向安裝在輪盤邊緣的槽口中。工作葉片葉根有機樹形和球形兩種。葉身為葉片的工作部分，其形狀由氣體流動情況決定。它沿著高度逐漸扭轉(zhuǎn)。這是因為廢氣通過噴嘴進入葉輪時，氣流的參數(shù)如壓力和速度（大小和方向）等均沿葉片的高度而變化。為了減少氣流流過葉片時的能量損失，要求葉片的形狀與氣流參數(shù)沿葉片的變化相適應(yīng)，以提高渦輪效率。高速流動的氣流進入工作輪的葉片通道，其中一部分能量轉(zhuǎn)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氣消音器、進氣箱、壓氣機葉輪、擴壓器、排氣箱等組成?？諝鈴南羝鳛V網(wǎng)處進入。消音器80中的空氣濾網(wǎng)、導(dǎo)流環(huán)對空氣起濾清、導(dǎo)流、吸音（導(dǎo)流環(huán)由吸音材料制成）作用。進氣箱由內(nèi)、外進氣殼共同組成進氣通道，對吸入的空氣起導(dǎo)流定向作用。進氣箱的左部分布置著軸承箱。工作葉輪是壓氣機的主要部件。它是由前彎的導(dǎo)風(fēng)輪和半開式工作輪組成的。導(dǎo)風(fēng)輪的扭曲方向和角度應(yīng)適應(yīng)氣流進入葉輪的相對流動方向，使氣流平順地從軸向轉(zhuǎn)到徑向，以減少進氣流動損失；在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成氣流通道。兩部分分別裝在轉(zhuǎn)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，無葉片的圓環(huán)段同樣起擴壓作用，通常稱之為無葉擴壓器。一個工作輪與相鄰的擴壓器組成一個級。壓氣機排氣箱的主體是一個蝸殼狀的管道，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(xù)起著擴壓作用?？諝鈴奈仛づ懦龊蠼?jīng)空氣冷卻器進入柴油機的掃氣箱。
（3）軸承
壓氣機葉輪和渦輪機葉輪裝在同一根軸的兩端，構(gòu)成增壓器的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子軸的兩端由軸承和支承。這種支承為外支承式，它具有轉(zhuǎn)子穩(wěn)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。但也存在著使渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、尺寸增大，清洗渦輪增壓器困難等問題。
在壓氣機端，由于葉輪出口的空氣漏至葉輪右側(cè)，其壓力大于葉輪左側(cè)的空氣壓力；在渦輪端，渦輪右側(cè)的壓力也大于渦輪左側(cè)，因此在轉(zhuǎn)子上作用著一個自右向左的軸向推力。必須在壓氣機端設(shè)一個支持止推軸承，承受轉(zhuǎn)子的徑向和軸向負荷，并起著轉(zhuǎn)子軸向定位的作用。渦輪端的軸承是一個支持軸承，只承受轉(zhuǎn)子的徑向負荷，并允許產(chǎn)生一定的軸向位移以保證轉(zhuǎn)子的熱膨脹。
軸承是滾動軸承，它的摩擦損失小，加速性能好；在其它增壓器中，也有采用滑動軸承的。采用滑動軸承的構(gòu)造簡單，造價低廉，使用壽命較長。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(zhuǎn)軸上的甩油盤進行飛濺潤滑；二是由渦輪增壓器的專門油泵潤滑；三是由柴油機的潤滑系統(tǒng)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(nèi)側(cè)裝有油封，在葉輪兩側(cè)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(zhuǎn)子右端的油氣封之間通過通道、左端油氣封之間通過鉆孔與大氣相通。
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圖1 四缸機進氣管外觀示意圖 |
圖2 柴油機進氣管工作原理圖 |
二、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件作用
防爆型柴油機排氣系統(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、排氣系統(tǒng)的類型
排氣系統(tǒng)一般有單排氣系統(tǒng)和雙排氣系統(tǒng)兩種類型，單排氣系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)用于V型柴油發(fā)電機。
（1）單排氣系統(tǒng)
直列式柴油發(fā)電機在排氣行程期間，氣缸中的廢氣經(jīng)排氣門進入排氣歧管，再由排氣歧管進入排氣管、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)電機有兩個排氣歧管，在大多數(shù)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(tǒng)，即通過一個叉形管將兩個排氣歧管連接到一個排氣管上。
（2）雙排氣系統(tǒng)
有些12V型柴油發(fā)電機采用兩個單排氣系統(tǒng)，即每個排氣歧管各自連接一個排氣管、消聲器和排氣尾管，這種布置形式稱為雙排氣系統(tǒng)。雙排氣系統(tǒng)降低了排氣系統(tǒng)內(nèi)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(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(nèi)有排氣阻火柵欄、水浴箱和膨脹箱。用以處理由排氣管進入的廢氣。主要用作熄滅廢氣中的火焰、進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(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。要及時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，清理時打開維修門，松動頂緊輪，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)閉維修門并鎖住。維修清理時應(yīng)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水浮球閥和水位報警浮球控制，進水浮球閥控制最高水位和在水量不足時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法正常向廢氣處理箱中補水時，啟動自動保護裝置報警并在1分鐘內(nèi)使柴油機自動停機。因此，每次工作前必須將補水箱加滿水，在工作中要隨時觀察補水箱的水位，及時加水保證防爆柴油機工作正常。
（5） 氣密封襯墊，在進、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、拆裝時若發(fā)現(xiàn)有損壞或失去彈性應(yīng)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，消聲器帶有斜面的出口要朝下，以防止雨水或異物進入。
（2）消聲器的原理：
排氣門剛打開時，排氣壓力和溫度非常高，具有一定的能量，同時，由于排氣的間歇性，排氣管內(nèi)產(chǎn)生排氣壓力脈動。如果讓廢氣直接排入大氣，必然產(chǎn)生強烈的、頻譜比較復(fù)雜的噪聲，讓排氣通過消聲器，可以逐漸降低排氣壓力和衰減排氣脈動，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(nèi)壁要做的直徑較大且平整和光滑。同時，排氣外管的彎曲度要做的盡可能小，否則會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)動機的連接，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖 |
總結(jié)：
柴油機進、排氣系統(tǒng)向氣缸提供清潔的充足的新鮮空氣，排除作功后的廢氣。增壓柴油機還有進一步利用排出氣缸的燃氣能量，使進入氣缸的空氣預(yù)先增壓和冷卻，,從而增加氣缸的進氣密度，達到提高柴油機動力性能和經(jīng)濟性的目的。因此，柴油發(fā)電機進排氣系統(tǒng)良好性會直接影響柴油發(fā)電機的動力性、經(jīng)濟性及排放性能。
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