陳德言

摘要 分析了小型柴油機(jī)慣性增壓的優(yōu)點(diǎn),介紹了柴油機(jī)慣性增壓技術(shù)的原理、慣性增壓裝置的制作與安裝,以期促進(jìn)小型柴油機(jī)慣性增壓技術(shù)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 小型柴油機(jī);慣性增壓技術(shù);優(yōu)點(diǎn);原理;制作與安裝

中圖分類號 TK421+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 文章編號 1007-5739(2009)13-0250-01

根據(jù)四行程柴油機(jī)的工作原理和燃燒理論,在相同的氣缸尺寸、燃燒室形式、燃油排號和噴油質(zhì)量及噴油時間等條件下,要進(jìn)一步提高柴油機(jī)的有效功率,增加供油量,使更多的燃料在氣缸內(nèi)燃燒,從而有更多的熱能來做功,這一點(diǎn)是比較容易做到的。但要使燃料更加充分地燃燒,即提高燃燒效率,還必須供給充足的新鮮空氣來保證燃燒時所需要的氧氣;否則供氣不足,燃料不能充分地燃燒,就會造成浪費(fèi),且廢氣排放增加,也污染了環(huán)境。因此,要求內(nèi)燃機(jī)配氣系統(tǒng)在柴油機(jī)進(jìn)氣的過程中能夠吸得充足的空氣,以滿足各種工作需要。為了使柴油機(jī)在進(jìn)氣的過程中吸入更多的空氣,目前,主要采取的措施:一是盡可能減小空氣濾清器和進(jìn)氣管道的阻力,保證進(jìn)氣暢通;二是合理設(shè)計配氣相位,在保證廢氣排凈的情況下,延長進(jìn)氣門的關(guān)閉時間,使其到下止后40～60°關(guān)閉,這樣充氣效率能達(dá)到80%;三是在新鮮空氣進(jìn)入氣缸前先用增壓器來增壓,以加大空氣密度,提高進(jìn)氣壓力,這樣可以使噴入氣缸內(nèi)的燃料更加充分地燃燒,甚至能使噴入氣缸內(nèi)的燃料也可充分地燃燒。目前,這一技術(shù)已經(jīng)在大中型柴油機(jī)上應(yīng)用,但是由于增壓設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,且對柴油機(jī)本身材料也有較高要求,因而對于小功率柴油機(jī)很不適應(yīng),因此小功率柴油機(jī)進(jìn)氣增壓技術(shù)一直未能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被運(yùn)用。為此筆者將介紹一種增壓新技術(shù)——慣性增壓技術(shù),通過多年的試驗(yàn)和實(shí)踐效果很好,很適合小功率柴油機(jī),對于多缸機(jī)的效果也較明顯。

1 小型柴油機(jī)慣性增壓的優(yōu)點(diǎn)

一是增壓設(shè)備比較簡單。只需要1根適當(dāng)長度的進(jìn)氣管和一個穩(wěn)壓管或振蕩腔,安裝容易、費(fèi)用低、效果好,也不消耗柴油機(jī)的本身能量;二是可提高功率20%左右,而最大爆發(fā)力和最高溫度沒有多大變化,因此不需要改變發(fā)動機(jī)的零件和材料;三是慣性增壓可以改善燃燒狀況,排煙度明顯減少,積炭減少,有利于提高柴油機(jī)的可靠性和使用壽命;四是燃油消耗率降低,節(jié)約能源。但是對于高原使用的柴油機(jī),還不能解決因海拔高、氣壓低、進(jìn)氣不足而引起的功率下降、耗油率高的問題。

2 慣性增壓原理

所謂慣性增壓,就是利用進(jìn)氣管道內(nèi)氣流的慣性效應(yīng)來提高柴油機(jī)的充氣效率以達(dá)到增壓的一種裝置,其工作原理如下。

(1)慣性效應(yīng)。人們知道活塞從上止點(diǎn)下行,當(dāng)進(jìn)氣開始的瞬間,進(jìn)氣道中的氣流流速很低,此刻在氣門的附近出現(xiàn)了較大的真空度。氣體的流速小于活塞下行的速度,隨著活塞的下行,進(jìn)氣的氣流不斷加速。如果進(jìn)氣管道加長之后,雖然有磨擦阻力,進(jìn)氣過程中有一部分動力消耗,使初始期進(jìn)入氣缸的空氣相對減少,但由于氣管的加長,使得進(jìn)氣初期氣缸中的相對真空度增大,氣缸中出現(xiàn)了比未加長的進(jìn)氣管更大的慣壓。這個較大的慣壓以波的形式向進(jìn)氣管口傳播,傳到管口端遇到大氣后返回一個壓縮波,沿著管道向內(nèi)傳送。如果進(jìn)氣管道選擇適當(dāng),正好使返回來的壓縮波峰在進(jìn)氣閥開啟后到達(dá),則當(dāng)進(jìn)氣閥關(guān)閉前的時刻就能將受壓的空氣關(guān)進(jìn)氣缸,使進(jìn)氣量增加,這就是慣性效應(yīng)。

(2)波動效應(yīng)。活塞接近吸氣行程下止點(diǎn)、進(jìn)氣閥突然關(guān)閉時,進(jìn)氣管內(nèi)的氣流因急劇停止而受壓,在進(jìn)氣閥處產(chǎn)生一個正壓,這個正壓以波的形式向外傳播。到達(dá)管口后一部分溢出,因而管口處產(chǎn)生一個負(fù)壓值,又向進(jìn)氣閥端反射。當(dāng)進(jìn)氣閥剛開啟的時刻,此負(fù)壓和氣缸內(nèi)的負(fù)壓疊加后向管口傳播,再形成壓縮波的形式傳到進(jìn)氣閥,進(jìn)氣閥關(guān)閉時在管口產(chǎn)生的膨脹波經(jīng)2次反射變成壓縮波進(jìn)入氣缸,這就是波動效應(yīng)。

3 慣性增壓裝置的制作與安裝

慣性效應(yīng)和波動效應(yīng)都可以使柴油機(jī)在吸氣行程中多吸進(jìn)新鮮空氣,只要設(shè)法增強(qiáng)這2種特性,就能使柴油機(jī)在吸氣行程中吸入更多的新鮮空氣。為實(shí)現(xiàn)這一目的通常采用以下2種方式對柴油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。下面以S195型柴油機(jī)為例。

(1)穩(wěn)壓式增壓裝置。就是適當(dāng)?shù)丶娱L進(jìn)氣管。在進(jìn)氣管和空氣濾清器之間加裝一個穩(wěn)壓筒,加長后的增壓管可以使進(jìn)氣時的氣流慣性增加。穩(wěn)壓筒能夠消除空氣濾清器的阻力。制作要求:進(jìn)氣管的長度選擇在1 000～1 200mm為宜,管徑應(yīng)與原管徑相同,內(nèi)壁要光滑,截面要均勻,曲管的曲率半徑不得小于130mm;穩(wěn)壓筒一般選擇在200mm×200 mm×500mm大小,要設(shè)有固定架能固定在機(jī)體上2個開口的位置,要便于與進(jìn)氣管和空氣濾清器連接(以上尺寸選擇是由太原工學(xué)院試驗(yàn)所得,效果最好)。安裝:將穩(wěn)壓筒固定在機(jī)體上,即機(jī)油尺上方;卸下空氣濾清器,換上增壓管連接在進(jìn)氣道上;增壓管的一端插入穩(wěn)壓筒內(nèi)50～80mm,放好密封圈擰緊。

(2)振蕩腔式慣性增壓。該裝置取消了穩(wěn)壓筒,而是在空氣濾清器的上方加裝了一個相當(dāng)于氣缸容積0.5～1.0倍的圓柱形振蕩腔。其作用是當(dāng)壓縮波達(dá)到開口端時,振蕩腔能夠?qū)⑵湓绯龅牟糠謮嚎s波予以貯存,同時在反射波因?yàn)V清器的阻力而衰減時,由振蕩腔反射回來的壓縮波又能使衰減后的壓縮波重新受到振蕩而增強(qiáng),從而提高慣性增壓的效果。這種增壓器體積小、重量輕、制作簡單,適用于移動作業(yè)的柴油機(jī)。制作要求:振蕩腔的直徑略小于空氣濾芯的直徑。一般直徑選取100mm,高度97mm,頂穹圓半徑95mm,內(nèi)壁光滑且要有固定設(shè)置。濾清器加高圈的高度與振蕩腔同高,直徑與原濾清器外殼相同。安裝:卸下原進(jìn)氣管,換上增壓管,連接上空氣濾清器;拆下空氣濾清器,安裝上振蕩腔,裝上加高圈,蓋上濾清器帽,擰緊各連接部螺絲。注意各部連接要可靠,不能漏氣,要經(jīng)常對空氣濾清器進(jìn)行保養(yǎng),不得阻塞。

(3)注意事項(xiàng)。加長后進(jìn)氣管的長度(L)、進(jìn)氣管的直徑(d)以及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速(n)之間有重要關(guān)系。通常管子的直徑可以根據(jù)原進(jìn)氣管確定,以便于安裝。加長管的長度可以參考下列公式確定L=6.8d/n。一般選取1 000～1 200mm最佳。穩(wěn)壓筒和振蕩腔的形狀和尺寸應(yīng)通過試驗(yàn)來確定,前面提供的形狀和尺寸都是經(jīng)過科研單位試驗(yàn)擇優(yōu)而來。加長進(jìn)氣管的彎曲程度一般應(yīng)取大些,避免“死彎”,同時彎曲部離進(jìn)口端要遠(yuǎn)一些。各部連接要緊固,保證密封,防止漏氣。