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摘要 分析了小型柴油机惯性增压的优点,介绍了柴油机惯性增压技术的原理、惯性增压装置的制作与安装,以期促进小型柴油机惯性增压技术的推广应用。
关键词 小型柴油机;惯性增压技术;优点;原理;制作与安装
中图分类号 TK421 .8 文献标识码 B 文章编号 1007-5739(2009)13-0250-01
根据四行程柴油机的工作原理和燃烧理论,在相同的气缸尺寸、燃烧室形式、燃油排号和喷油质量及喷油时间等条件下,要进一步提高柴油机的有效功率,增加供油量,使更多的燃料在气缸内燃烧,从而有更多的热能来做功,这一点是比较容易做到的。但要使燃料更加充分地燃烧,即提高燃烧效率,还必须供给充足的新鲜空气来保证燃烧时所需要的氧气;否则供气不足,燃料不能充分地燃烧,就会造成浪费,且废气排放增加,也污染了环境。因此,要求内燃机配气系统在柴油机进气的过程中能够吸得充足的空气,以满足各种工作需要。为了使柴油机在进气的过程中吸入更多的空气,目前,主要采取的措施:一是尽可能减小空气滤清器和进气管道的阻力,保证进气畅通;二是合理设计配气相位,在保证废气排净的情况下,延长进气门的关闭时间,使其到下止后40～60°关闭,这样充气效率能达到80%;三是在新鲜空气进入气缸前先用增压器来增压,以加大空气密度,提高进气压力,这样可以使喷入气缸内的燃料更加充分地燃烧,甚至能使喷入气缸内的燃料也可充分地燃烧。目前,这一技术已经在大中型柴油机上应用,但是由于增压设备结构复杂,制造成本高,且对柴油机本身材料也有较高要求,因而对于小功率柴油机很不适应,因此小功率柴油機进气增压技术一直未能在农业生产中被运用。为此笔者将介绍一种增压新技术——惯性增压技术,通过多年的试验和实践效果很好,很适合小功率柴油机,对于多缸机的效果也较明显。
1 小型柴油机惯性增压的优点
一是增压设备比较简单。只需要1根适当长度的进气管和一个稳压管或振荡腔,安装容易、费用低、效果好,也不消耗柴油机的本身能量;二是可提高功率20%左右,而最大爆发力和最高温度没有多大变化,因此不需要改变发动机的零件和材料;三是惯性增压可以改善燃烧状况,排烟度明显减少,积炭减少,有利于提高柴油机的可靠性和使用寿命;四是燃油消耗率降低,节约能源。但是对于高原使用的柴油机,还不能解决因海拔高、气压低、进气不足而引起的功率下降、耗油率高的问题。
2 惯性增压原理
所谓惯性增压,就是利用进气管道内气流的惯性效应来提高柴油机的充气效率以达到增压的一种装置,其工作原理如下。
(1)惯性效应。人们知道活塞从上止点下行,当进气开始的瞬间,进气道中的气流流速很低,此刻在气门的附近出现了较大的真空度。气体的流速小于活塞下行的速度,随着活塞的下行,进气的气流不断加速。如果进气管道加长之后,虽然有磨擦阻力,进气过程中有一部分动力消耗,使初始期进入气缸的空气相对减少,但由于气管的加长,使得进气初期气缸中的相对真空度增大,气缸中出现了比未加长的进气管更大的惯压。这个较大的惯压以波的形式向进气管口传播,传到管口端遇到大气后返回一个压缩波,沿着管道向内传送。如果进气管道选择适当,正好使返回来的压缩波峰在进气阀开启后到达,则当进气阀关闭前的时刻就能将受压的空气关进气缸,使进气量增加,这就是惯性效应。
(2)波动效应。活塞接近吸气行程下止点、进气阀突然关闭时,进气管内的气流因急剧停止而受压,在进气阀处产生一个正压,这个正压以波的形式向外传播。到达管口后一部分溢出,因而管口处产生一个负压值,又向进气阀端反射。当进气阀刚开启的时刻,此负压和气缸内的负压叠加后向管口传播,再形成压缩波的形式传到进气阀,进气阀关闭时在管口产生的膨胀波经2次反射变成压缩波进入气缸,这就是波动效应。
3 惯性增压装置的制作与安装
惯性效应和波动效应都可以使柴油机在吸气行程中多吸进新鲜空气,只要设法增强这2种特性,就能使柴油机在吸气行程中吸入更多的新鲜空气。为实现这一目的通常采用以下2种方式对柴油机进行改进。下面以S195型柴油机为例。
(1)稳压式增压装置。就是适当地加长进气管。在进气管和空气滤清器之间加装一个稳压筒,加长后的增压管可以使进气时的气流惯性增加。稳压筒能够消除空气滤清器的阻力。制作要求:进气管的长度选择在1 000～1 200mm为宜,管径应与原管径相同,内壁要光滑,截面要均匀,曲管的曲率半径不得小于130mm;稳压筒一般选择在200mm×200 mm×500mm大小,要设有固定架能固定在机体上2个开口的位置,要便于与进气管和空气滤清器连接(以上尺寸选择是由太原工学院试验所得,效果最好)。安装:将稳压筒固定在机体上,即机油尺上方;卸下空气滤清器,换上增压管连接在进气道上;增压管的一端插入稳压筒内50～80mm,放好密封圈拧紧。
(2)振荡腔式惯性增压。该装置取消了稳压筒,而是在空气滤清器的上方加装了一个相当于气缸容积0.5～1.0倍的圆柱形振荡腔。其作用是当压缩波达到开口端时,振荡腔能够将其原溢出的部分压缩波予以贮存,同时在反射波因滤清器的阻力而衰减时,由振荡腔反射回来的压缩波又能使衰减后的压缩波重新受到振荡而增强,从而提高惯性增压的效果。这种增压器体积小、重量轻、制作简单,适用于移动作业的柴油机。制作要求:振荡腔的直径略小于空气滤芯的直径。一般直径选取100mm,高度97mm,顶穹圆半径95mm,内壁光滑且要有固定设置。滤清器加高圈的高度与振荡腔同高,直径与原滤清器外壳相同。安装:卸下原进气管,换上增压管,连接上空气滤清器;拆下空气滤清器,安装上振荡腔,装上加高圈,盖上滤清器帽,拧紧各连接部螺丝。注意各部连接要可靠,不能漏气,要经常对空气滤清器进行保养,不得阻塞。
(3)注意事项。加长后进气管的长度(L)、进气管的直径(d)以及发动机的转速(n)之间有重要关系。通常管子的直径可以根据原进气管确定,以便于安装。加长管的长度可以参考下列公式确定L=6.8d/n。一般选取1 000～1 200mm最佳。稳压筒和振荡腔的形状和尺寸应通过试验来确定,前面提供的形状和尺寸都是经过科研单位试验择优而来。加长进气管的弯曲程度一般应取大些,避免“死弯”,同时弯曲部离进口端要远一些。各部连接要紧固,保证密封,防止漏气。
关键词 小型柴油机;惯性增压技术;优点;原理;制作与安装
中图分类号 TK421 .8 文献标识码 B 文章编号 1007-5739(2009)13-0250-01
根据四行程柴油机的工作原理和燃烧理论,在相同的气缸尺寸、燃烧室形式、燃油排号和喷油质量及喷油时间等条件下,要进一步提高柴油机的有效功率,增加供油量,使更多的燃料在气缸内燃烧,从而有更多的热能来做功,这一点是比较容易做到的。但要使燃料更加充分地燃烧,即提高燃烧效率,还必须供给充足的新鲜空气来保证燃烧时所需要的氧气;否则供气不足,燃料不能充分地燃烧,就会造成浪费,且废气排放增加,也污染了环境。因此,要求内燃机配气系统在柴油机进气的过程中能够吸得充足的空气,以满足各种工作需要。为了使柴油机在进气的过程中吸入更多的空气,目前,主要采取的措施:一是尽可能减小空气滤清器和进气管道的阻力,保证进气畅通;二是合理设计配气相位,在保证废气排净的情况下,延长进气门的关闭时间,使其到下止后40～60°关闭,这样充气效率能达到80%;三是在新鲜空气进入气缸前先用增压器来增压,以加大空气密度,提高进气压力,这样可以使喷入气缸内的燃料更加充分地燃烧,甚至能使喷入气缸内的燃料也可充分地燃烧。目前,这一技术已经在大中型柴油机上应用,但是由于增压设备结构复杂,制造成本高,且对柴油机本身材料也有较高要求,因而对于小功率柴油机很不适应,因此小功率柴油機进气增压技术一直未能在农业生产中被运用。为此笔者将介绍一种增压新技术——惯性增压技术,通过多年的试验和实践效果很好,很适合小功率柴油机,对于多缸机的效果也较明显。
1 小型柴油机惯性增压的优点
一是增压设备比较简单。只需要1根适当长度的进气管和一个稳压管或振荡腔,安装容易、费用低、效果好,也不消耗柴油机的本身能量;二是可提高功率20%左右,而最大爆发力和最高温度没有多大变化,因此不需要改变发动机的零件和材料;三是惯性增压可以改善燃烧状况,排烟度明显减少,积炭减少,有利于提高柴油机的可靠性和使用寿命;四是燃油消耗率降低,节约能源。但是对于高原使用的柴油机,还不能解决因海拔高、气压低、进气不足而引起的功率下降、耗油率高的问题。
2 惯性增压原理
所谓惯性增压,就是利用进气管道内气流的惯性效应来提高柴油机的充气效率以达到增压的一种装置,其工作原理如下。
(1)惯性效应。人们知道活塞从上止点下行,当进气开始的瞬间,进气道中的气流流速很低,此刻在气门的附近出现了较大的真空度。气体的流速小于活塞下行的速度,随着活塞的下行,进气的气流不断加速。如果进气管道加长之后,虽然有磨擦阻力,进气过程中有一部分动力消耗,使初始期进入气缸的空气相对减少,但由于气管的加长,使得进气初期气缸中的相对真空度增大,气缸中出现了比未加长的进气管更大的惯压。这个较大的惯压以波的形式向进气管口传播,传到管口端遇到大气后返回一个压缩波,沿着管道向内传送。如果进气管道选择适当,正好使返回来的压缩波峰在进气阀开启后到达,则当进气阀关闭前的时刻就能将受压的空气关进气缸,使进气量增加,这就是惯性效应。
(2)波动效应。活塞接近吸气行程下止点、进气阀突然关闭时,进气管内的气流因急剧停止而受压,在进气阀处产生一个正压,这个正压以波的形式向外传播。到达管口后一部分溢出,因而管口处产生一个负压值,又向进气阀端反射。当进气阀刚开启的时刻,此负压和气缸内的负压叠加后向管口传播,再形成压缩波的形式传到进气阀,进气阀关闭时在管口产生的膨胀波经2次反射变成压缩波进入气缸,这就是波动效应。
3 惯性增压装置的制作与安装
惯性效应和波动效应都可以使柴油机在吸气行程中多吸进新鲜空气,只要设法增强这2种特性,就能使柴油机在吸气行程中吸入更多的新鲜空气。为实现这一目的通常采用以下2种方式对柴油机进行改进。下面以S195型柴油机为例。
(1)稳压式增压装置。就是适当地加长进气管。在进气管和空气滤清器之间加装一个稳压筒,加长后的增压管可以使进气时的气流惯性增加。稳压筒能够消除空气滤清器的阻力。制作要求:进气管的长度选择在1 000～1 200mm为宜,管径应与原管径相同,内壁要光滑,截面要均匀,曲管的曲率半径不得小于130mm;稳压筒一般选择在200mm×200 mm×500mm大小,要设有固定架能固定在机体上2个开口的位置,要便于与进气管和空气滤清器连接(以上尺寸选择是由太原工学院试验所得,效果最好)。安装:将稳压筒固定在机体上,即机油尺上方;卸下空气滤清器,换上增压管连接在进气道上;增压管的一端插入稳压筒内50～80mm,放好密封圈拧紧。
(2)振荡腔式惯性增压。该装置取消了稳压筒,而是在空气滤清器的上方加装了一个相当于气缸容积0.5～1.0倍的圆柱形振荡腔。其作用是当压缩波达到开口端时,振荡腔能够将其原溢出的部分压缩波予以贮存,同时在反射波因滤清器的阻力而衰减时,由振荡腔反射回来的压缩波又能使衰减后的压缩波重新受到振荡而增强,从而提高惯性增压的效果。这种增压器体积小、重量轻、制作简单,适用于移动作业的柴油机。制作要求:振荡腔的直径略小于空气滤芯的直径。一般直径选取100mm,高度97mm,顶穹圆半径95mm,内壁光滑且要有固定设置。滤清器加高圈的高度与振荡腔同高,直径与原滤清器外壳相同。安装:卸下原进气管,换上增压管,连接上空气滤清器;拆下空气滤清器,安装上振荡腔,装上加高圈,盖上滤清器帽,拧紧各连接部螺丝。注意各部连接要可靠,不能漏气,要经常对空气滤清器进行保养,不得阻塞。
(3)注意事项。加长后进气管的长度(L)、进气管的直径(d)以及发动机的转速(n)之间有重要关系。通常管子的直径可以根据原进气管确定,以便于安装。加长管的长度可以参考下列公式确定L=6.8d/n。一般选取1 000～1 200mm最佳。稳压筒和振荡腔的形状和尺寸应通过试验来确定,前面提供的形状和尺寸都是经过科研单位试验择优而来。加长进气管的弯曲程度一般应取大些,避免“死弯”,同时弯曲部离进口端要远一些。各部连接要紧固,保证密封,防止漏气。