提高柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量工程機(jī)械論文

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1進(jìn)氣特性分析

1.1進(jìn)氣的特性分析

在進(jìn)氣沖程進(jìn)入柴油機(jī)氣缸的空氣稱為進(jìn)氣，進(jìn)氣是柴油機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)之一，進(jìn)氣的工況可以歸納3個(gè)特性。

1）動(dòng)態(tài)性由于空氣是進(jìn)氣的氣源，所以進(jìn)氣的成分也會(huì)隨環(huán)境因素的變化而動(dòng)態(tài)變化，如對(duì)于自然進(jìn)氣型柴油機(jī)，在海拔4000m的高原地區(qū)，進(jìn)氣中的含氧量只有平原地區(qū)的65%左右。

2）可調(diào)性柴油機(jī)的進(jìn)氣機(jī)構(gòu)包括空氣濾清器、空氣預(yù)熱器、廢氣渦輪增壓器、進(jìn)氣消聲器、進(jìn)氣門等零部件，通過這些功能元件的運(yùn)行，可以調(diào)控進(jìn)氣的成分和物理參數(shù)，使其處于合理區(qū)間內(nèi)，以利于提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

3）系統(tǒng)性從系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)分析，進(jìn)氣及進(jìn)氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)子系統(tǒng)（進(jìn)氣系統(tǒng)），與柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成整機(jī)大系統(tǒng)。在對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣進(jìn)行調(diào)控時(shí)，不僅要調(diào)控進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的功能元件的運(yùn)行，還要與相關(guān)的子系統(tǒng)相關(guān)元件的運(yùn)行優(yōu)化匹配。如要使空燃比達(dá)到最佳值，則必須使進(jìn)氣量和燃油系統(tǒng)的噴油量最佳匹配。如要保障進(jìn)氣順暢，充氣系數(shù)高，則排氣系統(tǒng)的排氣背壓廢氣殘留率也必須相應(yīng)減少，以達(dá)合理匹配。

1.2進(jìn)氣成分和物理參數(shù)的合理區(qū)間

從保障柴油機(jī)正常運(yùn)行的角度出發(fā)，進(jìn)氣的主要成分和物理參數(shù)的合理區(qū)間如下：

①含氧量21%；

②氣溫20～30℃；

③含塵量<2mg/m3。這些指標(biāo)是進(jìn)氣質(zhì)量的參考評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2提高進(jìn)氣質(zhì)量的對(duì)策

在柴油機(jī)的運(yùn)行中，造成進(jìn)氣質(zhì)量差的主要因素是進(jìn)氣含氧量低、進(jìn)氣氣溫過高或過低、進(jìn)氣含塵量超標(biāo)等。從工程機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、使用等方面可采取的對(duì)策如下。

2.1提高含氧量的對(duì)策

進(jìn)氣含氧量低會(huì)造成燃油燃燒不完全，燃燒效率低下，對(duì)此可采取如下對(duì)策。

1）用廢氣渦輪增壓器增氧在柴油機(jī)上安裝廢氣渦輪增壓器，利用柴油機(jī)的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，可以提高氣缸的進(jìn)氣壓力（約為180～200MPa），增加進(jìn)氣密度和含氧量，同時(shí)相應(yīng)適當(dāng)增加噴油量，則可使有效功率比自然進(jìn)氣型柴油機(jī)提高40%～60%左右。高原型工程機(jī)械的柴油機(jī)均安裝廢氣渦輪增壓器來適應(yīng)高原地區(qū)空氣含氧量低的作業(yè)環(huán)境。渦輪增壓器有廢氣渦輪增壓器、機(jī)械增壓器、電動(dòng)增壓器、氣波增壓器、復(fù)合增壓器等多種型號(hào)，其中廢氣渦輪增壓器還有葉片角度固定渦輪增壓器、可變截面渦輪增壓器（導(dǎo)葉葉片角度可調(diào)節(jié)）等多種，可按不同主機(jī)機(jī)型優(yōu)選配置。

2）富氧膜補(bǔ)氧文獻(xiàn)介紹，國外有的工程機(jī)械機(jī)型在空氣濾清器后端安裝富氧膜組件，可為進(jìn)氣補(bǔ)充氧氣，節(jié)能減排。

3）用氧氣瓶增氧在進(jìn)氣系統(tǒng)中加裝氧氣瓶和控制元件，為進(jìn)氣增氧。陜西建設(shè)機(jī)械股份公司對(duì)進(jìn)口的ABG8620型攤鋪機(jī)加裝此裝置，使該機(jī)在高原順利運(yùn)行。

4）電磁共振電解水增氧增氫據(jù)《建筑和筑路機(jī)械》（俄）2013年第8期介紹，德國公司W(wǎng)ABO-SCHMIRTECHNIXGMBH&CO.KG開發(fā)了AIR-TEC裝置（電磁共振電解進(jìn)氣中水蒸氣為氫氣和氧氣的裝置）。該裝置有2個(gè)元件：

①專用進(jìn)氣管，內(nèi)裝電磁線圈的進(jìn)氣管，其余結(jié)構(gòu)與普通進(jìn)氣管相同，裝機(jī)時(shí)取代傳統(tǒng)進(jìn)氣管。

②電子控制模塊（ECU），它可調(diào)控進(jìn)氣管的電磁線圈發(fā)射與進(jìn)氣中的水蒸氣中氫原子和氧原子自振頻率相同或相近的電磁波，使H和O產(chǎn)生共振，共振力可以破斷H2O中H和O之間的結(jié)合鍵，使H和O分別聚合成H2和O2，加入進(jìn)氣中，增加進(jìn)氣和氧含量和氫量。其化學(xué)反應(yīng)式如下：2H2O=2H2+O2。電磁線圈所需電流由柴油機(jī)原有的發(fā)電機(jī)供給，由ECU調(diào)控。由于O2是助燃劑，H2是高效無污染的燃料，這都有利于提高燃油燃燒效率，所以安裝了該裝置，可以節(jié)能減排。德國奔馳ACTROS重卡安裝了此裝置，節(jié)油7%，CO2排放降低51%，NOX排放降低9%，碳煙排放降低26%，俄羅斯巴爾斯科林場等單位的林業(yè)機(jī)械、農(nóng)機(jī)使用后，效果良好。5）添加含氧燃料補(bǔ)氧柴油是不含氧的燃料，文獻(xiàn)介紹了添加含氧燃料甲醇+柴油雙燃料方式，即在柴油中摻加10%～20%體積比的甲醇，甲醇是含氧、不含硫，著火特性良好的生物柴油。但單純使用滯燃期較短，最大爆發(fā)力降低，雙燃料可優(yōu)勢互補(bǔ)，混合燃料增加了氧含量，可以改善柴油的燃燒反應(yīng)，燃燒效率高，排放污染物CO、HC和碳煙下降。

2.2調(diào)節(jié)進(jìn)氣氣溫的對(duì)策

1）當(dāng)進(jìn)氣溫度低于-10℃，由于會(huì)降低燃油混合氣的溫度，使柴油機(jī)冷起動(dòng)困難，甚至不能起動(dòng)，其對(duì)策是在進(jìn)氣管路安裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置，如電熱塞、進(jìn)氣預(yù)熱器、低溫起動(dòng)液輔助起動(dòng)等（可依機(jī)型不同優(yōu)選一種），以提高進(jìn)氣溫度。

2）當(dāng)進(jìn)氣溫度超高時(shí)，采用降溫裝置降低進(jìn)氣溫度。如工程機(jī)械增壓型柴油機(jī)，空氣經(jīng)增壓后成熱壓縮空氣，使氣溫升高（約400℃左右）。氣溫升高會(huì)降低充氣密度，燃燒效率下降。對(duì)此可加裝空空中冷器來降低進(jìn)氣溫度。

2.3降低進(jìn)氣含塵量的對(duì)策

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)氣中含塵量由23mg/m3降到2mg/m3時(shí)，氣缸因塵粒產(chǎn)生的磨損量可降低12%。所以，柴油機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)中均裝有空氣濾清器，空氣濾清器型號(hào)很多，有雙級(jí)（粗濾+細(xì)濾）、三級(jí)（預(yù)濾+粗濾+細(xì)濾）、慣性式、油浴式、離心式、復(fù)合式、廢氣（柴油機(jī)排氣）引射抽塵的三級(jí)空氣濾清器等20多種型號(hào)，可按作業(yè)區(qū)空氣含塵量擇優(yōu)選配。如廈工生產(chǎn)的沙漠型裝載機(jī)，配置了大流量、低阻力、自動(dòng)排塵的沙漠型空氣濾清器，適應(yīng)沙漠中空氣含塵量大的環(huán)境，使進(jìn)氣含塵量少。另外，還可以采用降塵施工工藝來降低環(huán)境空氣含塵量，從源頭上降低進(jìn)氣含塵量，如在礦山和采石場，采用濕式鑿巖，在隧道施工中采用濕噴施工工藝，在土方平基工地和粉料裝卸場，采用噴水降塵等，減少施工粉塵的產(chǎn)生量。

2.4自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣質(zhì)量的裝置

一些先進(jìn)的工程機(jī)械機(jī)型，配置了自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣質(zhì)量的裝置。自動(dòng)裝置主要應(yīng)用傳感器技術(shù)、電子控制模塊（ECU）來自動(dòng)調(diào)控功能元件（如渦輪增壓器、空氣加熱器、進(jìn)氣門等）的運(yùn)行，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣質(zhì)量，使其參數(shù)處于合理區(qū)間。如冠明斯柴油機(jī)運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)，可調(diào)控VGT可變截面渦輪增壓器按工況要求精準(zhǔn)調(diào)節(jié)進(jìn)氣的壓力、流量；又如scanid生產(chǎn)的生態(tài)型柴油機(jī)，配置帶傳感器和ECU的電控進(jìn)氣門和可變截面的渦輪增壓器，可根據(jù)工況變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小。卡特彼勒開發(fā)的ADEM控制器，從工程機(jī)械柴油機(jī)內(nèi)置的傳感器獲取信息可對(duì)臨界參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，調(diào)控進(jìn)氣量和供油量，使之最佳匹配，另外還具有適應(yīng)海拔高度變化的自動(dòng)補(bǔ)償功能。

3建議

1）本文介紹的新技術(shù)，既可在新機(jī)上應(yīng)用，也可用于再用機(jī)的升級(jí)改造，如俄羅斯將AIR-TEC裝置用于再用機(jī)的升級(jí)改造，提高了再用機(jī)的節(jié)能減排性能。

2）在對(duì)司機(jī)和維修人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)時(shí)，加進(jìn)氣系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容，有利于司機(jī)和維修人員掌握提升進(jìn)氣質(zhì)量的技術(shù)，提高工程機(jī)械的使用性能。

3）由于提升進(jìn)氣質(zhì)量的裝置都安裝在進(jìn)氣管及附近區(qū)段，所以在設(shè)計(jì)工程機(jī)械新機(jī)時(shí)在這個(gè)區(qū)段應(yīng)留有一定余量空間，以利日后增加改進(jìn)裝置時(shí)安裝，提高工程機(jī)械的可維修性和再制造性。

作者：章崇任 單位：廣西壯族自治區(qū)政協(xié)