小型柴油機慣性增壓技術

陳德言

摘要 分析了小型柴油機慣性增壓的優點,介紹了柴油機慣性增壓技術的原理、慣性增壓裝置的制作與安裝,以期促進小型柴油機慣性增壓技術的推廣應用。

關鍵詞 小型柴油機;慣性增壓技術;優點;原理;制作與安裝

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

根據四行程柴油機的工作原理和燃燒理論,在相同的氣缸尺寸、燃燒室形式、燃油排號和噴油質量及噴油時間等條件下,要進一步提高柴油機的有效功率,增加供油量,使更多的燃料在氣缸內燃燒,從而有更多的熱能來做功,這一點是比較容易做到的。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,且廢氣排放增加,也污染了環境。因此,要求內燃機配氣系統在柴油機進氣的過程中能夠吸得充足的空氣,以滿足各種工作需要。為了使柴油機在進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氣管道的阻力,保證進氣暢通;二是合理設計配氣相位,在保證廢氣排凈的情況下,延長進氣門的關閉時間,使其到下止后40～60°關閉,這樣充氣效率能達到80%;三是在新鮮空氣進入氣缸前先用增壓器來增壓,以加大空氣密度,提高進氣壓力,這樣可以使噴入氣缸內的燃料更加充分地燃燒,甚至能使噴入氣缸內的燃料也可充分地燃燒。目前,這一技術已經在大中型柴油機上應用,但是由于增壓設備結構復雜,制造成本高,且對柴油機本身材料也有較高要求,因而對于小功率柴油機很不適應,因此小功率柴油機進氣增壓技術一直未能在農業生產中被運用。為此筆者將介紹一種增壓新技術——慣性增壓技術,通過多年的試驗和實踐效果很好,很適合小功率柴油機,對于多缸機的效果也較明顯。

1 小型柴油機慣性增壓的優點

一是增壓設備比較簡單。只需要1根適當長度的進氣管和一個穩壓管或振蕩腔,安裝容易、費用低、效果好,也不消耗柴油機的本身能量;二是可提高功率20%左右,而最大爆發力和最高溫度沒有多大變化,因此不需要改變發動機的零件和材料;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,有利于提高柴油機的可靠性和使用壽命;四是燃油消耗率降低,節約能源。但是對于高原使用的柴油機,還不能解決因海拔高、氣壓低、進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,就是利用進氣管道內氣流的慣性效應來提高柴油機的充氣效率以達到增壓的一種裝置,其工作原理如下。

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

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

3 慣性增壓裝置的制作與安裝

慣性效應和波動效應都可以使柴油機在吸氣行程中多吸進新鮮空氣,只要設法增強這2種特性,就能使柴油機在吸氣行程中吸入更多的新鮮空氣。為實現這一目的通常采用以下2種方式對柴油機進行改進。下面以S195型柴油機為例。

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

(2)振蕩腔式慣性增壓。該裝置取消了穩壓筒,而是在空氣濾清器的上方加裝了一個相當于氣缸容積0.5～1.0倍的圓柱形振蕩腔。其作用是當壓縮波達到開口端時,振蕩腔能夠將其原溢出的部分壓縮波予以貯存,同時在反射波因濾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,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,適用于移動作業的柴油機。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,內壁光滑且要有固定設置。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,要經常對空氣濾清器進行保養,不得阻塞。

(3)注意事項。加長后進氣管的長度(L)、進氣管的直徑(d)以及發動機的轉速(n)之間有重要關系。通常管子的直徑可以根據原進氣管確定,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。穩壓筒和振蕩腔的形狀和尺寸應通過試驗來確定,前面提供的形狀和尺寸都是經過科研單位試驗擇優而來。加長進氣管的彎曲程度一般應取大些,避免“死彎”,同時彎曲部離進口端要遠一些。各部連接要緊固,保證密封,防止漏氣。