基于R12V280ZJ柴油機進氣系統的研究

嵇玉龍

摘 要：當前，280柴油機逐步成為我國鐵路機車的主型動力，柴油機燃燒過程需要供給氣缸大量空氣，進氣系統則是柴油機的重要保護裝置之一。本文通過對不同車型柴油機進氣系統的消化、吸收和改進，研發出了適用于R12V280ZJ型柴油機的進氣系統。通過有限元仿真分析和性能計算，該進氣系統滿足該柴油機的性能要求。

關鍵詞：280柴油機；進氣系統；濾清元件；有限元仿真

1 背景

戚墅堰公司自上世紀七十年代開發280系列機車柴油機以來，通過幾十年不斷改進完善，280柴油機逐步成為我國鐵路機車的主型動力。進氣系統作為柴油機非常重要的保護裝置之一，在行車安全方面，影響機車的正常運行，大風沙地區尤為明顯；經濟性上，它的性能直接影響柴油機缸頭缸套等的使用壽命，影響柴油機的油耗；可維護性上，直接影響人工操作的難易程度。

2 進氣系統的設計

根據柴油機的進氣量、吸入真空度及機車的結構布置空間來完成所需各級濾清元件的設計選型工作，依據柴油機增壓器進氣口與濾清元件安裝箱體接口的相對位置來設計相應的空氣流經通道，以滿足功能的需要。

2.1 工作原理

進氣系統是對柴油機進氣空氣進行過濾的重要保護裝置之一，它可以濾除空氣中的硬質灰塵顆粒，為柴油機提供清潔空氣，防止空氣中雜質對中冷器污染、堵塞并造成柴油機相關部件的異常磨損，從而保證柴油機的正常工作，并具有一定的消聲作用（見圖1）。所以，研發一個合適的，高效的，經濟的進氣系統對于整個柴油機來說是非常重要的。尤其對運行于風沙地區的機車來說，采用一種濾清效率高，進氣阻力小，容塵能力強，重量輕，更換周期長，維保、更換簡單、安全可靠的空氣濾清元件，無論是從提高機車的工作效率及經濟性指標，延長柴油機的壽命，還是從節能的角度，都有著十分重要的意義。

2.2 結構設計

該進氣系統通過機車兩側上方進氣，吊掛在機車頂懸梁上，集成了排塵風機，且在箱體內部設有排水裝置。

該進氣系統將箱體、袋式濾清器、慣性濾清器、排塵風機、檢修門和排水裝置等零部件集成為一個模塊（見圖2），極大程度提高了整車的模塊化組裝；且在袋式濾清器的前端設有密封檢修門，方便了袋式濾清器的更換，并且此檢修門具有密封效果，臟空氣不會通過此處進入增壓器影響其性能。但是由于受機車結構布置的限制，進氣系統只能安裝在機車較高的位置，故將該進氣系統吊掛在機車頂懸梁上。由于袋式濾清器維護更換周期較短，所以袋式濾清器必須放置于下端以便更換維護，在此方式布置下，慣性濾清器則需布置于上端。但是此種結構有兩大不足：1、外界雨水可能會隨著慣性濾清器進入進氣箱體，雨水可能會通過袋式濾清器進入增壓器，影響柴油機性能。據此，在進氣系統中增設排水裝置，以避免上述現象；2、袋式濾清器進風方向與進氣系統出風方向垂直，阻力可能會較大。

2.3 濾清元件的選型

R12V280柴油機的額定進氣流量：

根據柴油機的進氣流量及進氣系統結構的要求和限制，故選用現有的BKXF-3型慣性濾清器，其額定流量為2770 m3/h。因此，所需的慣性式空氣濾清器的數量為： n1=Q/2770=21600/2770=7.8>7，所以采用8個BKXF-3型慣性式空氣濾清器

由于結構限制，現有的三種規格的袋式濾清器都不能滿足該進氣系統的要求，故需研制出一種新型的袋式濾清器，其額定流量為3960 m3/h。因此，所需的袋式空氣濾清器的數量為： n2=Q/3960=21600/3960=5.45>5，所以采用6個新型的袋式空氣濾清器。袋式濾清器由玻璃纖維和地棉材料組成，多層過濾，濾清效率高、過濾面積、流量大。表面噴涂有阻燃膠質油，灰塵吸附能力強， 具有阻燃、防雨特性。空氣過濾路徑為內進外出。

3 性能分析

整個進氣系統阻力包括慣性濾清器阻力、袋式濾清器的阻力、以及系統沿程阻力和局部阻力，根據280柴油機的要求，干凈濾芯最大阻力小于2.45Kpa。

3.1 濾清元件阻力計算

3.1.1 慣性濾清器阻力

根據TB/T2722-2013 《內燃機車用空氣濾清器》的要求，慣性濾清器的初始阻力：f1≤850pa

3.1.2 袋式濾清器阻力

根據BKDL-1型袋式濾清器試驗報告，其在額定流量3500 m3/h時的阻力為300pa，故文中的新型袋式濾清器的阻力應該在f2 = 350pa 左右。

3.2 箱體阻力有限元仿真

3.2.1網格模型劃分及流場曲線

為了更準確的計算箱體阻力，需要借助仿真分析軟件ANSYS 14.0對箱體沿程阻力和局部阻力進行估算，本次分析主要利用幾何模型處理工具ANSYS DM 、流體網格劃分工具ICEM CFD及流體動力學分析軟件FLUENT等軟件，最終得到風道的流場分布和阻力特性。

圖2為從Creo 2.0輸出到ANSYS中的模型，系統可近似看成對稱結構，在ANSYS ICEM CFD中將模型處理為沒有厚度的壁面來進行網格劃分，針對進出口段增長了一部分管道，有利于提高CFD分析的收斂性以及分析精度。在該幾何模型的基礎上，使用ICEM CFD中的直接從幾何體上劃分網格的魯棒性高的Octree的四面體劃分網格，網格模型及流場場線如圖3和圖4：

3.2.2 邊界條件及分析模型

邊界條件見表3.1。

3.2.3 分析結果

通過收斂曲線、監控變量的值是否不再變化及進出口流量差是否小于規定值來判斷分析過程是否收斂，獲得了箱體阻力f3 = 830pa。

因此，整個進氣系統阻力f =慣性濾清器阻力（f1）+袋式濾清器阻力（f2）+箱體阻力（f3）

=850pa+350pa（試驗值）+830=2030pa<2450pa

4 結論

綜上所述，整個進氣系統的總阻力為2030Pa，滿足干凈濾芯最大阻力小于2.45Kpa的要求。因此，此進氣系統方案滿足柴油機性能的要求。

參考文獻

1.一種內燃機車新型防風沙空氣濾清系統的運用淺析 張曉芳 吉林化工學院學報 第24卷 第2期 2007年4月

2. TB/T 2722-2013 《內燃機車用空氣濾清器》