提高柴油机进气质量工程机械论文

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1进气特性分析

1.1进气的特性分析

在进气冲程进入柴油机气缸的空气称为进气，进气是柴油机热功转换的工质之一，进气的工况可以归纳3个特性。

1）动态性由于空气是进气的气源，所以进气的成分也会随环境因素的变化而动态变化，如对于自然进气型柴油机，在海拔4000m的高原地区，进气中的含氧量只有平原地区的65%左右。

2）可调性柴油机的进气机构包括空气滤清器、空气预热器、废气涡轮增压器、进气消声器、进气门等零部件，通过这些功能元件的运行，可以调控进气的成分和物理参数，使其处于合理区间内，以利于提高柴油机的动力性、经济性和排放性。

3）系统性从系统工程学的观点分析，进气及进气机构是一个子系统（进气系统），与柴油机的燃油系统、排气系统和工程机械传动系统等子系统组成整机大系统。在对进气系统的进气进行调控时，不仅要调控进气系统内的功能元件的运行，还要与相关的子系统相关元件的运行优化匹配。如要使空燃比达到最佳值，则必须使进气量和燃油系统的喷油量最佳匹配。如要保障进气顺畅，充气系数高，则排气系统的排气背压废气残留率也必须相应减少，以达合理匹配。

1.2进气成分和物理参数的合理区间

从保障柴油机正常运行的角度出发，进气的主要成分和物理参数的合理区间如下：

①含氧量21%；

②气温20～30℃；

③含尘量<2mg/m3。这些指标是进气质量的参考评价指标。

2提高进气质量的对策

在柴油机的运行中，造成进气质量差的主要因素是进气含氧量低、进气气温过高或过低、进气含尘量超标等。从工程机械设计、制造、使用等方面可采取的对策如下。

2.1提高含氧量的对策

进气含氧量低会造成燃油燃烧不完全，燃烧效率低下，对此可采取如下对策。

1）用废气涡轮增压器增氧在柴油机上安装废气涡轮增压器，利用柴油机的排气驱动涡轮增压器，可以提高气缸的进气压力（约为180～200MPa），增加进气密度和含氧量，同时相应适当增加喷油量，则可使有效功率比自然进气型柴油机提高40%～60%左右。高原型工程机械的柴油机均安装废气涡轮增压器来适应高原地区空气含氧量低的作业环境。涡轮增压器有废气涡轮增压器、机械增压器、电动增压器、气波增压器、复合增压器等多种型号，其中废气涡轮增压器还有叶片角度固定涡轮增压器、可变截面涡轮增压器（导叶叶片角度可调节）等多种，可按不同主机机型优选配置。

2）富氧膜补氧文献介绍，国外有的工程机械机型在空气滤清器后端安装富氧膜组件，可为进气补充氧气，节能减排。

3）用氧气瓶增氧在进气系统中加装氧气瓶和控制元件，为进气增氧。陕西建设机械股份公司对进口的ABG8620型摊铺机加装此装置，使该机在高原顺利运行。

4）电磁共振电解水增氧增氢据《建筑和筑路机械》（俄）2013年第8期介绍，德国公司WABO-SCHMIRTECHNIXGMBH&CO.KG开发了AIR-TEC装置（电磁共振电解进气中水蒸气为氢气和氧气的装置）。该装置有2个元件：

①专用进气管，内装电磁线圈的进气管，其余结构与普通进气管相同，装机时取代传统进气管。

②电子控制模块（ECU），它可调控进气管的电磁线圈发射与进气中的水蒸气中氢原子和氧原子自振频率相同或相近的电磁波，使H和O产生共振，共振力可以破断H2O中H和O之间的结合键，使H和O分别聚合成H2和O2，加入进气中，增加进气和氧含量和氢量。其化学反应式如下：2H2O=2H2+O2。电磁线圈所需电流由柴油机原有的发电机供给，由ECU调控。由于O2是助燃剂，H2是高效无污染的燃料，这都有利于提高燃油燃烧效率，所以安装了该装置，可以节能减排。德国奔驰ACTROS重卡安装了此装置，节油7%，CO2排放降低51%，NOX排放降低9%，碳烟排放降低26%，俄罗斯巴尔斯科林场等单位的林业机械、农机使用后，效果良好。5）添加含氧燃料补氧柴油是不含氧的燃料，文献介绍了添加含氧燃料甲醇+柴油双燃料方式，即在柴油中掺加10%～20%体积比的甲醇，甲醇是含氧、不含硫，着火特性良好的生物柴油。但单纯使用滞燃期较短，最大爆发力降低，双燃料可优势互补，混合燃料增加了氧含量，可以改善柴油的燃烧反应，燃烧效率高，排放污染物CO、HC和碳烟下降。

2.2调节进气气温的对策

1）当进气温度低于-10℃，由于会降低燃油混合气的温度，使柴油机冷起动困难，甚至不能起动，其对策是在进气管路安装进气预热装置，如电热塞、进气预热器、低温起动液辅助起动等（可依机型不同优选一种），以提高进气温度。

2）当进气温度超高时，采用降温装置降低进气温度。如工程机械增压型柴油机，空气经增压后成热压缩空气，使气温升高（约400℃左右）。气温升高会降低充气密度，燃烧效率下降。对此可加装空空中冷器来降低进气温度。

2.3降低进气含尘量的对策

实验表明，当进气中含尘量由23mg/m3降到2mg/m3时，气缸因尘粒产生的磨损量可降低12%。所以，柴油机进气机构中均装有空气滤清器，空气滤清器型号很多，有双级（粗滤+细滤）、三级（预滤+粗滤+细滤）、惯性式、油浴式、离心式、复合式、废气（柴油机排气）引射抽尘的三级空气滤清器等20多种型号，可按作业区空气含尘量择优选配。如厦工生产的沙漠型装载机，配置了大流量、低阻力、自动排尘的沙漠型空气滤清器，适应沙漠中空气含尘量大的环境，使进气含尘量少。另外，还可以采用降尘施工工艺来降低环境空气含尘量，从源头上降低进气含尘量，如在矿山和采石场，采用湿式凿岩，在隧道施工中采用湿喷施工工艺，在土方平基工地和粉料装卸场，采用喷水降尘等，减少施工粉尘的产生量。

2.4自动调节进气质量的装置

一些先进的工程机械机型，配置了自动调节进气质量的装置。自动装置主要应用传感器技术、电子控制模块（ECU）来自动调控功能元件（如涡轮增压器、空气加热器、进气门等）的运行，从而调节进气质量，使其参数处于合理区间。如冠明斯柴油机运用自动控制技术，可调控VGT可变截面涡轮增压器按工况要求精准调节进气的压力、流量；又如scanid生产的生态型柴油机，配置带传感器和ECU的电控进气门和可变截面的涡轮增压器，可根据工况变化自动调节进气量的大小。卡特彼勒开发的ADEM控制器，从工程机械柴油机内置的传感器获取信息可对临界参数进行实时调节，调控进气量和供油量，使之最佳匹配，另外还具有适应海拔高度变化的自动补偿功能。

3建议

1）本文介绍的新技术，既可在新机上应用，也可用于再用机的升级改造，如俄罗斯将AIR-TEC装置用于再用机的升级改造，提高了再用机的节能减排性能。

2）在对司机和维修人员进行技术培训时，加进气系统的有关内容，有利于司机和维修人员掌握提升进气质量的技术，提高工程机械的使用性能。

3）由于提升进气质量的装置都安装在进气管及附近区段，所以在设计工程机械新机时在这个区段应留有一定余量空间，以利日后增加改进装置时安装，提高工程机械的可维修性和再制造性。

作者：章崇任 单位：广西壮族自治区政协