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1進氣特性分析

1.1進氣的特性分析

在進氣沖程進入柴油機氣缸的空氣稱為進氣，進氣是柴油機熱功轉換的工質之一，進氣的工況可以歸納3個特性。

1）動態性由于空氣是進氣的氣源，所以進氣的成分也會隨環境因素的變化而動態變化，如對于自然進氣型柴油機，在海拔4000m的高原地區，進氣中的含氧量只有平原地區的65%左右。

2）可調性柴油機的進氣機構包括空氣濾清器、空氣預熱器、廢氣渦輪增壓器、進氣消聲器、進氣門等零部件，通過這些功能元件的運行，可以調控進氣的成分和物理參數，使其處于合理區間內，以利于提高柴油機的動力性、經濟性和排放性。

3）系統性從系統工程學的觀點分析，進氣及進氣機構是一個子系統（進氣系統），與柴油機的燃油系統、排氣系統和工程機械傳動系統等子系統組成整機大系統。在對進氣系統的進氣進行調控時，不僅要調控進氣系統內的功能元件的運行，還要與相關的子系統相關元件的運行優化匹配。如要使空燃比達到最佳值，則必須使進氣量和燃油系統的噴油量最佳匹配。如要保障進氣順暢，充氣系數高，則排氣系統的排氣背壓廢氣殘留率也必須相應減少，以達合理匹配。

1.2進氣成分和物理參數的合理區間

從保障柴油機正常運行的角度出發，進氣的主要成分和物理參數的合理區間如下：

①含氧量21%；

②氣溫20～30℃；

③含塵量<2mg/m3。這些指標是進氣質量的參考評價指標。

2提高進氣質量的對策

在柴油機的運行中，造成進氣質量差的主要因素是進氣含氧量低、進氣氣溫過高或過低、進氣含塵量超標等。從工程機械設計、制造、使用等方面可采取的對策如下。

2.1提高含氧量的對策

進氣含氧量低會造成燃油燃燒不完全，燃燒效率低下，對此可采取如下對策。

1）用廢氣渦輪增壓器增氧在柴油機上安裝廢氣渦輪增壓器，利用柴油機的排氣驅動渦輪增壓器，可以提高氣缸的進氣壓力（約為180～200MPa），增加進氣密度和含氧量，同時相應適當增加噴油量，則可使有效功率比自然進氣型柴油機提高40%～60%左右。高原型工程機械的柴油機均安裝廢氣渦輪增壓器來適應高原地區空氣含氧量低的作業環境。渦輪增壓器有廢氣渦輪增壓器、機械增壓器、電動增壓器、氣波增壓器、復合增壓器等多種型號，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（導葉葉片角度可調節）等多種，可按不同主機機型優選配置。

2）富氧膜補氧文獻介紹，國外有的工程機械機型在空氣濾清器后端安裝富氧膜組件，可為進氣補充氧氣，節能減排。

3）用氧氣瓶增氧在進氣系統中加裝氧氣瓶和控制元件，為進氣增氧。陜西建設機械股份公司對進口的ABG8620型攤鋪機加裝此裝置，使該機在高原順利運行。

4）電磁共振電解水增氧增氫據《建筑和筑路機械》（俄）2013年第8期介紹，德國公司WABO-SCHMIRTECHNIXGMBH&CO.KG開發了AIR-TEC裝置（電磁共振電解進氣中水蒸氣為氫氣和氧氣的裝置）。該裝置有2個元件：

①專用進氣管，內裝電磁線圈的進氣管，其余結構與普通進氣管相同，裝機時取代傳統進氣管。

②電子控制模塊（ECU），它可調控進氣管的電磁線圈發射與進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產生共振，共振力可以破斷H2O中H和O之間的結合鍵，使H和O分別聚合成H2和O2，加入進氣中，增加進氣和氧含量和氫量。其化學反應式如下：2H2O=2H2+O2。電磁線圈所需電流由柴油機原有的發電機供給，由ECU調控。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，可以節能減排。德國奔馳ACTROS重卡安裝了此裝置，節油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機械、農機使用后，效果良好。5）添加含氧燃料補氧柴油是不含氧的燃料，文獻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，最大爆發力降低，雙燃料可優勢互補，混合燃料增加了氧含量，可以改善柴油的燃燒反應，燃燒效率高，排放污染物CO、HC和碳煙下降。

2.2調節進氣氣溫的對策

1）當進氣溫度低于-10℃，由于會降低燃油混合氣的溫度，使柴油機冷起動困難，甚至不能起動，其對策是在進氣管路安裝進氣預熱裝置，如電熱塞、進氣預熱器、低溫起動液輔助起動等（可依機型不同優選一種），以提高進氣溫度。

2）當進氣溫度超高時，采用降溫裝置降低進氣溫度。如工程機械增壓型柴油機，空氣經增壓后成熱壓縮空氣，使氣溫升高（約400℃左右）。氣溫升高會降低充氣密度，燃燒效率下降。對此可加裝空空中冷器來降低進氣溫度。

2.3降低進氣含塵量的對策

實驗表明，當進氣中含塵量由23mg/m3降到2mg/m3時，氣缸因塵粒產生的磨損量可降低12%。所以，柴油機進氣機構中均裝有空氣濾清器，空氣濾清器型號很多，有雙級（粗濾+細濾）、三級（預濾+粗濾+細濾）、慣性式、油浴式、離心式、復合式、廢氣（柴油機排氣）引射抽塵的三級空氣濾清器等20多種型號，可按作業區空氣含塵量擇優選配。如廈工生產的沙漠型裝載機，配置了大流量、低阻力、自動排塵的沙漠型空氣濾清器，適應沙漠中空氣含塵量大的環境，使進氣含塵量少。另外，還可以采用降塵施工工藝來降低環境空氣含塵量，從源頭上降低進氣含塵量，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，減少施工粉塵的產生量。

2.4自動調節進氣質量的裝置

一些先進的工程機械機型，配置了自動調節進氣質量的裝置。自動裝置主要應用傳感器技術、電子控制模塊（ECU）來自動調控功能元件（如渦輪增壓器、空氣加熱器、進氣門等）的運行，從而調節進氣質量，使其參數處于合理區間。如冠明斯柴油機運用自動控制技術，可調控VGT可變截面渦輪增壓器按工況要求精準調節進氣的壓力、流量；又如scanid生產的生態型柴油機，配置帶傳感器和ECU的電控進氣門和可變截面的渦輪增壓器，可根據工況變化自動調節進氣量的大小。卡特彼勒開發的ADEM控制器，從工程機械柴油機內置的傳感器獲取信息可對臨界參數進行實時調節，調控進氣量和供油量，使之最佳匹配，另外還具有適應海拔高度變化的自動補償功能。

3建議

1）本文介紹的新技術，既可在新機上應用，也可用于再用機的升級改造，如俄羅斯將AIR-TEC裝置用于再用機的升級改造，提高了再用機的節能減排性能。

2）在對司機和維修人員進行技術培訓時，加進氣系統的有關內容，有利于司機和維修人員掌握提升進氣質量的技術，提高工程機械的使用性能。

3）由于提升進氣質量的裝置都安裝在進氣管及附近區段，所以在設計工程機械新機時在這個區段應留有一定余量空間，以利日后增加改進裝置時安裝，提高工程機械的可維修性和再制造性。

作者：章崇任 單位：廣西壯族自治區政協