浅析发动机进气系统

浅析发动机进气系统
发动机是工程机械的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，进气系统
的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环
保性。进气系统的功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，系统中
主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作
的稳定性、可靠性，甚至大大缩短其寿命。下面结合实践对工程机械发动
机进气系统的合理设计进行一些探讨：
１．空气滤清器
空气滤请器的作用是阻止灰尘进入发动机燃烧室，防止气缸套、活塞、
活塞环、气门和气门导杆的磨损，所以空气滤清器的选型是至关重要的。
１．１空气滤清器的型式
工程机械的空气滤请器只有选用两级干式空气滤清器，在第一级中滤
清器将大的灰尘离心分离掉，并被收集到一个灰尘容纳器或者以间隙、连
续两种方式从系统中排掉，在第二级中空气滤清器有一个处理过的纸质滤
芯，过滤掉其余的灰尘。不建议湿式空气滤清器和油浴式空气滤清器。
重型干式空气滤清器可以设计为垂直和水平两种型式。
１．２空滤器的选用
空气滤清器的除尘能力直接影响发动机的功率和合理保养时间的最
低要求，工程机械宜选用重型干式空气滤清器，一般型或中型的空气滤清
器不能满足工程机械的作业要求。重型空气滤清器所需的最低能力可以简
单地规定为该空滤器超出进气阻力值之前从每立方米发动机进气量中排
除０．８８千克Ａ－Ｃ级灰尘的能力。重型干式空气滤清器必须具有的最
低效率应为９９．９％。
１．３预滤清器的选用
重型空气滤清器的初级大多是通过离心较重的灰尘颗粒使其从进气
中分离到离心区的外围，而从离心区的中部吸入清洁的空气。预滤清器的
效率是除尘能力的一个主要决定因素。一个效率为９０％的预滤清器，允
许１０％的灰尘进入空气滤清器的纸质滤芯区域，而一个效率为６０％的
预滤清器将允许４０％的灰尘进入空气滤清器的纸质滤芯区域。显然，选
用性能优越的预滤清器，对纸质滤清器的保养时间会大大延长。
１．４旋滤器的选用
工程机械的工作环境非常恶劣，尤其象振动压路机经常在沙漠、干旱
以及荒无人烟的地方施工，这样的环境下重型空气滤清器不能长时间完全
为发动机提供充足、清洁的空气，而且空气滤清器的寿命也会大大打折扣，
因此，建议在空气滤清器的前面增加一级过滤装置一一旋滤器，旋滤器可
以把大部分的灰尘经过粗滤，这样再经过重型空气滤清器，这样能够保证
进入发动机空气充足、清洁的，而且可以延长重型空滤器的寿命，延长空
滤器的保养时间。
２．如何计算进气系统的阻力
由于工程机械施工的特殊性，大部分增压涡轮发动机，它的进气阻力
的极限值较大。这样给设计工程师带来了一定设计结构空间，但不管怎样，
设计进气系统时应在结构允许的条件下尽量减少进气阻力。
进气系统的阻力取决于许多变量，这些变量包括管路的形状、导管的
平滑度、柔性接头的类型、管子的尺寸、进气帽的结构、弯管的类型等，
精确确定系统阻力的唯一方法是通过测试，只要装配好整个系统，就应检
查进气系统的阻力。
例：发动机为涡轮增压，其进气阻力极限值为：２５英寸水柱（６３
５ｍｍ），空气滤清器的流量为９００Ｌ／ｍ，整个进气系统为从进气帽
（直径１２７ｍｍ）经过０．６ｍ长的管路（直径１２７ｍｍ）到空滤器
的进口，从空滤器出口用９０°弯管（直径１０２ｍｍ）连到ｌｍ的管子
（直径１０２ｍｍ），经过９０°的橡胶弯管（变径到７６ｍｍ）到发动
机的进口。
进气帽的进气阻力：１４２ｍｍ水柱
０．６ｍ长的管路的阻力：２．９４ｍｍ水柱
空气滤清器阻力（滤芯干净时）：１５０．３ｍｍ水柱
９０°弯管（直径１０２ｍｍ）的阻力：８．０５ｍｍ水柱
ｌｍ长的管路阻力：１．７３ｍｍ水柱
９０°弯管（变径７６ｍｍ）的阻力：２．０３ｍｍ水柱
这样总阻力为：１４２＋２．９４＋１５０．３＋８．０５＋１．７
３＋２．０３＝３０７．０５ｍｍ
显然，该总阻力满足设计要求。
３．空气滤清器的安装
空气滤清器的安装应使空气滤清器上的任何密封表面变形，支架应坚
固并且十分牢靠地固定在发动机上或车架上，能够确保空气滤清器在拆卸
纸滤芯时没有困难，不必拆卸其它零件。空气滤清器对振动可能敏感，如
果滤清器预发动机时分开装的就不存在这个问题，如果是直接安装在发动
机上，就可能要考虑滤芯和支架的抗振性、耐久性。
３．１进气管道
进气管道使用的部件要经过充分的计算和考虑，首先管道在承受最大
的阻力条件下不得被吸瘪，对于存在不同零件之间的管道应提供能够相对
运动的能力；在管道的每一处联接处，在任何时候都要保持永久密封，以
防止潮湿和灰尘进入，尤其在滤清器与发动机的进口处之间的管道不得有
任何泄漏和细微的小孔，否则会使大量的灰尘进入发动机，而导致发动机
故障。
现在设计人员已经习惯地应用钢、铝、玻璃纤维增强的塑胶管，但仍
需注意以下几点：柔性橡胶接头多采用带凸起加强筋的软管、变径管、橡
胶弯管； 对焊的钢管焊缝要均匀，尽可能地使用圆弧过渡；
３．２进气管路的布置
良好的设计能够使进气管道布置的流动阻力极小，并使管道系统中的
温升保持最小。进气管的直径应与发动机上进气口相近似。在发动机和滤
清器的进气管之间的相对运动要求管道部件有一定的柔性，并设计管道的
辅助支撑，若不使用或使用不当的支撑，会使管道迅速地出现疲劳损坏现
象。当然，柔性要设计在橡胶部件中，不应设计在刚性管道中。
涡轮增压器进口上的弯距应该限制在发动机要求的范围之内，如：康
明斯发动机涡轮增压器进口上的弯距限制在６．７８Ｎ·ｍ以内，以免造
成增压器壳体变形，因此在增压器壳体和第一个管道支撑之间必须提供柔
性连接，而且长度应控制在一定的范围内。
安装布置进气管路一定使用３６０°全部密封作用的软管卡箍，“Ｔ”
型螺栓或萨ＳＡＥ标准的Ｆ型卡箍是首选。如果使用蜗杆型ＳＡＥ标准Ｆ
卡箍，那么每个连接处需要两个卡箍（拧紧角度互为１８０°）以确保连
接处的完全密封。
管路布置尽可能远离高温区，不可使橡胶软管、接头、弯头长期暴露
在１２５℃的高温中，应小心避免将装配到高温附近，如果必须靠近高温
的结构要考虑隔热措施。
管路的布置尽可能使进气通畅不要形成回旋空气，回旋的空气减小了
有效管径，也会导致压力比预计的高；刚性钢管在柔性管连接处设计一个
比钢管直径大１ｍｍ的凸台，避免柔性胶管与钢管在受到外力或振动时互
相脱离。
进气口的位置要远离排气口，特别要避免大量水进入进气口。进气口
吸入灰尘和水雾对空气滤清器非常有害；进气口尽可能地设计在低温位
置，如果处于高温位置将使进气的空气密度显著减小，其结果是每增加１
０°Ｆ，发动机功率下降１％。
３．３阻力指示器
工程机械的环境异常恶劣，往往在不经意的过程中造成空气滤清器的
堵塞，因而在增压器进气入口处增加真空感应器，直接显示空气滤清器的
状态，是正常还是需要维护，或者直接安装带有刻度的指示器，可以渐进
地看出空气滤清器阻力的增加，直至最大，提醒使用者注意保养和维护。
阻力指示器的目的：不是指示第一级集尘器的维护周期，而是在整个
进气系统的阻力显示。阻力指示器不管任何形式，都必须易于观察，安装
的最佳位置点在发动机或增压器进气口上游２５ｍｍ－３０ｍｍ之间的
一段直管上。
阻力指示器的螺纹接头或传感接头连接到进气系统的管路上，其接头
必须滤芯，当阻力指示器或传感器破裂、或者脱落时可以避免灰尘的进入，
如果这种情况确实发生了，该滤芯很快就会被堵塞，所以必须重新更换或
清洁接头，以使指示器和传感器重新正常工作。
综上：进气系统从空气滤清器的选型、进气阻力的设计、进气管道的
布置和安装等各个环节需要很细节的设计。进气系统设计的好坏直接影响
到发动机的功率和寿命，甚至影响整机性能。不论任何时候，进气系统应
该为发动机提供清洁、充足的空气，针对不同的布置结构、使用环境、不
同的工况都应遵循以下四个原则：
Ｉ、进气系统必须安装一个很有效的空滤设备，来排除进气中的杂质
和灰尘：
ＩＩ、进气系统的阻力不得超过发动机参数表上的范围
ＩＩＩ、进气系统需选择合理的进气位置和管路布置
Ⅳ、非常方便的进气系统的维护和保养，不能因为进气系统的保养而
影响其管路的密封性。