柴油机进气系统的工作原理、功用和布置要求
摘要：进气系统是把空气或混合气导入发动机汽缸的零部件集合体称为发动机的进气系统。进气系统对发动机的工作工况有着显著影响，因此，国三康明斯发动机采用了最新进气技术，使得发动机能达到最佳的空燃比，具有最大的功率和转矩，同时在排放方面能达到标准的一个最理想的值。
柴油机进气系统原理图
一、进气系统概述
1、进气系统的工作原理
把空气或混合气导入发动机缸体中的零部件的集合体称为发动机的进气系统。发动机是发电机组的心脏，进气系统是发动机的动脉。进气系统的布置、安装直接影响到发动机功能的发挥、工作稳定性，以及可靠性、环保性、甚至大大缩短发动机的寿命。统计表明发动机的早期磨损、烟大、油耗高、无力等故障绝大多与进气系统有关，所占比例达到85%以上。通常，原始进气道与连接管路截面积越大，弯曲越小管壁越平滑则整个进气系统的进气性能越好。气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。
当发动机工作，空气流量传感器，节气门位置传感器或进气压力传感器等计算出进气量后，进入各个气缸之前由配气机构所控制，配气机构根据发动机各缸的工作过程，定时的开启和关闭进排气门，以便气缸进气和换气，气门的传动由凸轮轴、气门导管和挺柱推杆，发动机工作时，正时齿轮带动凸轮轴旋转，当发动机要进行换气冲程时凸轮突起部分通过挺柱、推杆、高速螺钉推动摇臂摆动，摇臂的另一端向下推开气门并压缩气门弹簧。凸轮突起部分分离挺柱时，气门完全关闭，换气冲程结束，压缩和做工冲程开始，气门弹簧释放张力使气门关闭，这样的循环运动就是缸内的进气控制，在整个过程中都受到ECU的控制，ECU除了空气流量计和其他各种传感器的输入信号控制外，还通过对车速和冷却液温度进一步修正，从而达到一个理想的空燃比，以达到一个经济性与动力性。
2、 进气效率
柴油机在运转时，每一循环所获得空气量多少，是决定柴油机动力大小的基本因素，而柴油机的进气能力乃是由柴油机的“容积效率” 及“填充效率”来衡量。 “容积效率”的定义就是每一个进气行程中，汽缸所吸入的空气体积和气缸活塞行程容积的比值。之所以要用所吸入空气在大气压力作用下所占的体积标准，是因为空气进入气缸时，气缸内的压力比外在的压力低，而且压力值会有所改变，所以采用以大气压的状态下的体积作为共通的标准。并且由于在进行吸气行程时，会遭受各种的进气阻力，加上气缸内的高温作用，因此将吸入气缸内的空气体积换算成以大气压状态时，小于汽缸的体积，也就是说自然吸气柴油机的容积效率小于1，进气阻力的降低、汽缸内压力的提高、温度降低、排气回压降低、进气门面积加大都可提高柴油机的容积效率，而柴油机在高速运转时则会降低容积效率。大气压力高、温度低、密度高时，柴油机的填充效率也将随之提高。
由此也可看出，容积效率所表现的柴油机构造及运转状态造成柴油机性能的差异，填充效率表现为大气状态所引起柴油机性能的变化率，柴油机除了在极低的转速外，进气门前的压力在进气期间也会不断地产生变动。
3、进气系统的功用
发动机进气系统关系到发动机动力性、经济性、进气噪声、柴油机的烟度等性能。
（1）为发动机提供足量的空气，以保证发动机功率的正常发挥；（进气阻力增加6Kpa，功率下降3%左右）。
（2）有足够的滤清效率及过滤精度，滤除空气中的硬质灰尘颗粒，降低灰尘对发动机的磨损；
（3）对进气产生一定的抑制作用，降低进气噪音。
二、进气系统的组成结构
1、 空气滤清器
在发动机进气系统中，空气滤清器（以下简称空滤器）是其中最主要的部件。空滤器的作用主要是保护发动机，使它不被空气中的灰尘磨损，以提高发动机的经济性和动力性，并可延长柴油发电机的大修小时。统计显示，机动车和工程机械发动机的早期磨损，70%与空气滤清器有关，空气滤清器的滤清效率对发动机的磨损和寿命起着决定性的作用。
（1）空滤器的作用
为保证高效的过滤，延长空滤器的保养周期和使用寿命，国内柴油机空滤器一般采用干式双级过滤（粗滤器+细滤器）。在工作环境较恶劣的一些机型上，则采用三级过滤，即增加安全滤芯，防止主滤芯偶然损坏时灰尘进入发动机。另外在空滤器上提倡增加空气压力报警器，以便能够及时提醒操作员在空滤器堵塞严重时进行保养。
（2）弗列加空滤的优点
弗列加干式空滤器与其它类型相比，它具有以下优点：
● 效率高，性能稳定
● 滤芯容易设计，使空气滤清器结构简单，体积小，重量轻
● 滤芯更换方便
2、进气管路
（1）刚性管道：
必须绝对气密，而且能经受得住发动机振动和压力脉冲所引起的机械压力。无缝钢管及塑料管道能适用这一要求；也可以采用薄钢板的焊接管，但其先决条件是焊缝致密，内部要清理。管道内表面必须清洁，无焊瘤、锈层、氧化皮等进行防锈处理。进气钢管不允许内表面涂漆处理。管道须根据发动机的安装检查振动情况，并尽可能增加固定支架。
（2）软管
由于发动机弹性支撑在车架上，在使用过程中会发生抖动，而空滤器一般刚性连接于车架上，对此必须在进气管道上装上具有减震作用的弹性管路（如橡胶管）。在管路布置时，软管的纵向中心线应尽可能与主振动方向垂直。胶管性能要求：
● 胶管邵氏硬度:60~85，耐温-20~110℃，耐臭氧，在40℃时软管耐真空度负10 kPa。
● 低温性能:在-40℃时将橡胶成形件挤压到等于内径一半的尺寸,停留3秒种不得有裂纹或破裂。
● 收缩率:最大外径的10%。
（3）橡胶管的密封
为了不让灰尘通过连接部位进入管路（即短路），胶管与刚性硬管连接时必须用卡箍可靠连接，确保可靠密封。一般还要求在进气硬管上增加限位凸台。由于进气管路内负压并不是很大（一般小于10 kPa），最常用的紧固件是蜗杆紧固的带式卡箍或钢丝环箍,橡胶件的扦接长度应不小于40 mm,卡箍位于密封凸台后。
3、进气真空度要求
进气系统的真空度用充水的U形管来测量,对非增压发动机,不带负荷,在额定转速下于发动机的进气管口前不远处测量;对增压发动机,在全负荷\额定转速下,于压气机进口前清洁空气管上测量。
表1 纸芯空气滤脏污后的许用进气阻力（单位mmH2O）
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发动机
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空气真空度
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管道阻力
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可短期使用的许用真空度总值
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1缸
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200
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50
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250
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2缸
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350
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100
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450
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3缸
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500
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100
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600
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4缸及以上
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650
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150
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800
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注：油浴-湿式空滤器的许用进气阻力在上述数值基础上低100 mmH2O，在空滤出气管上设置保养指示器（直观式和电感式，开关点600 mmH2O）。表中指标主要用于柴油自吸发动机，对增压柴油机来讲，阻力值应适当降低。
三、国内外相关行业标准
● JB/T 6004-1992内燃机油浴及油浸式空气滤清器总成技术条件
● JB/T 9747-1999内燃机空气滤清器试验方法
● JB/T 9755-1999内燃机纸质空气滤清器总成技术条件
● QC/T 32-1999空气滤清器实验方法
● IS05011-2000内燃机和空气滤清器—试验方法
● JISD1612-1989空气滤清器试验方法
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展望未来
■ 三款大马力柴油机平台将导入中国本地化生产
■ 计划新建大马力制造基地和研发中心
■ 大力进军柴油发电机组租赁领域
■ 引进先进的50-72升排量全电控柴油机平台
■ 进一步提升康明斯在中国的产能与实力
质量方针
■ 以最低的成本及时向用户提供产品和服务
■ 始终如一地满足或超出客户提出的标准和要求
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