摘要： 柴油机进气系统由进气管、空气滤清器、进气歧管、涡轮增压器等组成，其作用为提供清洁新鲜空气、合适浓度的混合气和进气充分均匀地供给各气缸。进气系统的结构和流动性能直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性。本文系统阐述进气系统的功用与布置要求（含空滤器位置、管路密封及进气真空度标准），详细介绍进气管、进气歧管、空气滤清器（干式、湿式、旋风式）及废气涡轮增压系统的结构特点与工作原理，并提供非增压与增压发动机进气流量的计算公式，为进气系统的设计与维护提供技术参考。
一、进气系统作用和布置
内燃机在工作过程中，要求一定比例的空气以确保燃料燃烧充分。为了防止外界杂质进入发动机气缸引起磨损，要求对进入气缸的空气进行必要的清洁处理。因此决定了对空滤器除了滤清效率的要求外，还要求它在保养期的进气量（可用进气阻力表示）不影响发动机的设计指标。空滤器流量不足（即进气阻力超过要求的进气允许阻力），发动机的表现为油耗逐渐上升、排放温度升高、功率逐渐下降。
要对一种发动机进气系统进行设计，首先要明确该车搭载的发动机对进气系统的要求，其次要知道柴油发电机组对进气系统总成布置的要求。
1. 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。
2. 空气滤清器布置要求
空气滤清器作为发动机进气系统的一部分，在系统布置时，必须从整个进气系统考虑以下几点：
（1）空气滤清器进口处的温度不应过高，不应超出环境温度的15℃（较高要求为不超过8℃），进气温度过高会降低发动机充气系数。高温空气密度降低，导致进入气缸的氧气量减少，燃烧不充分，功率下降，排温升高。
（2）进气口应避免吸入雨雪及发动机排出的废气。雨雪进入空滤器会造成滤芯潮湿堵塞，废气吸入则会降低进气含氧量，导致燃烧恶化。
（3）进气口应避开负压区、集灰区、甩泥区。空滤进口应尽量升高，放在顶部，以降低吸入空气的含尘浓度，空气灰尘浓度与地面距离高度三次方成反比。空滤器安装在飞轮壳上方时，应确保其高度低于发动机本体的最高点，避免与机罩干涉。
（4）空气滤清器至发动机进气口之间的管子应减少接口数量，接口卡箍沿管壁360°密封，防止灰尘从未密封处短路进入发动机。
（5）空气滤清器装在发电机组上，应容易让人接近，便于保养，外壳上在醒目的位置贴上明确的保养说明。
3. 进气管路布置要求
（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，并进行防锈处理。进气钢管不允许内表面涂漆处理，因为漆层脱落可能进入发动机，造成气门卡滞或涡轮损坏。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，防止管路因振动疲劳断裂。
（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，以最大限度地吸收振动位移。
（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10kPa），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40mm，卡箍位于密封凸台后。
4. 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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当进气阻力超过表中许用真空度总值时，应更换或清洁空气滤清器滤芯，否则发动机将出现功率下降、油耗上升、排温升高等现象。
二、进气系统结构组成
1. 进气管
进气管的设计目的是消除各缸之间的进气干涉、排气干扰，提高充气效率。在设计进气歧管时要充分利用进气管的波动效应和惯性效应，提高进气终了时的进气压力，提高充气效率。设计出最佳的管长和管径，就能在发动机一定的转速范围内增加充气量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和烟度。进气管外观与位置如图1所示。
（1）进气管和进气道。柴油发电机工作时，新鲜空气通过进气管和气缸盖中的进气道进入气缸内。为了使进入气缸内的空气不致受热而影响进气量，通常柴油发电机都将进气管与排气管分别装在气缸盖的两侧。并要求进气通道截面积应足够大，内表面应平整光滑，使空气流通阻力尽可能小。
（2）进气管通常用钢板冲压焊接或用铸铁、铸铝制成。
（3）进气管侧面有四个气口分别与四个气缸盖上的进气道相通，其上端总进气口与空气滤清器相连。
2. 进气歧管
柴油机进气歧管示例如图2所示。
（1）将空气-燃油混合气或洁净空气均匀分配到各缸。
（2）进气歧管内气体流道的长度应尽可能相等，以保证各缸进气量均匀，避免因进气量差异导致各缸燃烧不均衡。
（3）进气歧管的内壁应该光滑，减小气体流动阻力。歧管截面突变处应圆滑过渡，防止产生涡流增加阻力。
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图1 柴油机进气管示意图 |
图2 柴油机进气歧管示意图 |
3. 空气滤清器
空气滤清器是气缸吸入新鲜空气的“大门”，它的功用是清除进入气缸空气中的灰尘杂质，将干净的空气送入气缸内。由于空气中含有大量的灰尘和杂质，发动机工作时，空气中的灰尘和杂质随空气一起被吸入气缸内，与机油混合在一起，造成气缸、活塞组及气门机构等零件严重磨损，使柴油机使用寿命大为缩短。试验证明，如果柴油发电机不装空气滤清器，其磨损危害性是：气缸的磨损增大8倍，活塞的磨损增大3倍，活塞环的磨损增大9倍。由此可知，空气滤清器对柴油发电机的使用寿命有着极大的影响，因此，在使用时，应定期清洗空气滤清器，保证气道畅通，满足柴油发电机对进气量的要求，防止由此而产生的故障。空气滤清器位置如图3所示。
（1）干式空气滤清器。干式空气滤清器是利用改变空气流动方向或使空气通过带有孔隙滤心的机械方法，使空气净化，因它不需加注机油故称为干式空气滤清器。由于滤芯不同，故有金属滤心和纸质滤心之分。135、125和105系列柴油发电机通常采用此种空气滤清器，也有用“湿式”滤清器。纸质滤芯不可水洗，清洁时应用压缩空气从内向外吹扫。
（2）湿式空气滤清器。用于在多尘条件下工作的发动机上，滤芯多为金属丝，清洗后可重复使用。湿式空气滤清器的底部装有一定数量的机油，利用机油的粘性作用，将空气中的灰尘、杂质吸附下来。湿式空气滤清器结构由外壳、滤心和上盖等构成，其外壳底部装有一定数量的机油，滤心套装在壳体中间的出气筒上，上面盖着上盖，结合面处用橡胶套圈密封。柴油发电机工作时，空气从进气口沿外壳里层高速吸入形成旋转的气流，然后在外壳与滤心之间向下流动，当接触到滤清器下部的机油面时，其流动方向急转向上，于是使空气中较重的尘粒因惯性力作用落入机油中，同时，空气流转向上方时，将一部分机油夹带到滤芯上，使空气中所含的尘土被粘在有机油的滤芯上。经过这样过滤处理，空气中的灰尘等杂质95%～97%被过滤掉，净化后的空气经中央气道和进气管进入气缸。
（3）旋风式空气滤清器。这种空气滤清器是利用旋风器（即离心元件）使空气产生高速旋转，空气中的灰尘在旋转离心力的作用下分离出去，达到净化空气的目的。工作时，空气从罩盖与上体之间空间处，沿离心元件叶片方向流动进入旋风器，使空气产生高速旋转运动，空气中的灰尘在离心力作用下被甩向旋风器内壁，然后从下部除尘孔甩出去，落到上体内。干净空气沿离心元件体中间短管进入下体，由下体出气口送到增压器中。
目前，柴油发电机上所使用的空气滤清器，大多采用的是惯性油浴式空气滤清器，工作时，应保持器底机油液面的高度，即与外壳上凹进部分同高，一般每工作100～150h应认真清洗一次，并更换机油。在灰尘较多的地方，清洗的时间应缩短。
4. 废气涡轮增压系统
增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮（见图4所示），叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。
当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%～30%。但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。
涡轮增压器是利用发动机排出的废气驱动涡轮，由于它工作的环境经常处于高速、高温下工作，增压器废气涡轮端的温度在600度以上，增压器的转速也非常高，因此为了保证增压器的正常工作，对它的正确使用和维护十分重要。
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图3 柴油机空气滤清器位置示意图 |
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图4 废气涡轮增压系统剖面图（叶轮放大图）
三、进气流量计算
一般发动机的进气流量是发动机厂通过台架试验进行测量，然后在主机厂进行进气系统设计时提出相应要求。在发动机厂未明确要求进气流量的情况下，柴油发电机厂家可通过以下的近似计算结果设计空滤器及管路。以下对非增压与增压两种发动机进气流量的计算方法分别进行介绍。
1. 非增压发动机空气流量的计算
可以通过以下经验公式计算获得：
式中，Q为额定空气流量（m³/h）；V_h为活塞总排量（L）；n为发动机转速（r/min）；η_v为充气系数，柴油机取0.85，汽油机取0.75；Z为缸数系数，4缸机以上取1。
该公式基于发动机排量、转速和充气效率估算进气量，适用于非增压发动机的初步设计选型。
2. 增压发动机空气流量的计算
对于增压（含中冷）发动机，发动机的进气量也就是发动机在额定转速下增压器的进气流量，一般在发动机的性能试验报告中可以查到，单位为kg/s。将其转换成我们常用的体积流量公式为：
式中，Q为柴油机所需空气量（m³/h）；M_c为额定状态下增压器质量流量（kg/s）；γ_c为空气密度（kg/m³）。
3. 其他方法
如果发动机实验报告上不能提供准确的进气流量数值，也可通过以下计算方法进行估算：
（1）根据发动机增压器压比、增压器出气温度、发动机进气温度以及发动机常规参数确定。该方法需要发动机进行必要的实验，测量也比较方便。
式中，；Q为柴油机所需空气量（m³/h）；A为增压系数；V_h为活塞总排量（L）；n为发动机转速（r/min）；η_s为扫气系数，增压机取1.05；η_v为充气系数，柴油机取0.85；I为增压器压比（增压器出口与进口空气压力的比值）；T_0为增压器进气温度（K）；T为发动机进气温度（K）（增压机为增压器出口温度，增压中冷发动机为中冷后发动机进气温度）。
（2）根据进气密度近似计算空气流量
式中，；Q为柴油机所需空气量（m³/h）；ρ_k为进入发动机的空气密度（kg/m³）；P_2为进入发动机的空气压力（Pa）；R为气体常数，对空气R=287；T为发动机进气温度（K）；V_h为发动机排量（L）；ψ_k为过量扫气系数：气阀重叠角0°～30°曲轴转角时ψ_k=0.9；气阀重叠角50°～70°曲轴转角时ψ_k=1；气阀重叠角100°～140°曲轴转角时ψ_k=1.1；γ_c为空气密度（kg/m³）。
在实际工程应用中，建议优先采用发动机性能试验报告中的实测数据，当无法获得时再使用上述经验公式进行估算。计算得到的进气流量还应结合进气阻力（表1）和空滤器容尘量进行综合校核，以确定最终的空滤器选型和管路尺寸。
总结： 柴油发电机组进气系统作为发动机的重要组成部分，其作用是将外界空气引入发动机内进行燃烧以输出电力。进气系统的设计应综合考虑空滤器布置（进口温度、位置、保养便利性）、管路密封（刚性管气密性、软管减震、卡箍密封）及进气阻力控制（许用真空度标准）。空气滤清器有干式、湿式和旋风式三种类型，各有适用场景；废气涡轮增压器利用排气能量压缩进气，可提升功率20%～30%，但需注意全浮动轴承的机油润滑和冷却。进气流量的计算可采用经验公式，非增压发动机按排量、转速和充气系数估算，增压发动机优先采用增压器质量流量数据换算。掌握进气系统的结构原理和计算方法，对于提高电力输出和保护环境具有重要意义。
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