基于R12V280ZJ柴油机进气系统的研究

嵇玉龙

摘 要：当前，280柴油机逐步成为我国铁路机车的主型动力，柴油机燃烧过程需要供给气缸大量空气，进气系统则是柴油机的重要保护装置之一。本文通过对不同车型柴油机进气系统的消化、吸收和改进，研发出了适用于R12V280ZJ型柴油机的进气系统。通过有限元仿真分析和性能计算，该进气系统满足该柴油机的性能要求。

關键词：280柴油机；进气系统；滤清元件；有限元仿真

1 背景

戚墅堰公司自上世纪七十年代开发280系列机车柴油机以来，通过几十年不断改进完善，280柴油机逐步成为我国铁路机车的主型动力。进气系统作为柴油机非常重要的保护装置之一，在行车安全方面，影响机车的正常运行，大风沙地区尤为明显；经济性上，它的性能直接影响柴油机缸头缸套等的使用寿命，影响柴油机的油耗；可维护性上，直接影响人工操作的难易程度。

2 进气系统的设计

根据柴油机的进气量、吸入真空度及机车的结构布置空间来完成所需各级滤清元件的设计选型工作，依据柴油机增压器进气口与滤清元件安装箱体接口的相对位置来设计相应的空气流经通道，以满足功能的需要。

2.1 工作原理

进气系统是对柴油机进气空气进行过滤的重要保护装置之一，它可以滤除空气中的硬质灰尘颗粒，为柴油机提供清洁空气，防止空气中杂质对中冷器污染、堵塞并造成柴油机相关部件的异常磨损，从而保证柴油机的正常工作，并具有一定的消声作用（见图1）。所以，研发一个合适的，高效的，经济的进气系统对于整个柴油机来说是非常重要的。尤其对运行于风沙地区的机车来说，采用一种滤清效率高，进气阻力小，容尘能力强，重量轻，更换周期长，维保、更换简单、安全可靠的空气滤清元件，无论是从提高机车的工作效率及经济性指标，延长柴油机的寿命，还是从节能的角度，都有着十分重要的意义。

2.2 结构设计

该进气系统通过机车两侧上方进气，吊挂在机车顶悬梁上，集成了排尘风机，且在箱体内部设有排水装置。

该进气系统将箱体、袋式滤清器、惯性滤清器、排尘风机、检修门和排水装置等零部件集成为一个模块（见图2），极大程度提高了整车的模块化组装；且在袋式滤清器的前端设有密封检修门，方便了袋式滤清器的更换，并且此检修门具有密封效果，脏空气不会通过此处进入增压器影响其性能。但是由于受机车结构布置的限制，进气系统只能安装在机车较高的位置，故将该进气系统吊挂在机车顶悬梁上。由于袋式滤清器维护更换周期较短，所以袋式滤清器必须放置于下端以便更换维护，在此方式布置下，惯性滤清器则需布置于上端。但是此种结构有两大不足：1、外界雨水可能会随着惯性滤清器进入进气箱体，雨水可能会通过袋式滤清器进入增压器，影响柴油机性能。据此，在进气系统中增设排水装置，以避免上述现象；2、袋式滤清器进风方向与进气系统出风方向垂直，阻力可能会较大。

2.3 滤清元件的选型

R12V280柴油机的额定进气流量：

根据柴油机的进气流量及进气系统结构的要求和限制，故选用现有的BKXF-3型惯性滤清器，其额定流量为2770 m3/h。因此，所需的惯性式空气滤清器的数量为： n1=Q/2770=21600/2770=7.8>7，所以采用8个BKXF-3型惯性式空气滤清器

由于结构限制，现有的三种规格的袋式滤清器都不能满足该进气系统的要求，故需研制出一种新型的袋式滤清器，其额定流量为3960 m3/h。因此，所需的袋式空气滤清器的数量为： n2=Q/3960=21600/3960=5.45>5，所以采用6个新型的袋式空气滤清器。袋式滤清器由玻璃纤维和地棉材料组成，多层过滤，滤清效率高、过滤面积、流量大。表面喷涂有阻燃胶质油，灰尘吸附能力强， 具有阻燃、防雨特性。空气过滤路径为内进外出。

3 性能分析

整个进气系统阻力包括惯性滤清器阻力、袋式滤清器的阻力、以及系统沿程阻力和局部阻力，根据280柴油机的要求，干净滤芯最大阻力小于2.45Kpa。

3.1 滤清元件阻力计算

3.1.1 惯性滤清器阻力

根据TB/T2722-2013 《内燃机车用空气滤清器》的要求，惯性滤清器的初始阻力：f1≤850pa

3.1.2 袋式滤清器阻力

根据BKDL-1型袋式滤清器试验报告，其在额定流量3500 m3/h时的阻力为300pa，故文中的新型袋式滤清器的阻力应该在f2 = 350pa 左右。

3.2 箱体阻力有限元仿真

3.2.1网格模型划分及流场曲线

为了更准确的计算箱体阻力，需要借助仿真分析软件ANSYS 14.0对箱体沿程阻力和局部阻力进行估算，本次分析主要利用几何模型处理工具ANSYS DM 、流体网格划分工具ICEM CFD及流体动力学分析软件FLUENT等软件，最终得到风道的流场分布和阻力特性。

图2为从Creo 2.0输出到ANSYS中的模型，系统可近似看成对称结构，在ANSYS ICEM CFD中将模型处理为没有厚度的壁面来进行网格划分，针对进出口段增长了一部分管道，有利于提高CFD分析的收敛性以及分析精度。在该几何模型的基础上，使用ICEM CFD中的直接从几何体上划分网格的鲁棒性高的Octree的四面体划分网格，网格模型及流场场线如图3和图4：

3.2.2 边界条件及分析模型

边界条件见表3.1。

3.2.3 分析结果

通过收敛曲线、监控变量的值是否不再变化及进出口流量差是否小于规定值来判断分析过程是否收敛，获得了箱体阻力f3 = 830pa。

因此，整个进气系统阻力f =惯性滤清器阻力（f1）+袋式滤清器阻力（f2）+箱体阻力（f3）

=850pa+350pa（试验值）+830=2030pa<2450pa

4 结论

综上所述，整个进气系统的总阻力为2030Pa，满足干净滤芯最大阻力小于2.45Kpa的要求。因此，此进气系统方案满足柴油机性能的要求。

参考文献

1.一种内燃机车新型防风沙空气滤清系统的运用浅析 张晓芳 吉林化工学院学报 第24卷 第2期 2007年4月

2. TB/T 2722-2013 《内燃机车用空气滤清器》