柴驱风冷移动式空气压缩机设计知识(1)空气压缩机(以下简称空压机)是国民经济各行各业广泛应用的气动设备、风动工具的压缩空气动力源。
柴油机驱动的风冷型移动式空压机(以下简称柴动空压机)则是不易接电的户外非固定场所，特别是无电的野外边远山区不可或缺的供气设备。
我国早在上世纪六十年代即已开发出3.6m3/min柴动往复活塞空压机(以下简称柴动活塞机)，之后相继推出10.12m3/min。
至本世纪初年18m3/min应运而生，柴动活塞机市场呈现供不应求的局面。
近年来，各喷油螺杆空压机(以下简称螺杆机)厂家一改此前之观望不决，转而争相开发中低压柴动螺杆机，使国内柴动空压机市场更趋繁荣。
开发柴动空压机除需空压机设计技术外，尚涉及柴油机和汽车相关基础技术。
作为柴油机的选用及汽车基础技术的应用者，虽然不必像专业人士那样全面钻研求精，但若没有基本知识，面对各种类型柴油机和汽车，恐将眼花缭乱，既提不出确切技术要求，也看不出哪些是可用技术。
1、必备的柴油机基础知识1.1 速成认识柴油机在事先初步熟悉柴油机原理后，请专业人士现场指导，直面柴油机实物，对柴油机做个概略认识：先由总体观察入手，随后再对其机体(缸体、缸盖、油底壳以及内部的曲轴连杆活塞等)-进气系-燃料供给系-冷却系-润滑系-起动系-增压系-电气系以及操纵控制机构，仪表盘等逐次了解。
在此基础上开机运转，亲历启动-怠速-升速-加载-满载-降速-卸载-怠速-停机等运转全过程，对柴油机有个生动的认识。
经一定消化之后，再对另外不同型号的柴油机进一步加深了解。
作为活塞机设计者来说，对柴油机将不再陌生。
1.2 掌握必要的柴油机基本概念a、中小型高速柴油机指转速超过1000r/min，标定功率2.2-993kW的柴油机。
柴动空压机所用之柴油机均属此类。
b、标定功率/标定转速在标定转速下，将柴油机的油门置于最大位置时应能发出的功率为标定功率，对应的转速为标定转速。
功率允差±5%。
按不同用途可分为：车用型按15min标定：在15min连续运转中柴油机应能发出的功率;工程型按1h标定：在1h连续运转中，柴油机应能发出的功率;空压机按12h标定：在12h连续运转中柴油机应能发出的功率。
同一型号柴油机其15min标定功率-1h标定功率-12h标定功率，各档次功率逐级约递减10%。
c、净功率柴油机标牌上的标定功率包含柴油机为冷却发电等消耗的功率，其值约为标定功率的10%。
柴油机用户能获得功率约为标定功率的90%，此即净功率。
例如：标定功率为277kW的工程型柴油机能为柴动空压机提供的可用功率为：277×90%×90%≈224.4kW选用柴油机时切勿忘记这2个10%的折扣，否则将造成功率不够的严重后果。
d、功率储备(即空压机功率裕度)电动机功率与空压机额定功率相等可获电动机运行高效率，无需功率储备。
至于柴油机是否需功率储备，笔者经历的各柴油机厂家想法不一，请与柴油机厂具体协调，并在技术协议中予以确认，避免事后争议。
e、调速器调速器的作用是根据柴油机的负荷变化，自动做出相应的调节，使柴油机能以稳定的转速运转，并保证卸载时不超速，怠速时不熄火。
我国车用调速器基本都采用结构简单，工作可靠的机械离心式调速器，有如下两种：两速调速器：当柴油机转速超过规定的最大转速或低于怠速时，调速器能自动调节，减少或增大供油量，使柴油机不超速和怠速稳定，但柴油机处于怠速和最高转速之间的转速范围内各转速，两速调速器不起调速作用。
全速(程)调速器：不仅能限制最高空转转速和稳定怠速，而且能控制柴油机在所允许转速范围内的任何转速下稳定运转，工程型柴油机的稳定调速率8-12%。
柴动空压机需全速(程)调速器。
f、最低空载稳定转速(即怠速)柴油机无对外功率输出，保持最低转速稳定运转的工况怠速用于起动后油、水升温及仃机前均匀冷却。
g、最高空转转速柴油机在部分负荷或全负荷时卸载，转速将急剧升高，直至超过最高允许转速。
调速器可对转速予以控制，确保转速不超限，最高空转转速与额定转速之差取决于调速器稳定调速率。
h、有害物排放等级我国先后规定国Ⅰ、国Ⅱ、国Ⅲ乃至国Ⅳ各等级。
随着技术的不断发展，国家对环保要求的不断提高，排放等级将有进一步的提高。
j、可靠性首次故障前平均工作时间至少不应低于500h，平均故障间隔时间不应低于1000h。
k、寿命在遵守制造厂的操作规程及维护保养说明书的情况下，柴油机的使用寿命(第一次大修期)应不低于6000h。
可靠性和寿命指标为用户提供权威的维权依据。
m、柴油机速度特性柴油机功率、扭矩和耗油率随转速变化的规律称速度特性。
负荷最大时的速度特性称外特性，部分负荷的速度特性称部分负荷特性。
外特性曲线是在试车台上实测而得，图为典型的外特性曲线。
外特性表征柴油机所具有的最高动力性能，用户超过外特性之最低转速方可加载，以保证稳定运转。
n、升功率在标定工况下，柴油机每升气缸容积所发出的功率称升功率。
升功率越大，表示单位气缸工作容积发出的功率越大。
升功率表征单位气缸容积的利用率。
p、废气涡轮增压及中间冷却技术一些空压机的企业领导甚至技术人员认为增压柴油机可靠性差，对其持有排斥心理，此将误导柴油机之正确选用。
在柴油机的发展进程中，提升功率是贯穿始终的永恒主题，其途径有：提高充气量、提高转速、减少机械损失和优化燃烧。
增压技术是提高充气量最有效的措施：利用柴油机排气压力做动力，驱动废气涡轮产生每分钟高达十数万转的超高速，带动同轴的离心压气机吸入常压空气，排出具有一定压力的高密度空气进入柴油机气缸。
较之常压进气，额外增加进气量，相应增大喷油量，可使柴油机之功率在原有基础上至少提高50%，有的甚至高达100%以上。
与此同时，还可获得燃烧质量提高，燃油耗降低，排气有害成分减少，排气噪声降低，可靠性提高，整机外形尺寸相对减小等一系列优势。
虽然增压带来排气背压增大，机械负荷及热负荷增大，低速扭矩减小，加速性降低等负面影响，但现代增压技术都有趋利避害之良策，将负面影响降至可接受的程度。
我国西部广大地区海拔高，空气稀薄，柴油机高原性能劣化，海拔每升高1000m，功率约降低10%左右，耗油率约提高5%左右，增压技术使柴油机功率可恢复平原水平。
这为汽车、工程机械在高原得以正常工作，经济效益社会效益显著。
众所周知，空气经压缩后温度随之升高，对增压器而言，增压压力低时，空气温度升高率低;柴油机功率对压力增高率较高，随着增压压力增高，空气温度增高率逐渐加大，柴油机功率对压力增高率趋缓。
在追求更高的增压压力的研究中，诞生了中间冷却技术，即在增压器至柴油机进气口之间增设中间冷却器，对增压后的热空气予以冷却，使充入气缸的空气密度升高，并相应增加喷油量，则柴油机功率获进一步提高。
增压并中冷，使柴油机功率获得进一步提升。
采用增压技术是柴油机发展的必然趋势。
我国增压器研发始于上世纪70年代，如今增压技术早已成熟，其性能和可靠性已不亚于舶来品。
增压技术实乃吃小亏占大便宜之举，何乐而不为?q、柴油机型号编制规则GB725的规定涵盖了所有类型内燃机，具体到某一类机型，其型号就不一定那么复杂了。
其中柴油机型号，首部二位标志符号一般都不标示，气缸直列，四冲程，水冷都无符号型号因此简化不少，比如：r蓄电池型号编制规则例如：6-QA-135D表示6单格，起动用干封式额定容量135Ah(安时)，低温型蓄电池。
柴油机用蓄电池为24V，需2组6单格构成24V。
s、电流表的连接及读数含义电流表与蓄电池串联，电流表接线柱上的“+”“-”记号与蓄电池的极桩“+”“-”号异性相连，使只有向蓄电池充电的电流以及除向起动电机供电外(有时还包括喇叭等耗电量大的设备)的蓄电池放电电流才能通过电流表。
电流表的指示读数是双向的：刻度盘中间为零，当发电机向蓄电池充电时，指针偏向“+”;当蓄电池向用电设备(起动机等大功率设备除外)放电时，指针偏向“-”。
自电开关转到通电位置，指针便指到“-”，表示蓄电池放电。
运行中除怠速外，指针应指向“+”，运行中若电流表指向“-”，表明电路有故障。
1.3柴油机的构成我国早期工程用柴油机如6或4缸的135系列、130系列、95系列(后扩缸成100系列)等少数机型，自身配套完整，前自散热器后至飞轮/飞轮壳，并配有全套冷却水路，电气系统、仪表盘、油门操纵装置、蓄电池及前后支架。
用户仅需自配离合器/离合器壳及离合器操控装置，只要将蓄电池接入电路中，加水加机油即可开机驱动负荷。
其中135系列多家生产，广泛用于柴动活塞机。
其后出现的各种工程型柴油机多是车用型的变型产品，其构成：前自冷却风扇，后至飞轮/飞轮壳，至于散热器、水管路、电气系统、仪表盘、油门装置、离合器/离合器壳及操纵装置全由用户自配。
这给柴油机用户带来相当大的麻烦，特别值得一提的是散热器的选配。
众所周知，散热器是柴油机实现热平衡的重要装置，其结构形式、散热能力，最了解的莫过于柴油机厂家，柴油机所带之冷却风扇的转速、风量、风压、驱动功率均是与特定散热器相互协调配套而得。
将自己分内的工作推给用户，犹如空压机不提供中冷器叫用户自配一样不合情理。
笔者选配过多种型号柴油机，均是自行配套散热器。
在无原始技术数据情况下，只得按类比的办法，参照其车用原型机所用之散热器。
考虑到柴动空压机工作时是停在工地，不似车用型工作时有车行速度的气流对散热器有额外的吹风冷却作用，故柴动空压机的散热器散热面积须较同规格车用型散热器面积再大一些，约需增大20%左右，较同规格车用散热器大一号即可。
若配件市场没有适配散热器，亦可在专业散热器厂家定制。
一般经一次改进提高，即可达满意效果。
1.4 调研柴油机及签订技术协议我国工程型柴油机，其型号尾部加“G”者便是，不过那是专为装载机、压路机、挖掘机及发电机组配套的，其标定功率按各工程机械工作特点不同，有的按 15min标定，有的按1h标定，还有的按持续运行标定。
各工程机械只要对号入座，便可选得适用柴油机，至今在工程型柴油机中尚无适用柴动空压机之柴油机。
对于柴动空压机之柴油机，首先根据柴动空压机之额定功率/额定转速，在网上或柴油机产品样本中搜寻适用机型，对所获的几种机型及技术资料进行横向比对：据外特性曲线比较其最高动力性能之优劣，据升功率比较各单位技术水平之高低，据排放等级看谁更符合当前之环保要求，据其三包服务及网点判别是否有后顾之忧。
经比对选出满意厂家后，再对其实地了解更详细的问题及要求，具体如下：a、柴油机标定功率/标定转速及外特性曲线;b、是否予留功率储备;c、怠速(螺杆机之怠速另有要求);d、全速(程)调速器，稳定调速率<10%;e、二级空滤及型号规格;f、节温器动作温度;g、低温电予加热启动;h、排放等级，应与当时国家要求一致，并提供排放等级证书;i、增压器出口压力、温度、中冷后的温度要求;j、适用蓄电池型号;k、油压表、油温表、水温表接口螺纹尺寸及三坐标位置尺寸;m、机油温度上限并提供机油温度器接口(空压机用户有此要求);n、油底壳下沉部位是前置还是后置(按柴动空压机设计的需求定);p、不要小空压机，其外露传动轴须加防护罩;q、提供柴油机外形尺寸，连接尺寸图，至少应包括：三坐标原点位置;连接离合器壳的飞轮壳的止口形状尺寸，纵坐标位置，连接离合器的飞轮后端面形状尺寸，相对飞轮壳后端的纵向距离，并增加连接离合器用的螺孔孔径、分布圆直径;飞轮后轴心孔密封轴承安装孔尺寸形状及与飞轮壳后端的相对位置尺寸;冷却风扇至曲轴的中心高、风量、风压、转速、风扇前端面之纵坐标尺寸以及风扇与风扇带轮的连接法兰形状尺寸，改吸风式为吹风式;前后支架安装面的三坐标尺寸及位置精度;进排气口的三坐标尺寸;加油口的三坐标尺寸;进、出水口的方位、口径及三坐标尺寸;增压器的外形尺寸及其在机上的三坐标尺寸;机油滤清器直径、高度及三坐标尺寸。
