摘要：介绍了一种利用柴油机排出的废气流动获得真空的柴油机自吸泵组，包括离心泵、柴油机、离合器、文丘里管、消音器、排气管等，柴油机的输出轴由离合器和联轴器与离心泵输入轴连接，在柴油机的消音器的排烟口处安装有闸阀；在消音器侧面另外设置有排气管，该排气管连接文丘里管进气口，文丘里管的旁路接口与离心泵的泵腔的排气口连接，并在该管路上安装一闸阀和一真空单向阀，文丘里管排气口上连接有出气管。利用柴油机排出的废气进入文丘里管排出，把离心泵泵腔和离心泵进水管路内的气体抽出，形成真空，从而把低于离心泵进水口的水吸进泵腔，实现正常排水。
关键字：柴油机废气、涡轮增压、文丘里管、自吸泵组
一
前言
柴油机泵组是以柴油机为动力的供水水泵机组，广泛应用于排涝、农业灌溉、消防和临时调水等。柴油机泵机经常使用在从低于水泵进水口吸水的工况，目前，在这种工况下抽水经常使用下面几种方式：
01
在吸水池水泵进口管路末端处加装底阀：柴油机泵组启动前，往水泵腔内灌水。把泵腔和水泵进水管路内的空气排干净后，启动柴油机泵组实现正常供水。由于底阀装在水池底部，若底阀发生故障，检修很不方便。而且对大流量柴油机泵组，由于水泵泵腔大、进水管直径大等，需大量灌水，自动化程度低，使用起来很不方便。
02
柴油机泵组配备柴油机真空泵组：通过先启动柴油机真空泵组，将水泵泵腔和水泵进水管路内空气抽出，从而产生真空，水源中的水在大气压作用下进入水泵进水管路和水泵泵腔内，再启动柴油机泵组实现正常供水。这种吸水方式中的真空泵也需要柴油机驱动，并且真空泵运行还要配备汽水分离器，不但增加了设备的占用空间，更增加了设备成本。
03
采用自吸泵和柴油机配套：自吸泵的效率低、体积大，并且自吸泵的流量小、扬程低，在很多情况下达不到使用要求。
为了降低柴油机泵组的设备造价，减少泵组的占用空间，扩大柴油机泵组的使用范围，充分利用柴油机运行时产生的废气高速通过文丘里管[1]排出，离心泵泵腔和离心泵进水管路中的气体通过与离心泵泵腔排气口连接的文丘里管的抽吸接口排出，离心泵泵腔和离心泵进水管路内产生真空，低于离心泵进水口水源中的水在大气压的作用下进入水泵进水管路和离心泵泵腔，从而灌满离心泵进水管路和离心泵泵腔，然后启动离合器，把柴油机与离心泵接合，离心泵启动，实现正常供水。
二
文丘里管工作原理
文丘里管[1]是利用流体来传递能量和质量的真空获得装置，其常见的结构见图1，由工作喷嘴、吸气区、混合室、喉管和扩压管等组成，是真空发生装置的主要组件，是一种利用正压流体源产生负压的一种新型、高效、清洁、经济的真空元件。其获取真空工作过程如下：
01
点1截面到点3截面为动力流体在工作喷嘴内的增速阶段。较高压力的动力流体在工作喷嘴入口处（点1截面）以较低的速度进入文丘里管的工作喷嘴。在工作喷嘴的渐缩段流动时（点1截面到点2截面），由流体力学可知，对于不可压缩的流体的连续性方程[2]，点1截面的动力流体流量Q1与点2截面动力流体的流量Q2的关系为Q1=Q2，即
A1v1= A2v2
式中A1、A2 — 点1截面与点2截面面积(m2）；
v1、v2 — 流经点1截面与点2截面的流体流速，m/s。
由上式可知，截面增大，流速减小；截面减小，流速增大。
对于水平管路，按不可压缩流体的伯努里方程[2]
P1+（1/2）*ρv12=P2+(1/2)ρv22
式中P1，P2 -— 点1与点2截面处相应的压力(Pa)
v1、v2 — 流经点1与点2截面的流体流速(m/s)
ρ — 流体的密度(kg/m3)
由上式可知，动力流体在点1截面到点2截面过程中，流速不断增大，压力不断降低。当v2>v1时，P1>P2，当v2增加到一定值（可达到音速），P2将小于一个大气压，即点3截面处产生负压。
动力流体进入工作喷嘴扩张段，即点2截面到点3截面，动力流体速度继续上升，压力继续下降。当动力流体达到工作喷嘴出口截面（点3截面）时，动力流体速度达到最大，可达超音速，此时，点3截面处的压力达到最小，也就是真空度达到最大，可达90Kpa。
02
点3截面到点5截面为动力流体与被抽吸流体的混合阶段。
动力流体在工作喷嘴出口截面处（点3截面）所形成的高速流体会在工作喷嘴出口附近形成真空区域，这样压力相对较高的附近被抽吸流体就会在压力差的作用下，被吸入到混合室内。被抽吸流体在点9截面被吸入混合室，从点9截面流动到点5截面过程中，被抽吸流体速度不断增加，压力在从点9截面到点3截面段过程中不断下降到动力流体在工作喷嘴出口截面处（点3）的压力。
在混合室段和喉管前段（点3截面到点6截面），动力流体与被抽吸流体开始混合，并进行动量和能量交换，把动力流体由压力势能转变来的动能传给被抽吸流体，从而使动力流体的速度逐渐降低，被抽气吸体速度逐渐增高，两者速度逐渐降低接近。最后，在点4截面处两者速度达到一致，经文丘里管的喉管和扩压管排出。
三
利用柴油机排出的废气流动获得真空的自吸泵组的组成及工作原理
柴油机尾气是指柴油发动机燃烧柴油后喷出的尾气，属于废气，但这种废气具有一定的热量和压力，经过经有关研究部门测试，配备涡轮增压器[3]的柴油机排出的废气的压力可到0.2MPa。从能源的有效利用、环境保护和降低运行费用的角度出发，把柴油机运行排出的这种废气利用起来成为了一门研究的课题，涡轮增压器[3]就是利用柴油机运行排出的这种废气作为动力运行的部件，用于提高进入柴油机气缸空气的压力，使柴油燃烧更充分，达到提高柴油机动力性、提高比功率、改善燃料经济性、降低噪声的目的。下面介绍的就是一种利用柴油机运行排出的废气作为动力流体，通过文丘里管抽吸出离心泵泵腔和离心泵进水管中的气体，离心泵泵腔和离心泵进水管路内产生真空，低于离心泵进水口水源的水在大气压的作用下进入离心泵进水管路和离心泵泵腔，从而灌满离心泵进水管路和水泵泵腔，启动离心泵，实现正常供水。其结构见图2，运行过程如下：
1.排烟口 2.闸阀 3.消音器 4.排气管 5.排气管 6.闸阀 7.离心泵 8.油箱 9.离合器 10.文丘里管 11.排气管 12.柴油机 13.电池组
图2 柴油机自吸泵组原理结构图
如图2所示，离心泵进水口与浸没在低于水泵出水口水池的管道连接，出水口连接水泵出水阀门、管路。柴油机运行前，离心泵出水口阀门关闭，打开闸阀(6)，并通过离合器把离心泵与柴油机分离。柴油机启动运行正常后，关闭闸阀(2),柴油机排出的废气由消音器通过排气管(4)进入文丘里管，并由排气管(11)排出。在此过程中，根据文丘里管原理，离心泵泵腔里的气体通过闸阀和排气管进入文丘里管，与柴油机排出的废气混合后由排气管排出。这样离心泵泵腔和离心泵进水口管路里形成真空，低于离心泵进水口水源中的水在大气压的作用下通过离心泵进水管进人离心泵泵腔。当离心泵泵腔和进水管路中充满水以后，关闭闸阀(6)，打开闸阀(2)，并通过离合器把离心泵与柴油机接合，打开离心泵出水口阀门，这样柴油机泵组就开始正常供水。经测试，该柴油机泵组可以把低于离心泵进水管2米的水吸人离心泵泵腔。
上述利用柴油机排出的废气流动获得真空的柴油机自吸泵组有以下特点：
1、有效解决柴油机泵组自吸能力；
2、文丘里管体积小、重量轻、结构紧凑，而其造价又低于常用真空泵系统，因此，这种结构的柴油机泵组节省了设备占用空间和安装费，降低了工程造价。
3、这种结构的柴油机泵组使柴油机泵组的使用更加广泛，提高了柴油机泵组的使用范围；
4、文丘里管操作简单、维修方便，不用专职人员管理，由于无机械传动部分，所以噪声低，不需消耗润滑油。
5、文丘里管构造简单，使用寿命长。
这种结构的柴油机泵组之所以能够把低于离心泵进水口中的水吸进来，充分利用柴油机运行排出的废气高速流经核心部件文丘里管，使本来不具备自吸功能的柴油机泵组具备了自吸功能。
四
提高柴油机泵组的吸水高度
前文介绍的柴油机自吸泵组是利用柴油机排出的废气流经文丘里管获得真空而具有自吸功能，但是，这种结构柴油机泵组中的动力流体为柴油机排出的废气，压力比较低，因此，产生的真空度也比较低，限制了离心泵的吸水高度，也限制了泵组的使用范围。如果要提高离心泵的吸水高度，就必须提高文丘里管吸气区的真空度，根据文丘里管的工作原理，提高文丘里管吸气区的真空度就要把文丘里管的工作喷嘴设计成音速喷管型，甚至超音速喷管型，并且还要提高流经文丘里管的动力流体的原始压力。
提高柴油机泵组中流经文丘里管动力流体的原始压力，可以在柴油机的废气排出管道中设置涡轮增压器[3]。涡轮增压器[3]是一种空气压缩装置，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，涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压缩空气，其结构和工作原理图见图3。涡轮增压器分高压、中压和低压三种，其输出压缩气体压力分别为：高压大于0.3MPa，中压为0.1-0.3MPa，低压低小于0.1 MPa，并且涡轮增压器输出的压缩气体的压力相对稳定。如果采用涡轮增压器输入的压缩气体作为文丘里管动力流体，可以获得更高的真空度，即增加了柴油机泵组的吸水高度。
五
结论
利用柴油机排出的废气流动获得真空的柴油机自吸泵组充分利用柴油运行时产生的废气高速流动、文丘里管和涡轮增压技术，把离心泵泵腔和进水管中的气体抽出而产生真空，把低于离心泵水源的水吸入离心泵进水管和泵腔，从而使柴油机泵组具有自吸作用。这种结构的柴油机泵组结构简单、操作方便、造价低，提高柴油机泵组的使用范围。
参考文献✦
[1].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第4部分：文丘里管：GB/T 2624.4-2006/ISO5167-4-2003.北京：中国标准出版社，2007
[2].刘鹤年.流体力学.中国建筑工而已出版社.2001
[3].陆家祥.柴油机涡轮增压技术.机械工业出版社.2018
