發動機排氣降溫裝置設計研究

王繼佳，姚廣濤，張衛鋒，陳 橋

（1．軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161；2．軍事交通學院軍用車輛系，天津300161）

發動機排氣降溫裝置設計研究

王繼佳1，姚廣濤2，張衛鋒2，陳 橋1

（1．軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161；2．軍事交通學院軍用車輛系，天津300161）

車輛進行DPF再生時，排氣溫度高達600℃以上，容易引起火災，對周圍環境造成安全隱患，因此，需要對發動機排氣進行降溫；軍用發動機排氣溫度過高，與周圍環境溫差過大，容易呈現出明顯紅外特征，被敵紅外偵測裝置發現進而遭受打擊，因此，軍事用途的發動機出于隱蔽性考慮，需要降低排氣溫度。綜上，對發動機尾氣進行降溫，符合軍民兩方面需求。

排氣降溫裝置；文丘里；混合降溫

汽車尾氣排放是大氣重要污染源之一，隨著人們對環境質量的重視，柴油機顆粒捕集器將更加普遍應用。為保證氣體通過性，顆粒捕集器要周期性地進行再生，再生期間排氣溫度能達到600℃以上，給周圍環境帶來安全隱患，尤其是易燃易爆場所。因此，民用發動機出于安全性考慮，需要對排氣進行降溫；機動軍事目標動力系統排氣溫度高，與周圍環境溫差過大，易呈現明顯紅外特征[1]。現代紅外偵測設備能據此對軍事目標精確定位，進而實施精度打擊。因此，軍事用途發動機出于提高紅外隱蔽性考慮，需要降低發動機排氣溫度。

1 研究現狀

目前，相關領域研究者針對發動機尾氣降溫進行了大量研究工作，基本形成了三類方法：利用尾氣熱能量發電，噴霧降溫技術，吸收式制冷裝置。

上海交通大學制冷與低溫工程研究所的陳江平教授、北京工業大學環境與能源工程學院的張紅光教授、萊鋼集團的張曉工程師對有機朗肯循環進行了研究，利用朗肯循環發電的同時降低排氣溫度，采用R245fa作為循環工質[2]，通過單螺桿膨脹機輸出機械功[3]。此方法既能降低排氣溫度，又實現排氣熱量的回收利用，但該技術結構比較復雜，不便于安裝，且成本高，不利于普遍推廣。朗肯循環原理如圖1所示。

圖1 有機朗肯循環余熱回收系統

海軍工程大學船舶與動力學院的袁江濤副教授對發動機排氣噴霧降溫試驗系統機進行了研究（如圖2），細水霧蒸發冷卻器根據發動機排氣參數和結構參數自行設計，可實現單、雙層噴霧模式的切換[4]。冷卻器以自來水為霧化工質。此方法能大幅降低排氣溫度，但用于冷卻的水無法及時補充，難以實現持久冷卻。

圖2 噴霧降溫試驗系統

邵陽學院機械與能源系袁文華教授、周東一副教授根據現有汽車空調的制冷系統和發動機冷卻水系統的結構特點，結合溴化鋰吸收式制冷系統的工作原理，提出將汽車排氣管和發動機冷卻水箱進行結構改造作為溴化鋰吸收式制冷系統的發生器（如圖3），代替傳統的汽車空調的制冷和采暖系統及發動機冷卻系統[5]。但此方法的而缺點在于：熱交換器體積過大，不便在排氣管路加裝，同時還需要增加室內通風系統，將熱量最終傳入到大氣之中。

圖3 溴化鋰吸收式制冷原理簡圖

2 降溫裝置設計

2.1 基本原理

由于發動機排氣流速較高，因此可以采用文丘里效應，將常溫下的空氣吸入到發動機排氣管中，通過熱交換降低排氣溫度[6]。其工作原理如圖4所示。

圖4 裝置降溫原理：文丘里效應

如果在排氣管上簡單設計喉管和進氣孔，那么需要的進氣量越大，喉管越細，產生的發動機排氣背壓就越高，對發動機的性能產生影響。此外冷卻空氣如果不能和排氣充分混合，也不能很好地降低排氣溫度。

因此在設計中，既要盡量增加進氣量，又要避免排氣背壓升高，同時兼顧排氣的混合效果。

2.2 裝置設計

設計了一種新型的排氣降溫裝置，裝置包括依次連接的擴張室、分流室、引射管、后擴室，見圖5.擴張室前端管直徑與發動機排氣管直徑相同，通過法蘭與發動機排氣管上游連接，擴張室后端管呈錐形擴張管，與分流室連接。擴張室的作用是降低空氣流速。

圖5 裝置設計圖

分流室前端設有分流片，分流片緊密連接有引射管，引射管為錐形縮管，凸面內側均連接有引射管，此外分流片中心部位有一支引射管；分流片與分流室凹面配合引導排氣流入引射管；分流室后端呈波浪狀，由相同數量的凸面和凹面依次相間構成，凸面用于包圍引射管，凹面用于引導進氣。分流室的作用是增加排氣流速，產生低壓場，同時引導環境空氣進入。后擴室由圓形套筒構成，其前端固定連接于分流室后部，其后端與排氣管下游固定連接，分流室的凹面外側與后擴室相通。混合氣在后擴室混合。

2.3 裝置的工作過程

裝置的工作過程：當發動機的排氣通過排氣管流入擴張室，由于流通面積增大，流速降低。在分流片的引導下，排氣進入流通面積逐漸縮小的引射管，此時流速快速增加，在出口處直接流入后擴室，流通面積急劇增加，流速大大降低。根據伯努利方程，引射管出口處與入口處形成壓差，出口處壓力低于入口處。在低壓的作用下，環境中的空氣通過分流室的凹面外側引導進入排氣管內，并與發動機排氣在后擴室處混合，排氣溫度降低，隨后共同隨排氣管排出發動機。

3 試驗效果

為驗證該裝置的實際應用效果，進行了發動機臺架試驗研究。

3.1 試驗臺架

在中國重汽WD615.96發動機上進行了裝置性能臺架試驗研究，試驗發動機基本參數如表1所示。試驗工況如表2所示。

表1 試驗發動機的主要技術參數

表2 試驗工況列表

圖6為試驗裝置的發動機臺架連接圖。圖7為試驗裝置及臺架實物圖。

圖6 發動機臺架示意圖

圖7 試驗裝置臺架實物圖

3.2 試驗結果

圖8為試驗中取得的試驗數據。在圖中所述的5個工況點內，排氣降溫裝置出口位置較入口位置的溫度出現明顯下降，且隨著出口位置后移，溫度又略有降低，這與排氣和空氣進一步混合有關。在圖中所述工況下，排氣溫度可降低100～220℃.

在試驗中，由于去除排氣管熱傳導對試驗結果的影響，在試驗管路上增加了保溫層，同時裝置置于無風環境中進行。因此，實際應用中的降溫效果將優于該試驗結果中取得的降溫效果。

4 結束語

該裝置通過創新設計，采用簡單的結構，實現了發動機排氣溫度的降低，具備了以下特點：

（1）裝置降溫效率高，能夠將大量空氣吸入排氣，從而大大降低排氣溫度，試驗中能夠將發動機排氣溫度降低100~220℃；

（2）裝置結構簡單，該裝置通過空間結構的構建，即可實現降溫功能，無傳感和執行機構；

（3）裝置無負效應，通過分流室的導流措施降低排氣阻力，避免了對發動機性能影響；

（4）適用范圍廣，不需要水或其它冷卻介質，拓展了裝置的適用范圍。

隨著顆粒捕集器的普遍應用和軍事斗爭的深入，發動機排氣降溫研究必將受到越來越廣泛的關注。該裝置能夠顯著降低發動機排氣溫度，降低顆粒捕集器再生時產生的安全隱患，提高軍用發動機紅外隱蔽性，在民用車輛、軍用裝甲、艦船、發電機組等領域具有廣闊的應用前景。

[1]張紅光，劉彬，梁虹，等.柴油機排氣余熱的有機朗肯循環發電系統[J].北京工業大學學報，2012（9）：1431-1435.

[2]郭麗華，覃峰，陳江平，等.基于有機朗肯循環的發動機余熱回收技術[J].車用發動機，2012（02）：30-34.

[3]周東一，石楚平，肖飚，等.汽車發動機余熱溴化鋰吸收式制冷系統研究[J].制冷空調與電力機械，2008（04）：25-28.

[4]劉彬，梁虹，陳研，等.發動機余熱回收技術的研究現狀及發展趨勢[J].小型內燃機與摩托車，2011（02）：93-96.

[5]袁江濤，楊立，金仁喜，等.動力排氣系統細水霧蒸發冷卻試驗研究[J].工程熱物理學報，2010（03）：461-464.

[6]Entriken SM，Peterson JA.Agricultural vehicle cooling as sembly fan shroud with seals for pass-through cooling and ex haust tubes[J].2012.

The Design Research of the Device for ExhaustGas Cooling of Engine

WANG Ji-jia1，YAO Guang-tao2，ZHANGWei-feng2，CHEN Qiao1
（1.Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2.Military Vehicle Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

The temperature of exhaust gas can exceed 600℃when the DPF was renewed on vehicle.It’s dangerous to surrounding and easy to cause fire disaster.So it’s necessary to lower the temperature of exhaust gas of engine. The temperature of exhaust gas from military engine is higher than normal temperature，it’s easy to demonstrate IR and was bombed.So in order to improve the shelter，it’s necessary to lower the temperature of exhaust gas ofmilitary engine.In a word，it can satisfy the requirements of civil and military.

device for exhaust gas cooling；venturi；lower the temperature bymixture

TK412

A

1672-545X（2017）04-0206-03

2017-01-13

王繼佳（1991-），男，安徽人，在讀碩士生，主要研究方向為發動機動力與傳動工程。