廣州地鐵JY280軌道車排氣系統(tǒng)改造的背壓設(shè)計(jì)

任健偉

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000）

廣州地鐵JY280軌道車為湖北襄樊金鷹生產(chǎn)的重型軌道車，該車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)在臨近司機(jī)室機(jī)器間正下方。在隧道作業(yè)時(shí)，機(jī)車排放的廢氣被隧道墻壁彈射后，除部分被排至大氣外，仍有一部分涌入司機(jī)室內(nèi)，對(duì)駕駛員操作造成影響，降低了駕駛安全性和舒適性。

柴油機(jī)排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及聲音品質(zhì)有著重要影響，是開發(fā)設(shè)計(jì)過程中參考的重要指標(biāo)之一。因此，合理的排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要。本文將對(duì)JY280軌道車排氣系統(tǒng)改造中背壓設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算說明，以驗(yàn)證改造可行性。

1 排氣背壓

排氣背壓指發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的阻力壓力。當(dāng)排氣背壓升高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不暢，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。一般情況下，排氣背壓變大，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率上升，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能惡化，與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性變差，尾氣排放質(zhì)量也會(huì)由于缸內(nèi)燃燒的不充分加劇惡化。

2 排氣系統(tǒng)改造方案選取

改造排煙管的位置需要在排氣管路中增加管路，從而改變排氣系統(tǒng)的背壓。其改造后排氣背壓應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)排氣背壓最大允許范圍內(nèi)。排氣管路一般包括增壓器出口與消聲器之間的管路以及消聲器之后的管路，其主要功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣安全并順暢地排至車外，如改變消音器位置，有兩種方案。

方案1：直接調(diào)整消音器方向，將其由垂直機(jī)車方向調(diào)整為和機(jī)車方向水平。該方案不需增加排氣管路，故對(duì)排氣背壓無影響，但是如此調(diào)整，一方面消音器較大，車底空間有限，無法放置；另一方面，對(duì)日常檢修影響較大，干涉附近部件的檢修，啟機(jī)后廢氣還會(huì)彌漫整個(gè)車底，檢修人員無法在啟機(jī)時(shí)檢查車底狀態(tài)，長期下去廢氣會(huì)將車底部件熏黑，不利于車底狀態(tài)檢查，故此方案不可行。

方案2：在消音器后增壓彎管，該方案需改變排氣管路，增加彎管后，排氣系統(tǒng)背壓應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)允許最大背壓范圍內(nèi)，另外，增加彎管后，需滿足車輛限界尺寸。如以上兩點(diǎn)均滿足，則此方案可行。

3 改造背壓設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可先作這樣的設(shè)定：機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)配置的波紋避震節(jié)、工業(yè)型消聲器等同于同管徑的直管，彎頭折算成直管當(dāng)量長度，把以上三項(xiàng)和連接直管的長度相加后用排氣管背壓的計(jì)算公式計(jì)算背壓，可使整個(gè)計(jì)算簡化，并不失計(jì)算精度。

排氣系統(tǒng)的總阻力值滿足以下關(guān)系：

式中，P排為排氣系統(tǒng)背壓；Pg為排氣管背壓；Px為消音器的背壓；P標(biāo)為系統(tǒng)允許的最大背壓值。

排氣管背壓的計(jì)算公式為：

式中，Lg為排氣直管當(dāng)量總長度，m；Q為廢氣流量，m3/s；Dg為排氣管直徑，m；T為排氣溫度，℃。

排氣管、消音器、波紋管、消音器的截面積不同，故根據(jù)截面積的不同將其分為三段進(jìn)行計(jì)算，即P1、P2和P3。通過測(cè)量排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，筆者得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸

由表1可得，L1=0.26m，D1=0.11m；L2=0.18+0.39+0.35=0.92m，D2=0.13m；L3=0.9m，D3=0.5m。

通過查詢3126B柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)，筆者得到以下參數(shù)，如表2所示。

表2 3126B柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

選取發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2400r/min下的排氣總溫度和排氣流量，由表2可知：T=476.3℃；Q=53.4m3/min=0.89m3/s。

將以上數(shù)據(jù)代入式（2）可得：

P1=107.76Pa≈ 0.11kPa；P2=165.92Pa≈ 0.17kPa；P消=P3=0.19Pa=0.00019kPa；P排=P1+P2+P3=0.28kPa。

經(jīng)查詢，該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓最大允許值為6.7kPa，機(jī)車線排氣系統(tǒng)背壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的最大允許值。

4 改造排氣系統(tǒng)背壓設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路以下設(shè)計(jì)原則，考慮選取120°、直徑0.13m的彎頭連接在消音器出口。

排氣管的布置和轉(zhuǎn)彎，應(yīng)使排氣盡可能順暢：管的中心轉(zhuǎn)彎半徑一般應(yīng)不小于（1.5～2）D，其折彎成型角應(yīng)大于90°，以大于120°為宜。整個(gè)系統(tǒng)的管道轉(zhuǎn)彎數(shù)應(yīng)盡可能少，一般情況下不多于6個(gè)。排氣尾管段的方向應(yīng)與水平面縱向下彎5°～10°，出口方向應(yīng)盡可能指向地面的車身投影的縱向中線。

排氣管道的材料：排氣管道和消聲器一般應(yīng)采用SUH403、SUH409等耐熱不銹鋼板、管，以保證排氣系統(tǒng)的外觀并具有較長的使用壽命。排氣管壁厚一般應(yīng)大于1.2mm，雙層管≥2×0.5mm。

排氣管道與周圍相鄰件間的間隙（考慮到制作誤差10mm）：兩件間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的（如固定在一起的），其設(shè)計(jì)間隙不得小于15mm。

對(duì)于需要隔離熱源或怕熱的相鄰件：其設(shè)計(jì)間隙一般不得小于50mm。

排氣管道間的連接結(jié)構(gòu)方式和密封：應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單，布置、制造、安裝、維修方便，重量輕、成本低，有足夠的結(jié)構(gòu)剛度，密封性好為原則。連接結(jié)構(gòu)的方式可以采用平面雙孔（或三孔）法蘭、平面密封墊片或凹坑加平面密封圈的方式，也可以采用球面或錐面密封，用單側(cè)活動(dòng)法蘭等結(jié)構(gòu)。

排氣系統(tǒng)支撐懸掛裝置的布置設(shè)計(jì)：當(dāng)消聲器的尾管伸出消聲器體的長度超過300mm時(shí)，應(yīng)在尾口附近適當(dāng)位置設(shè)置尾管支撐懸掛副。

假設(shè)選取彎頭當(dāng)量長度L彎為0.5m，D彎為0.13m（同消音器前管路管徑一致）。

增加彎頭后，系統(tǒng)總背壓為：

經(jīng)過計(jì)算，增壓彎頭后排氣系統(tǒng)背壓仍在規(guī)定范圍內(nèi)。

背壓改變后發(fā)動(dòng)機(jī)影響：圖1給出了外特性工況時(shí)不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)性能隨排氣背壓的變化規(guī)律.根據(jù)資料及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著排氣背壓的增大，柴油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均出現(xiàn)不停程度的變化。

圖1 1900r/min時(shí)排氣背壓對(duì)性能的影響

通過以上計(jì)算可知，柴油機(jī)背壓在改造前為0.28kPa，改造后為0.37kPa，增長了32.14%，由表2可知，在轉(zhuǎn)速達(dá)到1900r/min時(shí)，扭矩下降量降低不足2%，燃油消耗率、排氣溫度升高率略有上升，但根據(jù)3126b柴油機(jī)資料，各個(gè)參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，且改造后背壓值仍在柴油機(jī)背壓標(biāo)準(zhǔn)6.7kPa以內(nèi)，因此改造可行，可現(xiàn)場(chǎng)施工。

5 結(jié)語

隨著人們對(duì)機(jī)車駕駛環(huán)境要求的提升，柴油機(jī)性能效率要求提升，排氣系統(tǒng)背壓計(jì)算設(shè)計(jì)仍將是現(xiàn)階段優(yōu)化改造的重要因素之一。它對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、降低廢氣排放及提高動(dòng)力性能都有很大的潛力，同時(shí)也使機(jī)車在考慮改造成本的同時(shí)，最大程度上增強(qiáng)駕駛的舒適性和安全性。廣州地鐵大部分工程車仍采用內(nèi)燃機(jī)作為機(jī)車動(dòng)力，因此背壓計(jì)算具有較為廣泛的推廣性和實(shí)用性。