試制樣車的尾氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林建濤，耿一飛

（上汽通用汽車樣車開發(fā)中心，上海 201206）

前言

車輛裝配完成后,需要進(jìn)行電器刷新檢查，DVT測(cè)試，常規(guī)質(zhì)量檢查等試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中車輛頻繁啟動(dòng)，尾氣排放量很大，尾氣不能有效排出車間，會(huì)嚴(yán)重影響員工健康。與產(chǎn)品車相比，試制階段的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定完成率不足 80%，排放的尾氣質(zhì)量遠(yuǎn)不能滿足國標(biāo)要求，尾氣對(duì)車間的空氣質(zhì)量影響更大。為了滿足車間的環(huán)境質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，必須合理設(shè)計(jì)車間尾氣收集系統(tǒng)，選擇合適的風(fēng)機(jī)，合理安排排風(fēng)管道走向，選擇有效的吸嘴形式。

1 試制樣車尾氣收集裝置的型式設(shè)計(jì)

工廠車輛生產(chǎn)采用的是流水線作業(yè)，車輛隨著流水線一起流動(dòng)。車輛在線car start質(zhì)量檢查需要啟動(dòng)車輛，該工位尾氣抽排設(shè)備需要自動(dòng)隨車前行，并能自動(dòng)循環(huán)。目前流水線采用的主流尾排設(shè)備是自動(dòng)循環(huán)滑軌式尾氣抽排系統(tǒng)、自動(dòng)循環(huán)自跟隨升降小車式尾氣抽排系統(tǒng)。試制中心的車輛電器檢查在固定工位完成，采用的主流尾氣抽排設(shè)備是棘輪卷筒式樣車尾排系統(tǒng)、手動(dòng)滑軌式尾氣抽排系統(tǒng)，本文以棘輪卷筒式樣車尾排系統(tǒng)為例，介紹尾排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 樣車尾氣收集裝置的風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量設(shè)計(jì)

根據(jù)樣車的尾氣排放量和尾氣收集裝置的漏風(fēng)率來選擇風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量。

2.1 樣車尾氣排放量計(jì)算

單輛樣車尾氣排放量按以下計(jì)算公式：

式中：Q 為排氣管口排出的尾氣量m3/h，A為燃油消耗量kg/h，k 為空燃比，ρ為空氣密度，空氣溫度120攝氏度，空氣密度 0.9kg/m3。

2.2 樣車尾氣收集風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量需求

由于尾氣收集裝置在吸收尾氣的同時(shí)，也吸入一部分空氣。對(duì)于卷筒式尾氣收集裝置，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推算，樣車尾氣收集風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量要保留20%以上的余量：

式中：D為風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量m3/h，n 為車輛的數(shù)量

以 3.0L排量的汽油車為例，在2500RPM時(shí)，尾氣溫度120攝氏度，排放量為302m3/h，每個(gè)卷筒的設(shè)計(jì)吸風(fēng)量不小于360m3/h，車間內(nèi)有10臺(tái)車輛需要同時(shí)發(fā)動(dòng)，因此風(fēng)機(jī)的總吸風(fēng)量不小于3600m3/h。

3 樣車尾氣收集裝置的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓設(shè)計(jì)

3.1 尾氣收集裝置系統(tǒng)的壓力損失分析

風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓應(yīng)當(dāng)能滿足系統(tǒng)所有壓力損失的需求。尾氣收集裝置管路由卷筒抽氣軟管、頂部排風(fēng)管道、管路閥門和三通等連接而成的。

流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于同管壁發(fā)生摩擦和流體本身的內(nèi)部摩擦，會(huì)產(chǎn)生壓力損失。這種壓力損失稱為沿程阻力損失或摩擦阻力損失。

流體經(jīng)過彎頭、三通、變徑管、閥門等構(gòu)件時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇改變，即出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、加速、撞擊、旋渦、變形等情況，這同樣會(huì)造成壓力損失。這種壓力損失稱為局部損失。

如果管路不在同一水平面上，則管路爬高時(shí)，流體壓強(qiáng)的一部分要用于克服重力。這種壓力損失稱為位置損失，對(duì)于氣體而言，可以忽略。

管路出口流速大于進(jìn)口時(shí)，流體的一部分壓力能要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這種壓力損失稱為出口速度損失。

當(dāng)位置損失和出口速度損失的比例小于總損失的5%時(shí)，可忽略。

按照管網(wǎng)特性，尾排系統(tǒng)的壓力損失的總損失為：

式中：R為尾排系統(tǒng)的總壓損Pa，Rm為單位長度上的摩擦阻力Pa/m，L為直線管道的長度m，Rz 為局部阻力損失Pa，ρj為排氣口處的空氣密度kg/m3，v為尾氣在管道中的流速m/s。

式中：λ為摩擦阻力系數(shù) Ns2?m4，D 為圓管直徑 m，ρ為氣體的密度kg/m3，v為尾氣在管道中的流速m/s。

式中：ε為管件局部阻力系數(shù)

系統(tǒng)中各部件靜阻力的大小與其阻力系數(shù)成正比，與其所通過的氣流平均速度的平方成正比。

3.2 尾氣收集裝置系統(tǒng)的壓力損失

為了便于計(jì)算，從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，將系統(tǒng)的總壓力損失分為卷筒設(shè)備的壓力損失和頂部風(fēng)道管路的壓力損失，兩者分別進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 卷筒式抽排設(shè)備的壓力損失計(jì)算

以卷筒軟管的直徑100mm，軟管長度7.5m為例，軟管采用聚酯編織布基質(zhì)，查表可得其摩擦阻力系數(shù)為λ=0.068。

圖1是軟管長度為7.5m時(shí)，壓力損失與軟管直徑和管徑流量的關(guān)系圖。

圖1 壓力損失與軟管直徑和管徑流量的關(guān)系圖

3.2.2 頂部風(fēng)管管路的布局原則

（1）為避免風(fēng)管斷面的突然變化，引起局部阻力壓力損失過大，用漸擴(kuò)（漸縮）管代替突然擴(kuò)大（或突然縮小），漸擴(kuò)（漸縮）管的中心角宜≤15度，三通支管與干管的夾角不宜超過30度，如圖2所示。

圖2 三通管和變徑管的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（2）減少風(fēng)管的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時(shí)，用弧管代替直彎管。弧彎管的曲率半徑不宜過小，一般曲率半徑R等于圓形彎頭直徑的2.5倍，如圖3所示。

圖3 彎管的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.2.3 頂部風(fēng)管管路壓損計(jì)算

頂部管路分為主管路和支管路。主管路采用直徑 600mm的圓形支管，管路長度120米，存在5個(gè)彎頭；支管路采用直徑200mm的圓形支管，管路長度5米，存在2個(gè)彎頭，1個(gè)三通。

主管路：采用碳鋼管道，查表可得其摩擦阻力系數(shù)為λ=0.022；以90度彎頭為例，每個(gè)局部阻力損失系數(shù)為ε=0.75，5個(gè)彎頭的阻力系數(shù)為3.75。

支管路：采用碳鋼管道，查表可得其摩擦阻力系數(shù)為λ=0.022；以90度彎頭為例，每個(gè)局部阻力損失系數(shù)為ε=0.75，2個(gè)彎頭的阻力系數(shù)為1.5，1個(gè)三通的阻力系數(shù)ε=1。

4 樣車尾氣收集裝置的吸嘴設(shè)計(jì)

與工廠相比，試制車間最大的特點(diǎn)是車型種類繁多，排氣管管口形式多種多樣。新開發(fā)的立式可調(diào)節(jié)吸嘴能適應(yīng)多種車型，有效提升吸風(fēng)效果。

圖4 立式吸嘴和快速接口設(shè)計(jì)

立式可調(diào)節(jié)吸嘴具備以下特點(diǎn)：

（1）吸嘴為喇叭口形狀，可以包絡(luò)排氣管口；前段連接排氣管口，后端與尾排軟管連接。

（2）吸嘴的主要材料是橡膠，避免排氣管嘴對(duì)車輛后保的損傷。

（3）吸嘴固定在立式調(diào)節(jié)架上，可以調(diào)整高度和角度。

為了方便卷筒軟管的收放和保持卷筒軟管收起時(shí)的美觀，立式吸嘴和軟管之間采用快速接頭連接，使用時(shí)可以快速連接，用完后可以快速拆卸如圖4所示。

5 結(jié)論

車間尾氣抽排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以車間內(nèi)車輛運(yùn)行工況為基礎(chǔ)（同時(shí)運(yùn)行車輛的數(shù)量、車輛運(yùn)行的時(shí)間等），結(jié)合車間的布局特點(diǎn)（屋頂結(jié)構(gòu)等），合理選擇風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量和風(fēng)壓，合理安排排風(fēng)管道走向，以最小的投入，獲得最大的吸風(fēng)效果。

本文以試制車間的尾氣為例，總結(jié)了車間尾氣抽排裝置設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其它車間的建設(shè)有著重要的參考意義。