防爆叉車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

張永根

摘要：防爆叉車作為爆炸性危險(xiǎn)場所裝卸、搬運(yùn)和堆碼的重要作業(yè)設(shè)備，和蓄電池防爆叉車相比，有著較強(qiáng)的動(dòng)力性能。但是在防爆排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要求很高，本文立足于防暴叉車的相關(guān)排放狀況，就其排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：防暴叉車;發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng);結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1 ?防爆叉車概述

化學(xué)爆炸根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)不同分為固體、液體和氣體爆炸。爆炸性環(huán)境是指在大氣條件下，氣體、蒸氣、薄霧、粉塵或纖維狀的可燃物質(zhì)與空氣形成的混合物，點(diǎn)燃后燃燒傳至全部未燃混合物的環(huán)境。

防爆叉車是叉車的一種特殊型式（外表如圖1所示），它能在普通叉車禁止使用的爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境里作業(yè)，如石油、化工、制藥、輕紡、軍工、油漆、顏料、煤炭等工業(yè)部門以及港口、鐵路、貨場、倉庫等含有爆炸性混合物的場所。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、物流需求的增加、裝運(yùn)效率和安全意識(shí)的提高，防爆叉車的應(yīng)用已越來越廣。目前大部分的防爆技術(shù)都是從國外引進(jìn)過來的，國內(nèi)的防爆技術(shù)除大品牌叉車廠家外如杭叉是整車防爆開發(fā)及自主生產(chǎn)相對(duì)成熟外，其他并不成熟。

2 ?防爆叉車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

排氣系統(tǒng)的功能是為了降低廢氣排出過程中產(chǎn)生的噪音，有效熄滅廢氣中出現(xiàn)的火焰，必要時(shí)，還會(huì)在排氣系統(tǒng)中加裝適當(dāng)?shù)拇呋瘎瑏碛行p少有害氣體的排出量。我們?yōu)榱私档团艢庀到y(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損耗，要改善和優(yōu)化排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮以下幾方面：

2.1 排氣背壓

防爆叉車的排氣背壓不可以高于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)表中體現(xiàn)的限制，其允許值也是結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)排放和功率發(fā)揮要求情況來提出的。如果阻力過大，就會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能減退。

2.2 排氣系統(tǒng)部件安裝

在進(jìn)行排氣系統(tǒng)部件安裝過程中，要注意多方面的因素。一是和其部件的自身重量、慣量和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的尺寸產(chǎn)生的因素，不應(yīng)該對(duì)排氣歧管或渦輪增壓器帶來過大的應(yīng)力;二是選用柔性管可以使得排氣系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和吸收;三是與起動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)之間要保持一定的距離，電子元件周圍溫度要低于80℃，若有需求，還可以安裝一些隔熱板;四是排氣管和燃油濾清器不能距離太近，否則會(huì)因?yàn)槿加蜏囟忍嵘瑢?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，甚至失火;五是排氣系統(tǒng)一定要將路面的雨水或者其他來源水進(jìn)行有效阻止，防止發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、渦輪增壓器進(jìn)水;六是一定要對(duì)排氣進(jìn)行及時(shí)的疏散，保證其不能對(duì)空濾器的功能、系統(tǒng)效率以及周圍環(huán)境帶來不好的影響。

2.3 排氣消聲器

噪聲控制也是排氣消聲器的重要考慮因素，結(jié)合操作者的工作環(huán)境和舒適性來考慮，我們要加強(qiáng)排氣系統(tǒng)消聲的優(yōu)化。盡管消聲器可以讓排氣背壓變大，可是可以通過消聲器來將其影響控制在最低水平。噪聲主要產(chǎn)生的原因，在排氣開始時(shí)，廢氣以脈沖形式從排氣門縫隙排出，并迅速從排氣口沖入大氣，形成能量很高、頻率很復(fù)雜的噪聲，包括基頻及其高次諧波的成分。

2.3.1 排氣消聲器的降噪原理

壓力波作為一種能量存在氣體中。因此，壓力波的吸收或者消耗，是消除和降低壓力波的重要部分，這也是能量降低原理，排氣消聲器就是這個(gè)原理開展工作的。通常情況下，消聲器利用吸收噪聲能量，或者利用對(duì)來的波反射，而降低其能量。阻性消聲器利用聲波進(jìn)入一種能將波進(jìn)行反射的軟材料進(jìn)行噪音降低。而玻璃纖維作為一種吸聲材料，和其他吸聲材料類似，相對(duì)來說，沒有固定的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，受氣流影響，容易被氣流吹走。所以阻性消聲器在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程和采礦方面應(yīng)用的不多。

抗性消聲器利用壓力波反彈來將原波進(jìn)行噪音降低，一旦壓力波沿著一定的振幅、頻率在特定的方向內(nèi)進(jìn)行傳播，那么可以同時(shí)引入一個(gè)反方向的精確復(fù)制波。兩波在相遇過程中將彼此能量抵消，振幅降低，也起到消聲的目的[1]。

2.3.2 消聲器選擇

我們?cè)谶M(jìn)行消聲器的選擇當(dāng)中，首要考慮的因素是其設(shè)計(jì)。消音器制造商一般都會(huì)對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和具體應(yīng)用進(jìn)行說明。可用空間、降噪要求、外觀、費(fèi)用以及可靠性等，都是影響選擇排氣消聲器選擇的主要因素。通常情況下，我們將消聲器進(jìn)行尺寸的增大，是為了定容量，改善消聲效果，提高降噪能力。一般來說，增大了排氣阻力，也就增大了排氣背壓。大多數(shù)情況下，圓形的消聲器效果要好（見圖2），可以保持聲音，而不讓聲音通過扁平表面被散掉。同時(shí)，雙層卷管和雙層壁消聲器的表面也能更好地保持聲音。在特殊的場合，對(duì)叉車的要求也不一樣。比如在棉花倉庫，就需要使用滅火消聲器，這也是為了減少尾氣排放而使用催化型的消聲器。此外，常見的還有防黑煙消聲器、帶顆粒捕捉器的催化型消聲器等，我們可以根據(jù)市場需求以及具體場合來進(jìn)行選擇。此外，消聲器的材料大多是鍍鋁中碳鋼或不銹鋼，這是為了防腐蝕和美觀。

2.3.3 排氣消聲器的安裝

在進(jìn)行消聲器安裝的過程中，一定要考慮因?yàn)闆_擊而導(dǎo)致的負(fù)載，出現(xiàn)損壞和變形的問題。當(dāng)卡箍和支撐的布置遇到熱膨脹的情況下，順著適當(dāng)?shù)姆较颍粫?huì)給排氣系統(tǒng)帶來壓力，而需要注意的是，運(yùn)用柔性管可以側(cè)向偏移，我們需要保證其軸向和線性是剛性的[2]。

2.3.4 排氣消聲器凈化效果

由于叉車的排量不同，因此需要選擇不一樣的TWC和DOC，在排氣消聲器中進(jìn)行內(nèi)置，這就是凈化消聲器，從而起到消聲和凈化的功能。在實(shí)踐中進(jìn)行了測試，當(dāng)排氣阻力低于1020mmH0時(shí)，凈化消聲器插入損失可以達(dá)到20dB以上，這是與當(dāng)前叉車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求是一致的，我們利用某公司的凈化消聲器和無凈化消聲器展開了試驗(yàn)和對(duì)比，并將尾氣排放進(jìn)行了測試，具體數(shù)據(jù)見表1、表2和表3。同時(shí)，通過試驗(yàn)的不斷優(yōu)化，可以判斷出性能姣好的凈化消聲器。

通過進(jìn)行試驗(yàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)在不同的工作情況下，凈化消聲器的凈化效果并不相同。例如當(dāng)處于怠速的情況下，我們可以得知HC轉(zhuǎn)化率達(dá)到27%～37%，CO轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到72%～83%，NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%～97%，利用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們可以得知，凈化消聲器是叉車必要的配套產(chǎn)品。

2.4 排氣流量的計(jì)算

確定發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量，是為了更好地設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)，保證排氣流量能夠在進(jìn)入的空氣流量，展開計(jì)算。由此，我們可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量。

具體如下：

公式中：

Q排：進(jìn)口處排氣流量，L/min;

Q：進(jìn)氣空氣流量，L/min;

Tb：進(jìn)口處排氣溫度，℃;

ψ：取0.98;

Ts：進(jìn)氣溫度，℃。

基于上述試驗(yàn)和研究，我們都要高度重視防爆叉車排氣系統(tǒng)的要求，這樣可以有效減少廢氣排量和噪音，從而進(jìn)一步改善防爆叉車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，優(yōu)化排氣系統(tǒng)。

3 ?結(jié)語

近年來，盡管我國叉車需求不斷增加，排放要求也在不斷提高，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)排放技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，但與國際先進(jìn)水平還有一定的距離。在未來的發(fā)展中，我們立足于叉車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放來看，我們將通過更為合理的設(shè)計(jì)，來加強(qiáng)國產(chǎn)防爆叉車的排氣系統(tǒng)功能和可靠性，實(shí)現(xiàn)與世界水平接軌。

參考文獻(xiàn)：

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