內燃叉車排氣裝置設計

張祥　白迎春　田潤澤　葉曉宇　柳健　王全

摘要：內燃叉車排氣裝置包括后處理系統和相應的排氣管路，設計合理的排氣裝置，有利于提升發動機的使用壽命和整機使用性能。設計一種基于顆粒捕集器后處理裝置的防水型高排氣管，以避免雨水流入尾氣后處理系統，引起載體炸裂的風險。

關鍵詞：內燃叉車；排氣裝置；后處理系統；高排氣管

1? ?研究背景

叉車尾氣排放污染物主要包括碳氫化合物、氮氧化合物和碳氧化合物[1]。內燃叉車排氣裝置包括后處理系統和相應的排氣管路，設計合理的排氣裝置，有利于提高發動機的使用壽命和整機使用性能

叉車的排氣方式一般分為中位排氣和高排氣兩種。對于高排氣來講，后處理裝置的排氣口垂直向上，高排氣管可以通過一根直管連接在后處理裝置上。但對于中位排氣來說，連接管必須折彎才能與后處理裝置相連接。這給在有限的空間內布置排氣管增加了難度，且彎曲的管路會對排氣阻力產生不利影響。若高排氣管設計不合理，在大雨天或車輛沖洗時，水會經過高排氣管流到后處理內部。水進入后處理裝置后，會引發機體炸裂風險。為此設計一種基于顆粒捕集器后處理裝置的防水型高排氣管，以避免雨水流入尾氣后處理系統非常必要。

2? ?后處理系統分類

為滿足內燃叉車排放升級要求，排氣系統后處理系統一般采用催化式排氣凈化器，將尾氣中烴類化合物、一氧化碳等有害物質，通過氧化催化的方式轉化成無害物排放至大氣中[2]。常見后處理系統有氧化催化器、三元催化器和顆粒捕捉器。

2.1? ?氧化催化器

氧化催化器（DOC）表面具有特殊的載體結構，當叉車尾氣中有害物質通過蜂窩狀薄壁多孔通道時，利用二次空氣噴射裝置為氧化反應提供氧氣。其內部的鉑、銠和鈀等金屬作為催化劑發生氧化反應轉化成碳水化合物，實現尾氣中污染物排放量的降低。DOC工作原理如圖1所示。

2.2? ?三元催化器

三元催化器（TWC）是串聯在排氣系統的后處理裝置，由金屬外殼、載體、催化劑和金屬網組成的，能夠將叉車發動機尾氣有害的三種物質碳氧、碳氫和氮氧化合物轉化為無害物質二氧化碳、水和氮氣，使尾氣得到凈化。TWC典型結構如圖2所示。

2.3? ?顆粒捕集器

顆粒捕集器（DPF）是降低內燃叉車尾氣中碳化物、氮化物和有害顆粒物等污染物排放最有效的方法。該技術主要是使尾氣通過布置在排氣管中的過濾材料，通過排氣動能或者外部的高壓氣體倒吹，將顆粒物從 DPF上吹落或者搖晃剝離，實現DPF再生。燃燒器加熱再生DPF在過濾器的入口處設置燃燒器，噴入柴油和二次空氣，燃燒后引燃微粒進行再生，利用碰撞、吸附、攔截或重力沉降等方式，將有害顆粒物從氣流中分離出來。DPF典型結構如圖3所示。

考慮到后處理系統維護時需要從車體上拆下，本文設計一種后處理系統結構，如圖4所示。它將前后壓差傳感器布置在DPF腔體上，避免后處理維護時，頻繁拆卸傳感器而導致傳感器損壞。

3? ?防水型高排氣管設計

常見排氣管口的形狀有直筒式、傾斜式和斜切式。內燃叉車發動機尾氣排出后，由于溫度降低形成的水汽集聚在管口處，會造成排氣管冒黑煙。如果遇到下雨天氣，采用直筒式和傾斜式排氣管易導致雨水進入排氣管，進而對發動機產生不良影響[3]。考慮到以上不良影響，本文將排氣管口設計為斜切式。

內燃叉車排氣尾管溫度高達600℃，如果將排氣尾管設計于平衡重之下，高溫尾氣吹掃平衡重，會引發落塵現象，極大影響叉車的美觀，甚至導致發動機排氣管阻塞[4]。內燃叉車一般存放在室外，若高排氣管設計不合理，如果遇到雨天或者車輛沖洗，雨水會經過高排氣管流到后處理內部。水進入DPF載體，則會引起機體炸裂。

尾氣排氣裝置設計需要考慮以下影響因素：一是避免外界雨水順著排氣管壁流入后處理裝置、發動機。二是為有效防止排氣管出現“冒汗”現象，應避免排氣管口豎直向下。三是排氣管與后處理系統和發動機設置安全距離，避免高溫對電子器件產生干擾[5]。

基于以上問題，筆者研發出一種防水型高排氣管，即將尾氣排氣管設計位于平衡重之上，避免雨水進入尾氣后處理裝置。在管壁中設計散熱孔，將排氣管口朝向斜下方，以便排氣過程中熱量的疏散。防水型高排氣管結構如圖5所示。

排氣管1的外側下部，安裝用于與叉車固定的固定支架6，下端安裝用于與叉車排氣系統連接的連接件7。隔熱套管2上端安裝連接環3，其位于所述排氣管1的外側，安裝在固定支架6的上端，防水導流彎管4安裝在連接環3的上端，排氣管1的出氣口位于防水導流彎管4的內部。排氣管1的上端為傾斜的斜面，排氣管1上端的斜面位于靠近防水導流彎管4上方的一側，排氣管1上端的斜面頂端高于防水導流彎管4的水平部內側底端。防水導流彎管4的水平部出氣口，為方向向下的斜面。隔熱套管2的側壁處均勻開設有排水孔5。連接環3下端與所述隔熱套管2上端通過焊接固定，上端與所述防水導流彎管4下端通過焊接固定。

為了解決現有排氣管難布置、易造成排氣阻力大的問題，本文提出了一種新的設計思路，將后處理系統的排氣腔設計成可旋轉結構，以滿足中位排氣、高排氣管路走向。將所設計的防水型高排氣管與后處理系統、排氣管組裝到一起，形成排氣裝置，如圖6所示。

4? ?結束語

本文以某型內燃叉車為研究對象，針對內燃叉車尾氣排氣管設計的缺陷，設計一種防水型高排氣管的排氣裝置。該防水型高排氣管能夠優化排氣裝置，有效解決發動機排氣熱吹平衡重和輪胎的問題。

參考文獻

[1] 趙衛國，陳仕勝，陳靜賢.內燃叉車的新型排氣尾管[J].工程機械與維修，2014（5）：171.

[2] 鐘傳浩.叉車進、排氣系統的優化設計[J].機械工程師，2016（1）：136-137.

[3] 衛會敏.內燃叉車排氣消聲器結構分析及改進[J].企業技術開發，2016，35（18）：20-21.

[4] 游紅武，王志剛，李明輝，等.內燃叉車排氣消聲器內流場及溫度場數值分析[J].浙江工業大學學報，2017，45（2）：142-146.

[5] 張永根.防爆叉車發動機排氣系統結構分析與設計[J].內燃機與配件，2020（13）：17-18.