柴油機排氣歧管熱疲勞試驗加熱裝置的設計開發

鐘長波， 何春華， 陳雪沖， 蒙小蓮， 秦玉婷

（1. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2. 上柴動力海安有限公司，江蘇 南通 226600；3. 西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224）

0 前言

柴油機排氣歧管的主要作用是在柴油機工作時，將氣缸中產生的廢氣排出。早期的汽車發動機，單位質量的功率低，燃料的燃燒效率不高，所排出的廢氣溫度不超過500 ℃。隨著汽車發動機效率的提高，排氣溫度提高到600～650 ℃。近年來，發達國家不斷提高汽車尾氣排放標準。催化技術和渦輪增壓技術逐步推廣應用，排氣歧管的工作溫度也顯著提高，達到了750 ℃以上［1-3］。隨著發動機技術的進步，柴油機發動機性能的提升，排氣歧管的工作溫度越來越高，排氣歧管的結構也越來越復雜。同時，由于柴油機排氣歧管需要在循環交變的溫度狀態下工作，排氣歧管材料不僅要具有良好的鑄造性能，還要耐高溫。一般來說，排氣歧管的改進效果需要經過臺架試驗的驗證和市場用戶的反饋，而現有臺架試驗效率低、成本高、周期長，無法快速地反映出排氣歧管的優化效果，嚴重影響了排氣歧管的開發改進效率［4］。因此，設計開發驗證效率高、成本低、周期短的排氣歧管試驗裝置具有重要意義。在試驗裝置的設計中應重點關注試驗加熱裝置溫度場分布與實際工況的相符性。本研究設計開發的試驗加熱裝置，可以通過控制磁力線密度，模擬柴油機排氣歧管工作中的升溫過程及溫度場分布情況。

1 試驗裝置結構

柴油機排氣歧管熱疲勞試驗設備的加熱裝置包括：外殼、冷卻水管路、第一加熱線圈、第二加熱線圈、變頻電源及水冷機組，其設備組成結構如圖1所示。柴油機排氣歧管熱疲勞試驗設備的加熱裝置結構組成如下：

圖1 加熱裝置立體結構圖

（1）外殼與試驗設備的升降機構固定連接。

（2）冷卻水管路的一端進水，一端出水。

（3）多個第一加熱線圈固定于外殼內，且分別與冷卻水管路連通。

（4）多個第二加熱線圈固定于外殼內，且分別與冷卻水管路連通。

（5）變頻電源分別與第一加熱線圈和第二加熱線圈連接，用來控制加熱線圈對排氣歧管進行加熱。

（6）水冷機組的出水口與冷卻水管路的進水口連通，水冷機組的進水口與冷卻水管路的出水口連通，形成冷卻水循環系統。水冷機組中的冷卻水用以冷卻第一加熱線圈和第二加熱線圈。

2 試驗方案

試驗設備的加熱裝置需做成一個整體，便于安裝在柴油機排氣歧管熱疲勞試驗的設備中。加熱線圈通過結構件被固定安裝在加熱裝置內部。加熱裝置外部與試驗設備的升降機連接，工作時加熱線圈可上下移動。

柴油機的排氣歧管結構復雜，工作的溫度場也存在差異，因此柴油機排氣歧管加熱線圈的設計需要綜合考慮其實際工作溫度場的分布及加熱線圈的結構。第一加熱線圈和第二加熱線圈結構不同，但互相連通。同時，第一加熱線圈和第二加熱線圈通電后產生磁場，其磁力線的密度分布與柴油機排氣歧管的溫度場分布梯度相對應。在設計中，需要結合實際情況進行合理設計。

柴油機排氣歧管的加熱線圈需采用變頻電源，靈活控制線圈的磁力線分布及密度，使試驗裝置的溫度場盡可能地接近柴油機排氣歧管實際工作時的溫度場，便于開展溫度場變化試驗。然而，加熱線圈采用變頻電源，容易導致線圈工作溫度高。因此，設計了冷卻水管路和相應的進水口、出水口，冷卻管之間互連互通。

另外，為了準確地測出柴油機排氣歧管在試驗中的溫度場分布，試驗設備的加熱裝置外殼上安裝了多個紅外線測溫儀。紅外線測溫儀測量的各區域（包含第一加熱圈和第二加熱圈）溫度，與實測的溫度場進行比對。比對結果作為優化溫度場調整的依據。

在實際應用中，柴油機排氣歧管熱疲勞試驗設備的加熱線圈可采用半圓環形、矩形等不同形狀。一方面，線圈的形狀要與柴油機排氣歧管的形狀適配；另一方面，需要保證加熱線圈完成給工件加熱工作后，可以通過上下移動，與柴油機排氣歧管分離。同時，線圈的設計需要考慮柴油機排氣歧管實際的工作溫度場分布。根據加熱線圈的磁力線密度計算結果，合理調整線圈的結構、大小或數量。

3 試驗結果

為了驗證設計的加熱線圈在加熱柴油機排氣歧管后的溫度場分布與實際工況的相符性，本文采用柴油機排氣歧管計算機輔助工程（CAE）仿真模型進行溫度場分布比對。CAE模型的模擬結果如圖2所示。仿真模型中試驗柴油機排氣歧管的最高溫度點出現在各個氣道出口的交匯點，溫度為770 ℃。主要原因是6個排氣口排出的高溫氣體都需要經過這個交匯點。因此，該交匯點一直處于加熱狀態，成為整個排氣歧管最熱的部位。其他部位離交匯點越遠，則溫度越低。根據CAE模擬的溫度場分布，在加熱線圈設計時，選擇溫度最高處為主控位置點。同時，在主控溫度點和其他溫度場區域上設置溫度測控點，作為分析調整加熱線圈的依據。

圖2 CAE模擬分析的溫度場分布

柴油機排氣歧管的實測溫度見表1。由表1 可知，柴油機排氣歧管在實際工況下的溫度場分布規律與CAE模擬的溫度場基本相符。主控溫度場的實測溫度（777 ℃）與CAE 模擬分析的溫度（770 ℃）基本吻合，相對誤差較小（小于1%）。位于主控溫度場兩側的3號、4號測溫點實測的溫度與CAE模擬分析的溫度較為吻合，相對誤差小于15%。離主控溫度點較遠的1號、2號測溫點實測的溫度與CAE模擬分析的溫度相差較大，主要是由于加熱線圈設計的不合理。后續需要調整1號、2號測溫點位置的線圈，提高模型與實際工況的相符性。

表1 柴油機排氣歧管的實測溫度單位：℃

4 結論

本文設計了柴油機排氣歧管熱疲勞試驗設備的加熱裝置。根據試驗結果，得出以下結論：

（1）試驗裝置的溫度場分布規律與CAE模擬的溫度場基本相符，溫度場的相符度以主控溫度點為中心，向兩側遞減。

（2）從試驗得出的溫度場和線圈的結構來看，線圈越密集的位置，磁力線密度越大，溫度越高，后續可通過調整線圈的密度來實現溫度場分布的調整。

（3）開發的熱疲勞試驗設備加熱裝置可以準確地模擬柴油機工作時排氣歧管的溫度場分布，快速驗證柴油機排氣歧管熱疲勞性能，降低柴油機開發驗證成本。