论文部分内容阅读
[摘 要]文章介绍了钢轨探伤车排气系统的功能、不同设计方案的分析比较、消声器的选型设计、排气管路的布置及其安装布局。
[关键词]排气系统；分析；消声器；排气管路；安装布局。
中图分类号：TB535.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0342-02
一、概述
随着环保法规对车辆排放的要求越来越高，排气系统在车辆的系统组成和系统设计中，越来越占有重要的地位。本文以港铁探伤车为设计对象，结合国家现阶段检测车辆排气系统设计的现况，参照排气系统有关法律法规及相关标准，对排气系统消声器选型、排气管路走向进行的不同方案的设计分析及布局优化设计。
二、设计要求
（一）相关技术文件要求
1. 发动机在所有运行条件下，以g/kWh为单位，最大排放量（未经稀释废气）应满足欧标 III废气排放标准；
2. 应采用净化消声装置，微粒过滤器或洗涤器，或采取类似措施，从而减少废气中CO，HC，及微粒等含量。
三、方案设计
（一）整体布置
排气系统的配置和走向，依据车辆总体结构布置的需要来设计。排气系统及其消声器的设计，应使排气阻力尽可能小，以使其对发动机的功率损失尽可能小初步设计拟定了两个方案：
方案1：C7动力单元及发电机组废气通过管道从车顶排放到大气，详见图1。
方案2：C7动力单元及发电机组废气通过管道从车底排放到大气，详见图2。
（二）方案比较
方案1 （如图1所示）
优点：排气管路制作简单，安装方便；
缺点：车辆顶部安装有空调，从车顶排放，废气通过空调机组的新风口进入车内，影响乘员的健康；热的废气随着空气进入空调，降低空调的制冷效果，其次废气对空调冷凝器有很大的腐蚀作用，减少空调的使用寿命；
方案2 （如图2所示）
优点：车下排气避免了车顶排气对空调及乘员的影响，动力室内的布置简洁。
缺点：管路制作复杂，停车工况柴油机运行时对排气口附近的人员有热影响。
经综合考虑，方案2比较符合该车辆的优化布局。
四、结构设计
（一）排气系统的组成及功能
排气系统由排气管、波纹管、排气净化消声器装置、管路包裹隔热材料及固定管卡等组成，在排气管中设置波纹管使整个排气系统呈柔性联接，从而起减振、降噪、净化、方便安装和延长消声系统寿命的作用，如图3所示。
排气系统具有以下功用：
1.引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；
2.由排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流成脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声，因此在排气系统装有排气消声器来降噪。
3.一体化的净化消声器进一步降低排气污染物CO，HC，NOX 的含量，达到排气净化的作用。
（二）结构设计
排气系统由于车辆布置需求，整体布置在车辆右侧，主要由C7动力单元排气系统和发电机组排气系统两部分组成。排气管道一端与发动机排气歧管口相连，一端与净化消声装置相连。C7净化消声器和GEP65-6净化消声器采用集中安装方式；排气管道与各个零部件之间采用顺应气流方向的插入式连接，用喉箍方式固定；排气管道之间设置波纹管柔性连接；排气管道采用管卡连接方式与车体固定，如图4所示。排气管道进行隔热处理，确保和周边零部件有足够的间隙，避免引起火灾。
（三）排气管内径与消声器的选择
1.在结构布置允许的情况下，排气管内径尽可能大些，以降低管道内的气流速度，减少气流阻力产生的功率损失和再生噪声。一般管道内径d≥发动机排气歧管出口内径。根据发动机排量等参数（详见表1），初步确定排气管内径：C7动力单元排气歧管出口采用弯管接头形式，内径为89mm， 故排气管道选用95×1.6mm不锈钢管；备用柴油发电机组排气歧管出口采用变径管道，出口径63mm变为76mm，故排气管道选用76×1.6mm不锈钢管。
2.根据国家标准和客户要求以及确定的具体指标，确定允许噪声的标准限值，计算消声器所需要的消声量。根据需要的消声量、空气动力性（排气背压10～12 kpa）以及其它要求，确定消声器的选型详见表2。
3 . 排气阻力计算
3.1依据表1、表2参数，通过单位换算可得：
=55.4 m3/min≈2000cfm =91.8mm≈3.6in
=12.3 m3/min≈500cfm =72.8mm≈3.0in
—C7动力单元额定工况下废气排量
—备用柴油发电机组GEP-65额定工况下废气排量
—C7动力单元排气管内径
—备用柴油发电机组GEP-65排气管内径
消声器排气背压小于5kpa≈1.48 inHg
依据上述数据确定排气管道压差系数，详见图5。
依据图5可得：
1）C7动力单元压差系数为=0.1； 90°弯头压差系数=16×；
45°弯头压差系数=8×；—C7动力单元压差系数。
2）备用柴油发电机组GEP65-6压差系数为=0.035；
90°弯头压差系数=16×；45°弯头压差系数=8×。
—备用柴油发电机组GEP65-6压差系数
3.2 依据公式計算：
—各段管道的压差kpa； —总压差kpa
C7排气阻力：=2.25inHg=57.06mmHg=7.61kpa<10kpa；
备用柴油发电机组GEP65-6排气阻力：=2.05inHg=52.18mmHg=6.96kpa<10kpa；
综上所述：排气管内径的选用、消声器的型号符合排气系统整体设计，满足车辆总体布置和港铁相关技术文件要求。
五、结束语
在排气系统设计中，充分考虑车辆的布置空间及合同条款的要求，对其进行设计优化，解决了排气管道与制动管路及电气线路干涉等问题，在确保发动机及发电机组最佳性能的同时，把所有柴油机废气安全地、安静地排放到大气中去，减少废气、颗粒物PM和噪音对环境及乘员的影响。
参考文献
[1] 王志强.机械优化设计[M].机械工业出版社.
[2] 乔秀娟.内燃机排气消声系统[J].大众机械 1989-2.
[3] 刘军营.液压传动系统设计与应用实例解析[M]. 机械工业出版社.第1版.
1 马利利，女，汉族，本科，工程师
[关键词]排气系统；分析；消声器；排气管路；安装布局。
中图分类号：TB535.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0342-02
一、概述
随着环保法规对车辆排放的要求越来越高，排气系统在车辆的系统组成和系统设计中，越来越占有重要的地位。本文以港铁探伤车为设计对象，结合国家现阶段检测车辆排气系统设计的现况，参照排气系统有关法律法规及相关标准，对排气系统消声器选型、排气管路走向进行的不同方案的设计分析及布局优化设计。
二、设计要求
（一）相关技术文件要求
1. 发动机在所有运行条件下，以g/kWh为单位，最大排放量（未经稀释废气）应满足欧标 III废气排放标准；
2. 应采用净化消声装置，微粒过滤器或洗涤器，或采取类似措施，从而减少废气中CO，HC，及微粒等含量。
三、方案设计
（一）整体布置
排气系统的配置和走向，依据车辆总体结构布置的需要来设计。排气系统及其消声器的设计，应使排气阻力尽可能小，以使其对发动机的功率损失尽可能小初步设计拟定了两个方案：
方案1：C7动力单元及发电机组废气通过管道从车顶排放到大气，详见图1。
方案2：C7动力单元及发电机组废气通过管道从车底排放到大气，详见图2。
（二）方案比较
方案1 （如图1所示）
优点：排气管路制作简单，安装方便；
缺点：车辆顶部安装有空调，从车顶排放，废气通过空调机组的新风口进入车内，影响乘员的健康；热的废气随着空气进入空调，降低空调的制冷效果，其次废气对空调冷凝器有很大的腐蚀作用，减少空调的使用寿命；
方案2 （如图2所示）
优点：车下排气避免了车顶排气对空调及乘员的影响，动力室内的布置简洁。
缺点：管路制作复杂，停车工况柴油机运行时对排气口附近的人员有热影响。
经综合考虑，方案2比较符合该车辆的优化布局。
四、结构设计
（一）排气系统的组成及功能
排气系统由排气管、波纹管、排气净化消声器装置、管路包裹隔热材料及固定管卡等组成，在排气管中设置波纹管使整个排气系统呈柔性联接，从而起减振、降噪、净化、方便安装和延长消声系统寿命的作用，如图3所示。
排气系统具有以下功用：
1.引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；
2.由排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流成脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声，因此在排气系统装有排气消声器来降噪。
3.一体化的净化消声器进一步降低排气污染物CO，HC，NOX 的含量，达到排气净化的作用。
（二）结构设计
排气系统由于车辆布置需求，整体布置在车辆右侧，主要由C7动力单元排气系统和发电机组排气系统两部分组成。排气管道一端与发动机排气歧管口相连，一端与净化消声装置相连。C7净化消声器和GEP65-6净化消声器采用集中安装方式；排气管道与各个零部件之间采用顺应气流方向的插入式连接，用喉箍方式固定；排气管道之间设置波纹管柔性连接；排气管道采用管卡连接方式与车体固定，如图4所示。排气管道进行隔热处理，确保和周边零部件有足够的间隙，避免引起火灾。
（三）排气管内径与消声器的选择
1.在结构布置允许的情况下，排气管内径尽可能大些，以降低管道内的气流速度，减少气流阻力产生的功率损失和再生噪声。一般管道内径d≥发动机排气歧管出口内径。根据发动机排量等参数（详见表1），初步确定排气管内径：C7动力单元排气歧管出口采用弯管接头形式，内径为89mm， 故排气管道选用95×1.6mm不锈钢管；备用柴油发电机组排气歧管出口采用变径管道，出口径63mm变为76mm，故排气管道选用76×1.6mm不锈钢管。
2.根据国家标准和客户要求以及确定的具体指标，确定允许噪声的标准限值，计算消声器所需要的消声量。根据需要的消声量、空气动力性（排气背压10～12 kpa）以及其它要求，确定消声器的选型详见表2。
3 . 排气阻力计算
3.1依据表1、表2参数，通过单位换算可得：
=55.4 m3/min≈2000cfm =91.8mm≈3.6in
=12.3 m3/min≈500cfm =72.8mm≈3.0in
—C7动力单元额定工况下废气排量
—备用柴油发电机组GEP-65额定工况下废气排量
—C7动力单元排气管内径
—备用柴油发电机组GEP-65排气管内径
消声器排气背压小于5kpa≈1.48 inHg
依据上述数据确定排气管道压差系数，详见图5。
依据图5可得：
1）C7动力单元压差系数为=0.1； 90°弯头压差系数=16×；
45°弯头压差系数=8×；—C7动力单元压差系数。
2）备用柴油发电机组GEP65-6压差系数为=0.035；
90°弯头压差系数=16×；45°弯头压差系数=8×。
—备用柴油发电机组GEP65-6压差系数
3.2 依据公式計算：
—各段管道的压差kpa； —总压差kpa
C7排气阻力：=2.25inHg=57.06mmHg=7.61kpa<10kpa；
备用柴油发电机组GEP65-6排气阻力：=2.05inHg=52.18mmHg=6.96kpa<10kpa；
综上所述：排气管内径的选用、消声器的型号符合排气系统整体设计，满足车辆总体布置和港铁相关技术文件要求。
五、结束语
在排气系统设计中，充分考虑车辆的布置空间及合同条款的要求，对其进行设计优化，解决了排气管道与制动管路及电气线路干涉等问题，在确保发动机及发电机组最佳性能的同时，把所有柴油机废气安全地、安静地排放到大气中去，减少废气、颗粒物PM和噪音对环境及乘员的影响。
参考文献
[1] 王志强.机械优化设计[M].机械工业出版社.
[2] 乔秀娟.内燃机排气消声系统[J].大众机械 1989-2.
[3] 刘军营.液压传动系统设计与应用实例解析[M]. 机械工业出版社.第1版.
1 马利利，女，汉族，本科，工程师