廣州地鐵JY280軌道車排氣系統(tǒng)改造的背壓設計

任健偉

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000）

廣州地鐵JY280軌道車為湖北襄樊金鷹生產(chǎn)的重型軌道車，該車排氣系統(tǒng)設計在臨近司機室機器間正下方。在隧道作業(yè)時，機車排放的廢氣被隧道墻壁彈射后，除部分被排至大氣外，仍有一部分涌入司機室內(nèi)，對駕駛員操作造成影響，降低了駕駛安全性和舒適性。

柴油機排氣背壓對發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性以及聲音品質(zhì)有著重要影響，是開發(fā)設計過程中參考的重要指標之一。因此，合理的排氣背壓對發(fā)動機的性能至關(guān)重要。本文將對JY280軌道車排氣系統(tǒng)改造中背壓設計進行計算說明，以驗證改造可行性。

1 排氣背壓

排氣背壓指發(fā)動機排氣的阻力壓力。當排氣背壓升高時，發(fā)動機排氣不暢，從而影響發(fā)動機的動力性。一般情況下，排氣背壓變大，直接導致發(fā)動機燃油消耗率上升，發(fā)動機經(jīng)濟性能惡化，與此同時，發(fā)動機動力性變差，尾氣排放質(zhì)量也會由于缸內(nèi)燃燒的不充分加劇惡化。

2 排氣系統(tǒng)改造方案選取

改造排煙管的位置需要在排氣管路中增加管路，從而改變排氣系統(tǒng)的背壓。其改造后排氣背壓應在發(fā)動機設計排氣背壓最大允許范圍內(nèi)。排氣管路一般包括增壓器出口與消聲器之間的管路以及消聲器之后的管路，其主要功用是將發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣安全并順暢地排至車外，如改變消音器位置，有兩種方案。

方案1：直接調(diào)整消音器方向，將其由垂直機車方向調(diào)整為和機車方向水平。該方案不需增加排氣管路，故對排氣背壓無影響，但是如此調(diào)整，一方面消音器較大，車底空間有限，無法放置；另一方面，對日常檢修影響較大，干涉附近部件的檢修，啟機后廢氣還會彌漫整個車底，檢修人員無法在啟機時檢查車底狀態(tài)，長期下去廢氣會將車底部件熏黑，不利于車底狀態(tài)檢查，故此方案不可行。

方案2：在消音器后增壓彎管，該方案需改變排氣管路，增加彎管后，排氣系統(tǒng)背壓應在發(fā)動機允許最大背壓范圍內(nèi)，另外，增加彎管后，需滿足車輛限界尺寸。如以上兩點均滿足，則此方案可行。

3 改造背壓設計方法

在進行排氣系統(tǒng)設計計算時，可先作這樣的設定：機組標準配置的波紋避震節(jié)、工業(yè)型消聲器等同于同管徑的直管，彎頭折算成直管當量長度，把以上三項和連接直管的長度相加后用排氣管背壓的計算公式計算背壓，可使整個計算簡化，并不失計算精度。

排氣系統(tǒng)的總阻力值滿足以下關(guān)系：

式中，P排為排氣系統(tǒng)背壓；Pg為排氣管背壓；Px為消音器的背壓；P標為系統(tǒng)允許的最大背壓值。

排氣管背壓的計算公式為：

式中，Lg為排氣直管當量總長度，m；Q為廢氣流量，m3/s；Dg為排氣管直徑，m；T為排氣溫度，℃。

排氣管、消音器、波紋管、消音器的截面積不同，故根據(jù)截面積的不同將其分為三段進行計算，即P1、P2和P3。通過測量排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，筆者得到以下數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸

由表1可得，L1=0.26m，D1=0.11m；L2=0.18+0.39+0.35=0.92m，D2=0.13m；L3=0.9m，D3=0.5m。

通過查詢3126B柴油機技術(shù)參數(shù)，筆者得到以下參數(shù)，如表2所示。

表2 3126B柴油機技術(shù)參數(shù)

選取發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2400r/min下的排氣總溫度和排氣流量，由表2可知：T=476.3℃；Q=53.4m3/min=0.89m3/s。

將以上數(shù)據(jù)代入式（2）可得：

P1=107.76Pa≈ 0.11kPa；P2=165.92Pa≈ 0.17kPa；P消=P3=0.19Pa=0.00019kPa；P排=P1+P2+P3=0.28kPa。

經(jīng)查詢，該發(fā)動機排氣背壓最大允許值為6.7kPa，機車線排氣系統(tǒng)背壓值遠遠小于發(fā)動機排氣背壓的最大允許值。

4 改造排氣系統(tǒng)背壓設計計算

根據(jù)發(fā)動機排氣管路以下設計原則，考慮選取120°、直徑0.13m的彎頭連接在消音器出口。

排氣管的布置和轉(zhuǎn)彎，應使排氣盡可能順暢：管的中心轉(zhuǎn)彎半徑一般應不小于（1.5～2）D，其折彎成型角應大于90°，以大于120°為宜。整個系統(tǒng)的管道轉(zhuǎn)彎數(shù)應盡可能少，一般情況下不多于6個。排氣尾管段的方向應與水平面縱向下彎5°～10°，出口方向應盡可能指向地面的車身投影的縱向中線。

排氣管道的材料：排氣管道和消聲器一般應采用SUH403、SUH409等耐熱不銹鋼板、管，以保證排氣系統(tǒng)的外觀并具有較長的使用壽命。排氣管壁厚一般應大于1.2mm，雙層管≥2×0.5mm。

排氣管道與周圍相鄰件間的間隙（考慮到制作誤差10mm）：兩件間無相對運動的（如固定在一起的），其設計間隙不得小于15mm。

對于需要隔離熱源或怕熱的相鄰件：其設計間隙一般不得小于50mm。

排氣管道間的連接結(jié)構(gòu)方式和密封：應以結(jié)構(gòu)簡單，布置、制造、安裝、維修方便，重量輕、成本低，有足夠的結(jié)構(gòu)剛度，密封性好為原則。連接結(jié)構(gòu)的方式可以采用平面雙孔（或三孔）法蘭、平面密封墊片或凹坑加平面密封圈的方式，也可以采用球面或錐面密封，用單側(cè)活動法蘭等結(jié)構(gòu)。

排氣系統(tǒng)支撐懸掛裝置的布置設計：當消聲器的尾管伸出消聲器體的長度超過300mm時，應在尾口附近適當位置設置尾管支撐懸掛副。

假設選取彎頭當量長度L彎為0.5m，D彎為0.13m（同消音器前管路管徑一致）。

增加彎頭后，系統(tǒng)總背壓為：

經(jīng)過計算，增壓彎頭后排氣系統(tǒng)背壓仍在規(guī)定范圍內(nèi)。

背壓改變后發(fā)動機影響：圖1給出了外特性工況時不同轉(zhuǎn)速下柴油機性能隨排氣背壓的變化規(guī)律.根據(jù)資料及實驗結(jié)果可知，隨著排氣背壓的增大，柴油機各項性能指標均出現(xiàn)不停程度的變化。

圖1 1900r/min時排氣背壓對性能的影響

通過以上計算可知，柴油機背壓在改造前為0.28kPa，改造后為0.37kPa，增長了32.14%，由表2可知，在轉(zhuǎn)速達到1900r/min時，扭矩下降量降低不足2%，燃油消耗率、排氣溫度升高率略有上升，但根據(jù)3126b柴油機資料，各個參數(shù)均在標準以內(nèi)，且改造后背壓值仍在柴油機背壓標準6.7kPa以內(nèi)，因此改造可行，可現(xiàn)場施工。

5 結(jié)語

隨著人們對機車駕駛環(huán)境要求的提升，柴油機性能效率要求提升，排氣系統(tǒng)背壓計算設計仍將是現(xiàn)階段優(yōu)化改造的重要因素之一。它對于降低發(fā)動機油耗、降低廢氣排放及提高動力性能都有很大的潛力，同時也使機車在考慮改造成本的同時，最大程度上增強駕駛的舒適性和安全性。廣州地鐵大部分工程車仍采用內(nèi)燃機作為機車動力，因此背壓計算具有較為廣泛的推廣性和實用性。