防爆叉车发动机排气系统结构分析与设计

2020-09-10张永根

内燃机与配件 2020年13期

关键词：结构设计

张永根

摘要：防爆叉车作为爆炸性危险场所装卸、搬运和堆码的重要作业设备，和蓄电池防爆叉车相比，有着较强的动力性能。但是在防爆排气系统设计上，要求很高，本文立足于防暴叉车的相关排放状况，就其排气系统结构分析与设计进行了分析。

关键词：防暴叉车;发动机排气系统;结构;设计

1 防爆叉车概述

化学爆炸根据物质状态不同分为固体、液体和气体爆炸。爆炸性环境是指在大气条件下，气体、蒸气、薄雾、粉尘或纤维状的可燃物质与空气形成的混合物，点燃后燃烧传至全部未燃混合物的环境。

防爆叉车是叉车的一种特殊型式（外表如图1所示），它能在普通叉车禁止使用的爆炸性危险环境里作业，如石油、化工、制药、轻纺、军工、油漆、颜料、煤炭等工业部门以及港口、铁路、货场、仓库等含有爆炸性混合物的场所。随着经济的快速发展、物流需求的增加、装运效率和安全意识的提高，防爆叉车的应用已越来越广。目前大部分的防爆技术都是从国外引进过来的，国内的防爆技术除大品牌叉车厂家外如杭叉是整车防爆开发及自主生产相对成熟外，其他并不成熟。

2 防爆叉车排气系统设计结构

排气系统的功能是为了降低废气排出过程中产生的噪音，有效熄灭废气中出现的火焰，必要时，还会在排气系统中加装适当的催化剂，来有效减少有害气体的排出量。我们为了降低排气系统对发动机功率的损耗，要改善和优化排气系统的设计，重点考虑以下几方面：

2.1 排气背压

防爆叉车的排气背压不可以高于发动机数据表中体现的限制，其允许值也是结合发动机排放和功率发挥要求情况来提出的。如果阻力过大，就会使得发动机性能减退。

2.2 排气系统部件安装

在进行排气系统部件安装过程中，要注意多方面的因素。一是和其部件的自身重量、惯量和相应运动产生的尺寸产生的因素，不应该对排气歧管或涡轮增压器带来过大的应力;二是选用柔性管可以使得排气系统更好地实现振动和吸收;三是与起动电机、发电机之间要保持一定的距离，电子元件周围温度要低于80℃，若有需求，还可以安装一些隔热板;四是排气管和燃油滤清器不能距离太近，否则会因为燃油温度提升，导致发动机性能恶化，甚至失火;五是排气系统一定要将路面的雨水或者其他来源水进行有效阻止，防止发动机机体、涡轮增压器进水;六是一定要对排气进行及时的疏散，保证其不能对空滤器的功能、系统效率以及周围环境带来不好的影响。

2.3 排气消声器

噪声控制也是排气消声器的重要考虑因素，结合操作者的工作环境和舒适性来考虑，我们要加强排气系统消声的优化。尽管消声器可以让排气背压变大，可是可以通过消声器来将其影响控制在最低水平。噪声主要产生的原因，在排气开始时，废气以脉冲形式从排气门缝隙排出，并迅速从排气口冲入大气，形成能量很高、频率很复杂的噪声，包括基频及其高次谐波的成分。

2.3.1 排气消声器的降噪原理

压力波作为一种能量存在气体中。因此，压力波的吸收或者消耗，是消除和降低压力波的重要部分，这也是能量降低原理，排气消声器就是这个原理开展工作的。通常情况下，消声器利用吸收噪声能量，或者利用对来的波反射，而降低其能量。阻性消声器利用声波进入一种能将波进行反射的软材料进行噪音降低。而玻璃纤维作为一种吸声材料，和其他吸声材料类似，相对来说，没有固定的结构和强度，受气流影响，容易被气流吹走。所以阻性消声器在农业机械、工程和采矿方面应用的不多。

抗性消声器利用压力波反弹来将原波进行噪音降低，一旦压力波沿着一定的振幅、频率在特定的方向内进行传播，那么可以同时引入一个反方向的精确复制波。两波在相遇过程中将彼此能量抵消，振幅降低，也起到消声的目的[1]。

2.3.2 消声器选择

我们在进行消声器的选择当中，首要考虑的因素是其设计。消音器制造商一般都会对消声器的结构细节和具体应用进行说明。可用空间、降噪要求、外观、费用以及可靠性等，都是影响选择排气消声器选择的主要因素。通常情况下，我们将消声器进行尺寸的增大，是为了定容量，改善消声效果，提高降噪能力。一般来说，增大了排气阻力，也就增大了排气背压。大多数情况下，圆形的消声器效果要好（见图2），可以保持声音，而不让声音通过扁平表面被散掉。同时，双层卷管和双层壁消声器的表面也能更好地保持声音。在特殊的场合，对叉车的要求也不一样。比如在棉花仓库，就需要使用灭火消声器，这也是为了减少尾气排放而使用催化型的消声器。此外，常见的还有防黑烟消声器、带颗粒捕捉器的催化型消声器等，我们可以根据市场需求以及具体场合来进行选择。此外，消声器的材料大多是镀铝中碳钢或不锈钢，这是为了防腐蚀和美观。

2.3.3 排气消声器的安装

在进行消声器安装的过程中，一定要考虑因为冲击而导致的负载，出现损坏和变形的问题。当卡箍和支撑的布置遇到热膨胀的情况下，顺着适当的方向，不会给排气系统带来压力，而需要注意的是，运用柔性管可以侧向偏移，我们需要保证其轴向和线性是刚性的[2]。

2.3.4 排气消声器净化效果

由于叉车的排量不同，因此需要选择不一样的TWC和DOC，在排气消声器中进行内置，这就是净化消声器，从而起到消声和净化的功能。在实践中进行了测试，当排气阻力低于1020mmH0时，净化消声器插入损失可以达到20dB以上，这是与当前叉车相关标准的要求是一致的，我们利用某公司的净化消声器和无净化消声器展开了试验和对比，并将尾气排放进行了测试，具体数据见表1、表2和表3。同时，通过试验的不断优化，可以判断出性能姣好的净化消声器。

通过进行试验分析，我们发现在不同的工作情况下，净化消声器的净化效果并不相同。例如當处于怠速的情况下，我们可以得知HC转化率达到27%～37%，CO转化率可以达到72%～83%，NO转化率达到95%～97%，利用实验的结果我们可以得知，净化消声器是叉车必要的配套产品。

2.4 排气流量的计算

确定发动机的排气流量，是为了更好地设计排气系统，保证排气流量能够在进入的空气流量，展开计算。由此，我们可以计算出发动机的排气流量。

具体如下：

公式中：

Q排：进口处排气流量，L/min;

Q：进气空气流量，L/min;

Tb：进口处排气温度，℃;

ψ：取0.98;

Ts：进气温度，℃。

基于上述试验和研究，我们都要高度重视防爆叉车排气系统的要求，这样可以有效减少废气排量和噪音，从而进一步改善防爆叉车发动机的运转效率，优化排气系统。

3 结语