柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓設(shè)計(jì)計(jì)算

張麗芳 李志

（ 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 430223）

0 引言

隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在各行各業(yè)的運(yùn)用增加，人們總是希望在相同的條件下得到更大的輸出功率，更好的燃油經(jīng)濟(jì)性及更小的排放。制約這些的因素很多，但人們往往忽略了排氣背壓的影響。本文將介紹排氣背壓的相關(guān)信息及簡單計(jì)算方法，消除不利影響，使柴油機(jī)發(fā)揮良好的性能。（說明：本文中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)指固定式工業(yè)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及非車輛公路和機(jī)械中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。）

1 定義

排氣背壓：顧名思意就是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管后的壓力，排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都有重要影響。

通常，背壓過大將導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒效率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差；輸出功率損失，動(dòng)力性下降，同時(shí)排氣溫度升高，煙度加大，排放也變差。因此,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓必須要保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。一般，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大允許排氣背壓值可在供應(yīng)商提供的資料中查詢到。但生產(chǎn)廠家不同，型號(hào)不同，其最大允許排氣背壓值會(huì)有所差別。

2 排氣系統(tǒng)組成

要想計(jì)算排氣背壓，就要先了解柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的構(gòu)成。常規(guī)的排氣系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示：

圖1 排氣系統(tǒng)構(gòu)成

排氣系統(tǒng)的組成如圖所示由三大件組成：柔性波紋管、排氣消音器、排氣管道。柔性波紋管將排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)隔離，補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的位移及管道熱膨脹；排氣消音器減小發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，達(dá)到國家環(huán)保的規(guī)定。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的設(shè)計(jì)計(jì)算

由排氣系統(tǒng)的組成圖可以看出排氣系統(tǒng)中的總阻力值P= Pg+Px

式中：

Pg－排氣管的背壓

Px－消音器的背壓

式中：

L—排氣直管當(dāng)量總長度（m）

Q—廢氣流量（m3/s）

D—排氣管直徑（m）

T—排氣溫度（℃）

當(dāng)排氣系統(tǒng)中采用彎管時(shí)，應(yīng)將彎管折算成直管的當(dāng)量長度。

直管當(dāng)量長度見下表：

表1 直管當(dāng)量長度

假設(shè)排氣管的管徑為6英寸，總長度為15 m，總共有2個(gè)90度彎頭。

則直管的當(dāng)量長度為：

廢氣流量Q和排氣溫度T這兩個(gè)值可以從柴油機(jī)資料中查出來。舉例說明：

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)：VOLVO TAD941GE

備用功率：308 kW/1500 rpm

消音器：6 吋

從銷售資料中查得：廢氣流量Q=52.2 m3/min

排氣溫度： T=539 ℃

排氣系統(tǒng)最大允許排氣背壓： 10 kPa

消音器的背壓： 232 mmHg

假設(shè)排氣管的總長度： 20 m，總共有 4個(gè)90度彎管，排氣管直徑： 152 mm。

根據(jù)上述公式：

排氣管的背壓：

消音器的背壓：

排氣系統(tǒng)中的總阻力值：

因此此排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，可進(jìn)行現(xiàn)場施工。

通常，在實(shí)際柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的安裝過程中，由于廢氣的溫度很高（幾百攝氏度），因此排氣管的溫度也會(huì)升至很高，出于安全原因的考慮，必須要為排氣系統(tǒng)進(jìn)行防熱隔離措施。如用隔離材料對(duì)排氣歧管、渦輪增壓器及排氣管路進(jìn)行包裹。避免觸摸燒傷，還可幫助降低排氣噪聲。另外為減少廢氣的排放，有的在排氣管上裝有廢氣處理裝置。這些措施和裝置都將增加系統(tǒng)背壓，因此在確定一個(gè)系統(tǒng)的總背壓時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)去。為了把排氣系統(tǒng)背壓控制在允許的范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量減少或避免急劇的彎頭，排氣管路的布置盡可能的簡短，對(duì)于新發(fā)動(dòng)機(jī)，建議排氣系統(tǒng)總背壓不超過最大允許值的75%。

4 結(jié)束語

總之，隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩鄶U(kuò)大，對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，排氣系統(tǒng)將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)試驗(yàn)來優(yōu)化，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的性能要求。

[1]楊連生. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.

[2]許維達(dá). 柴油機(jī)動(dòng)力裝置匹配. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.