王繼佳，姚廣濤，張衛(wèi)鋒，陳 橋

（1．軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津300161；2．軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161）

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣降溫裝置設(shè)計(jì)研究

王繼佳1，姚廣濤2，張衛(wèi)鋒2，陳 橋1

（1．軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津300161；2．軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161）

車輛進(jìn)行DPF再生時(shí)，排氣溫度高達(dá)600℃以上，容易引起火災(zāi)，對(duì)周圍環(huán)境造成安全隱患，因此，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)行降溫；軍用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度過高，與周圍環(huán)境溫差過大，容易呈現(xiàn)出明顯紅外特征，被敵紅外偵測裝置發(fā)現(xiàn)進(jìn)而遭受打擊，因此，軍事用途的發(fā)動(dòng)機(jī)出于隱蔽性考慮，需要降低排氣溫度。綜上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行降溫，符合軍民兩方面需求。

排氣降溫裝置；文丘里；混合降溫

汽車尾氣排放是大氣重要污染源之一，隨著人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的重視，柴油機(jī)顆粒捕集器將更加普遍應(yīng)用。為保證氣體通過性，顆粒捕集器要周期性地進(jìn)行再生，再生期間排氣溫度能達(dá)到600℃以上，給周圍環(huán)境帶來安全隱患，尤其是易燃易爆場所。因此，民用發(fā)動(dòng)機(jī)出于安全性考慮，需要對(duì)排氣進(jìn)行降溫；機(jī)動(dòng)軍事目標(biāo)動(dòng)力系統(tǒng)排氣溫度高，與周圍環(huán)境溫差過大，易呈現(xiàn)明顯紅外特征[1]?，F(xiàn)代紅外偵測設(shè)備能據(jù)此對(duì)軍事目標(biāo)精確定位，進(jìn)而實(shí)施精度打擊。因此，軍事用途發(fā)動(dòng)機(jī)出于提高紅外隱蔽性考慮，需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。

1 研究現(xiàn)狀

目前，相關(guān)領(lǐng)域研究者針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣降溫進(jìn)行了大量研究工作，基本形成了三類方法：利用尾氣熱能量發(fā)電，噴霧降溫技術(shù)，吸收式制冷裝置。

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所的陳江平教授、北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院的張紅光教授、萊鋼集團(tuán)的張曉工程師對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了研究，利用朗肯循環(huán)發(fā)電的同時(shí)降低排氣溫度，采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)[2]，通過單螺桿膨脹機(jī)輸出機(jī)械功[3]。此方法既能降低排氣溫度，又實(shí)現(xiàn)排氣熱量的回收利用，但該技術(shù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于安裝，且成本高，不利于普遍推廣。朗肯循環(huán)原理如圖1所示。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院的袁江濤副教授對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噴霧降溫試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)進(jìn)行了研究（如圖2），細(xì)水霧蒸發(fā)冷卻器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)自行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單、雙層噴霧模式的切換[4]。冷卻器以自來水為霧化工質(zhì)。此方法能大幅降低排氣溫度，但用于冷卻的水無法及時(shí)補(bǔ)充，難以實(shí)現(xiàn)持久冷卻。

圖2 噴霧降溫試驗(yàn)系統(tǒng)

邵陽學(xué)院機(jī)械與能源系袁文華教授、周東一副教授根據(jù)現(xiàn)有汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理，提出將汽車排氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造作為溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)生器（如圖3），代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車空調(diào)的制冷和采暖系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)[5]。但此方法的而缺點(diǎn)在于：熱交換器體積過大，不便在排氣管路加裝，同時(shí)還需要增加室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)，將熱量最終傳入到大氣之中。

圖3 溴化鋰吸收式制冷原理簡圖

2 降溫裝置設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流速較高，因此可以采用文丘里效應(yīng)，將常溫下的空氣吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，通過熱交換降低排氣溫度[6]。其工作原理如圖4所示。

圖4 裝置降溫原理：文丘里效應(yīng)

如果在排氣管上簡單設(shè)計(jì)喉管和進(jìn)氣孔，那么需要的進(jìn)氣量越大，喉管越細(xì)，產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓就越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響。此外冷卻空氣如果不能和排氣充分混合，也不能很好地降低排氣溫度。

因此在設(shè)計(jì)中，既要盡量增加進(jìn)氣量，又要避免排氣背壓升高，同時(shí)兼顧排氣的混合效果。

2.2 裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種新型的排氣降溫裝置，裝置包括依次連接的擴(kuò)張室、分流室、引射管、后擴(kuò)室，見圖5.擴(kuò)張室前端管直徑與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管直徑相同，通過法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上游連接，擴(kuò)張室后端管呈錐形擴(kuò)張管，與分流室連接。擴(kuò)張室的作用是降低空氣流速。

圖5 裝置設(shè)計(jì)圖

分流室前端設(shè)有分流片，分流片緊密連接有引射管，引射管為錐形縮管，凸面內(nèi)側(cè)均連接有引射管，此外分流片中心部位有一支引射管；分流片與分流室凹面配合引導(dǎo)排氣流入引射管；分流室后端呈波浪狀，由相同數(shù)量的凸面和凹面依次相間構(gòu)成，凸面用于包圍引射管，凹面用于引導(dǎo)進(jìn)氣。分流室的作用是增加排氣流速，產(chǎn)生低壓場，同時(shí)引導(dǎo)環(huán)境空氣進(jìn)入。后擴(kuò)室由圓形套筒構(gòu)成，其前端固定連接于分流室后部，其后端與排氣管下游固定連接，分流室的凹面外側(cè)與后擴(kuò)室相通?；旌蠚庠诤髷U(kuò)室混合。

2.3 裝置的工作過程

裝置的工作過程：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣通過排氣管流入擴(kuò)張室，由于流通面積增大，流速降低。在分流片的引導(dǎo)下，排氣進(jìn)入流通面積逐漸縮小的引射管，此時(shí)流速快速增加，在出口處直接流入后擴(kuò)室，流通面積急劇增加，流速大大降低。根據(jù)伯努利方程，引射管出口處與入口處形成壓差，出口處壓力低于入口處。在低壓的作用下，環(huán)境中的空氣通過分流室的凹面外側(cè)引導(dǎo)進(jìn)入排氣管內(nèi)，并與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在后擴(kuò)室處混合，排氣溫度降低，隨后共同隨排氣管排出發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 試驗(yàn)效果

為驗(yàn)證該裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架

在中國重汽WD615.96發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了裝置性能臺(tái)架試驗(yàn)研究，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)工況如表2所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)工況列表

圖6為試驗(yàn)裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架連接圖。圖7為試驗(yàn)裝置及臺(tái)架實(shí)物圖。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意圖

圖7 試驗(yàn)裝置臺(tái)架實(shí)物圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖8為試驗(yàn)中取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在圖中所述的5個(gè)工況點(diǎn)內(nèi)，排氣降溫裝置出口位置較入口位置的溫度出現(xiàn)明顯下降，且隨著出口位置后移，溫度又略有降低，這與排氣和空氣進(jìn)一步混合有關(guān)。在圖中所述工況下，排氣溫度可降低100～220℃.

在試驗(yàn)中，由于去除排氣管熱傳導(dǎo)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)管路上增加了保溫層，同時(shí)裝置置于無風(fēng)環(huán)境中進(jìn)行。因此，實(shí)際應(yīng)用中的降溫效果將優(yōu)于該試驗(yàn)結(jié)果中取得的降溫效果。

4 結(jié)束語

該裝置通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用簡單的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的降低，具備了以下特點(diǎn)：

（1）裝置降溫效率高，能夠?qū)⒋罅靠諝馕肱艢?，從而大大降低排氣溫度，試?yàn)中能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度降低100~220℃；

（2）裝置結(jié)構(gòu)簡單，該裝置通過空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，即可實(shí)現(xiàn)降溫功能，無傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

（3）裝置無負(fù)效應(yīng)，通過分流室的導(dǎo)流措施降低排氣阻力，避免了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響；

（4）適用范圍廣，不需要水或其它冷卻介質(zhì)，拓展了裝置的適用范圍。

隨著顆粒捕集器的普遍應(yīng)用和軍事斗爭的深入，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣降溫研究必將受到越來越廣泛的關(guān)注。該裝置能夠顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，降低顆粒捕集器再生時(shí)產(chǎn)生的安全隱患，提高軍用發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱蔽性，在民用車輛、軍用裝甲、艦船、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]張紅光，劉彬，梁虹，等.柴油機(jī)排氣余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（9）：1431-1435.

[2]郭麗華，覃峰，陳江平，等.基于有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收技術(shù)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（02）：30-34.

[3]周東一，石楚平，肖飚，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)研究[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2008（04）：25-28.

[4]劉彬，梁虹，陳研，等.發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011（02）：93-96.

[5]袁江濤，楊立，金仁喜，等.動(dòng)力排氣系統(tǒng)細(xì)水霧蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2010（03）：461-464.

[6]Entriken SM，Peterson JA.Agricultural vehicle cooling as sembly fan shroud with seals for pass-through cooling and ex haust tubes[J].2012.

The Design Research of the Device for ExhaustGas Cooling of Engine

WANG Ji-jia1，YAO Guang-tao2，ZHANGWei-feng2，CHEN Qiao1
（1.Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2.Military Vehicle Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

The temperature of exhaust gas can exceed 600℃when the DPF was renewed on vehicle.It’s dangerous to surrounding and easy to cause fire disaster.So it’s necessary to lower the temperature of exhaust gas of engine. The temperature of exhaust gas from military engine is higher than normal temperature，it’s easy to demonstrate IR and was bombed.So in order to improve the shelter，it’s necessary to lower the temperature of exhaust gas ofmilitary engine.In a word，it can satisfy the requirements of civil and military.

device for exhaust gas cooling；venturi；lower the temperature bymixture

TK412

A

1672-545X（2017）04-0206-03

2017-01-13

王繼佳（1991-），男，安徽人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與傳動(dòng)工程。