鐘長(zhǎng)波， 何春華， 陳雪沖， 蒙小蓮， 秦玉婷

（1. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005；2. 上柴動(dòng)力海安有限公司，江蘇 南通 226600；3. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 前言

柴油機(jī)排氣歧管的主要作用是在柴油機(jī)工作時(shí)，將氣缸中產(chǎn)生的廢氣排出。早期的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，單位質(zhì)量的功率低，燃料的燃燒效率不高，所排出的廢氣溫度不超過(guò)500 ℃。隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高，排氣溫度提高到600～650 ℃。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家不斷提高汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。催化技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)逐步推廣應(yīng)用，排氣歧管的工作溫度也顯著提高，達(dá)到了750 ℃以上［1-3］。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，排氣歧管的工作溫度越來(lái)越高，排氣歧管的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。同時(shí)，由于柴油機(jī)排氣歧管需要在循環(huán)交變的溫度狀態(tài)下工作，排氣歧管材料不僅要具有良好的鑄造性能，還要耐高溫。一般來(lái)說(shuō)，排氣歧管的改進(jìn)效果需要經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的驗(yàn)證和市場(chǎng)用戶(hù)的反饋，而現(xiàn)有臺(tái)架試驗(yàn)效率低、成本高、周期長(zhǎng)，無(wú)法快速地反映出排氣歧管的優(yōu)化效果，嚴(yán)重影響了排氣歧管的開(kāi)發(fā)改進(jìn)效率［4］。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證效率高、成本低、周期短的排氣歧管試驗(yàn)裝置具有重要意義。在試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)加熱裝置溫度場(chǎng)分布與實(shí)際工況的相符性。本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)加熱裝置，可以通過(guò)控制磁力線密度，模擬柴油機(jī)排氣歧管工作中的升溫過(guò)程及溫度場(chǎng)分布情況。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞試驗(yàn)設(shè)備的加熱裝置包括：外殼、冷卻水管路、第一加熱線圈、第二加熱線圈、變頻電源及水冷機(jī)組，其設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞試驗(yàn)設(shè)備的加熱裝置結(jié)構(gòu)組成如下：

圖1 加熱裝置立體結(jié)構(gòu)圖

（1）外殼與試驗(yàn)設(shè)備的升降機(jī)構(gòu)固定連接。

（2）冷卻水管路的一端進(jìn)水，一端出水。

（3）多個(gè)第一加熱線圈固定于外殼內(nèi)，且分別與冷卻水管路連通。

（4）多個(gè)第二加熱線圈固定于外殼內(nèi)，且分別與冷卻水管路連通。

（5）變頻電源分別與第一加熱線圈和第二加熱線圈連接，用來(lái)控制加熱線圈對(duì)排氣歧管進(jìn)行加熱。

（6）水冷機(jī)組的出水口與冷卻水管路的進(jìn)水口連通，水冷機(jī)組的進(jìn)水口與冷卻水管路的出水口連通，形成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。水冷機(jī)組中的冷卻水用以冷卻第一加熱線圈和第二加熱線圈。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備的加熱裝置需做成一個(gè)整體，便于安裝在柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞試驗(yàn)的設(shè)備中。加熱線圈通過(guò)結(jié)構(gòu)件被固定安裝在加熱裝置內(nèi)部。加熱裝置外部與試驗(yàn)設(shè)備的升降機(jī)連接，工作時(shí)加熱線圈可上下移動(dòng)。

柴油機(jī)的排氣歧管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作的溫度場(chǎng)也存在差異，因此柴油機(jī)排氣歧管加熱線圈的設(shè)計(jì)需要綜合考慮其實(shí)際工作溫度場(chǎng)的分布及加熱線圈的結(jié)構(gòu)。第一加熱線圈和第二加熱線圈結(jié)構(gòu)不同，但互相連通。同時(shí)，第一加熱線圈和第二加熱線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁力線的密度分布與柴油機(jī)排氣歧管的溫度場(chǎng)分布梯度相對(duì)應(yīng)。在設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

柴油機(jī)排氣歧管的加熱線圈需采用變頻電源，靈活控制線圈的磁力線分布及密度，使試驗(yàn)裝置的溫度場(chǎng)盡可能地接近柴油機(jī)排氣歧管實(shí)際工作時(shí)的溫度場(chǎng)，便于開(kāi)展溫度場(chǎng)變化試驗(yàn)。然而，加熱線圈采用變頻電源，容易導(dǎo)致線圈工作溫度高。因此，設(shè)計(jì)了冷卻水管路和相應(yīng)的進(jìn)水口、出水口，冷卻管之間互連互通。

另外，為了準(zhǔn)確地測(cè)出柴油機(jī)排氣歧管在試驗(yàn)中的溫度場(chǎng)分布，試驗(yàn)設(shè)備的加熱裝置外殼上安裝了多個(gè)紅外線測(cè)溫儀。紅外線測(cè)溫儀測(cè)量的各區(qū)域（包含第一加熱圈和第二加熱圈）溫度，與實(shí)測(cè)的溫度場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)結(jié)果作為優(yōu)化溫度場(chǎng)調(diào)整的依據(jù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞試驗(yàn)設(shè)備的加熱線圈可采用半圓環(huán)形、矩形等不同形狀。一方面，線圈的形狀要與柴油機(jī)排氣歧管的形狀適配；另一方面，需要保證加熱線圈完成給工件加熱工作后，可以通過(guò)上下移動(dòng)，與柴油機(jī)排氣歧管分離。同時(shí)，線圈的設(shè)計(jì)需要考慮柴油機(jī)排氣歧管實(shí)際的工作溫度場(chǎng)分布。根據(jù)加熱線圈的磁力線密度計(jì)算結(jié)果，合理調(diào)整線圈的結(jié)構(gòu)、大小或數(shù)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的加熱線圈在加熱柴油機(jī)排氣歧管后的溫度場(chǎng)分布與實(shí)際工況的相符性，本文采用柴油機(jī)排氣歧管計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分布比對(duì)。CAE模型的模擬結(jié)果如圖2所示。仿真模型中試驗(yàn)柴油機(jī)排氣歧管的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在各個(gè)氣道出口的交匯點(diǎn)，溫度為770 ℃。主要原因是6個(gè)排氣口排出的高溫氣體都需要經(jīng)過(guò)這個(gè)交匯點(diǎn)。因此，該交匯點(diǎn)一直處于加熱狀態(tài)，成為整個(gè)排氣歧管最熱的部位。其他部位離交匯點(diǎn)越遠(yuǎn)，則溫度越低。根據(jù)CAE模擬的溫度場(chǎng)分布，在加熱線圈設(shè)計(jì)時(shí)，選擇溫度最高處為主控位置點(diǎn)。同時(shí)，在主控溫度點(diǎn)和其他溫度場(chǎng)區(qū)域上設(shè)置溫度測(cè)控點(diǎn)，作為分析調(diào)整加熱線圈的依據(jù)。

圖2 CAE模擬分析的溫度場(chǎng)分布

柴油機(jī)排氣歧管的實(shí)測(cè)溫度見(jiàn)表1。由表1 可知，柴油機(jī)排氣歧管在實(shí)際工況下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律與CAE模擬的溫度場(chǎng)基本相符。主控溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)溫度（777 ℃）與CAE 模擬分析的溫度（770 ℃）基本吻合，相對(duì)誤差較?。ㄐ∮?%）。位于主控溫度場(chǎng)兩側(cè)的3號(hào)、4號(hào)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)的溫度與CAE模擬分析的溫度較為吻合，相對(duì)誤差小于15%。離主控溫度點(diǎn)較遠(yuǎn)的1號(hào)、2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)的溫度與CAE模擬分析的溫度相差較大，主要是由于加熱線圈設(shè)計(jì)的不合理。后續(xù)需要調(diào)整1號(hào)、2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)位置的線圈，提高模型與實(shí)際工況的相符性。

表1 柴油機(jī)排氣歧管的實(shí)測(cè)溫度單位：℃

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞試驗(yàn)設(shè)備的加熱裝置。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)裝置的溫度場(chǎng)分布規(guī)律與CAE模擬的溫度場(chǎng)基本相符，溫度場(chǎng)的相符度以主控溫度點(diǎn)為中心，向兩側(cè)遞減。

（2）從試驗(yàn)得出的溫度場(chǎng)和線圈的結(jié)構(gòu)來(lái)看，線圈越密集的位置，磁力線密度越大，溫度越高，后續(xù)可通過(guò)調(diào)整線圈的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)分布的調(diào)整。

（3）開(kāi)發(fā)的熱疲勞試驗(yàn)設(shè)備加熱裝置可以準(zhǔn)確地模擬柴油機(jī)工作時(shí)排氣歧管的溫度場(chǎng)分布，快速驗(yàn)證柴油機(jī)排氣歧管熱疲勞性能，降低柴油機(jī)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證成本。