柴油發動機排氣背壓設計計算

張麗芳 李志

（ 中國船舶重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430223）

0 引言

隨著柴油發動機在各行各業的運用增加，人們總是希望在相同的條件下得到更大的輸出功率，更好的燃油經濟性及更小的排放。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信息及簡單計算方法，消除不利影響，使柴油機發揮良好的性能。（說明：本文中的柴油發動機指固定式工業用柴油發動機以及非車輛公路和機械中的柴油發動機。）

1 定義

排氣背壓：顧名思意就是柴油發動機排氣管后的壓力，排氣背壓對發動機的動力性、經濟性和排放性能都有重要影響。

通常，背壓過大將導致柴油發動機燃料燃燒效率下降，燃油經濟性變差；輸出功率損失，動力性下降，同時排氣溫度升高，煙度加大，排放也變差。因此,柴油發動機的排氣背壓必須要保持在規定的范圍內。一般，柴油發動機的最大允許排氣背壓值可在供應商提供的資料中查詢到。但生產廠家不同，型號不同，其最大允許排氣背壓值會有所差別。

2 排氣系統組成

要想計算排氣背壓，就要先了解柴油發動機的排氣系統的構成。常規的排氣系統構成如下圖所示：

圖1 排氣系統構成

排氣系統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動機隔離，補償發動機振動時產生的位移及管道熱膨脹；排氣消音器減小發動機產生的噪聲，達到國家環保的規定。

3 柴油發動機排氣背壓的設計計算

由排氣系統的組成圖可以看出排氣系統中的總阻力值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（℃）

當排氣系統中采用彎管時，應將彎管折算成直管的當量長度。

直管當量長度見下表：

表1 直管當量長度

假設排氣管的管徑為6英寸，總長度為15 m，總共有2個90度彎頭。

則直管的當量長度為：

廢氣流量Q和排氣溫度T這兩個值可以從柴油機資料中查出來。舉例說明：

柴油發動機：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 ℃

排氣系統最大允許排氣背壓： 10 kPa

消音器的背壓： 232 mmHg

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

根據上述公式：

排氣管的背壓：

消音器的背壓：

排氣系統中的總阻力值：

因此此排氣系統設計方案可行，可進行現場施工。

通常，在實際柴油發動機排氣系統的安裝過程中，由于廢氣的溫度很高（幾百攝氏度），因此排氣管的溫度也會升至很高，出于安全原因的考慮，必須要為排氣系統進行防熱隔離措施。如用隔離材料對排氣歧管、渦輪增壓器及排氣管路進行包裹。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背壓，因此在確定一個系統的總背壓時應當考慮進去。為了把排氣系統背壓控制在允許的范圍內，在設計排氣系統時，應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，對于新發動機，建議排氣系統總背壓不超過最大允許值的75%。

4 結束語

總之，隨著全球對能源需求的不斷擴大，對環保要求的不斷提高，排氣系統將影響發動機的動力性、經濟性和排放性能。排氣系統的設計需要經過不斷地設計試驗來優化，以達到發動機最佳的性能要求。

[1]楊連生. 內燃機設計. 北京: 機械工業出版社, 1991.

[2]許維達. 柴油機動力裝置匹配. 北京: 機械工業出版社, 2000.