試制樣車的尾氣收集系統設計

林建濤，耿一飛

（上汽通用汽車樣車開發中心，上海 201206）

前言

車輛裝配完成后,需要進行電器刷新檢查，DVT測試，常規質量檢查等試驗。試驗過程中車輛頻繁啟動，尾氣排放量很大，尾氣不能有效排出車間，會嚴重影響員工健康。與產品車相比，試制階段的車輛，發動機標定完成率不足 80%，排放的尾氣質量遠不能滿足國標要求，尾氣對車間的空氣質量影響更大。為了滿足車間的環境質量驗收標準，必須合理設計車間尾氣收集系統，選擇合適的風機，合理安排排風管道走向，選擇有效的吸嘴形式。

1 試制樣車尾氣收集裝置的型式設計

工廠車輛生產采用的是流水線作業，車輛隨著流水線一起流動。車輛在線car start質量檢查需要啟動車輛，該工位尾氣抽排設備需要自動隨車前行，并能自動循環。目前流水線采用的主流尾排設備是自動循環滑軌式尾氣抽排系統、自動循環自跟隨升降小車式尾氣抽排系統。試制中心的車輛電器檢查在固定工位完成，采用的主流尾氣抽排設備是棘輪卷筒式樣車尾排系統、手動滑軌式尾氣抽排系統，本文以棘輪卷筒式樣車尾排系統為例，介紹尾排系統的設計方法。

2 樣車尾氣收集裝置的風機吸風量設計

根據樣車的尾氣排放量和尾氣收集裝置的漏風率來選擇風機的吸風量。

2.1 樣車尾氣排放量計算

單輛樣車尾氣排放量按以下計算公式：

式中：Q 為排氣管口排出的尾氣量m3/h，A為燃油消耗量kg/h，k 為空燃比，ρ為空氣密度，空氣溫度120攝氏度，空氣密度 0.9kg/m3。

2.2 樣車尾氣收集風機的吸風量需求

由于尾氣收集裝置在吸收尾氣的同時，也吸入一部分空氣。對于卷筒式尾氣收集裝置，根據經驗推算，樣車尾氣收集風機的吸風量要保留20%以上的余量：

式中：D為風機的吸風量m3/h，n 為車輛的數量

以 3.0L排量的汽油車為例，在2500RPM時，尾氣溫度120攝氏度，排放量為302m3/h，每個卷筒的設計吸風量不小于360m3/h，車間內有10臺車輛需要同時發動，因此風機的總吸風量不小于3600m3/h。

3 樣車尾氣收集裝置的風機風壓設計

3.1 尾氣收集裝置系統的壓力損失分析

風機的風壓應當能滿足系統所有壓力損失的需求。尾氣收集裝置管路由卷筒抽氣軟管、頂部排風管道、管路閥門和三通等連接而成的。

流體在管道內流動時，由于同管壁發生摩擦和流體本身的內部摩擦，會產生壓力損失。這種壓力損失稱為沿程阻力損失或摩擦阻力損失。

流體經過彎頭、三通、變徑管、閥門等構件時，流動狀態會發生急劇改變，即出現轉向、加速、撞擊、旋渦、變形等情況，這同樣會造成壓力損失。這種壓力損失稱為局部損失。

如果管路不在同一水平面上，則管路爬高時，流體壓強的一部分要用于克服重力。這種壓力損失稱為位置損失，對于氣體而言，可以忽略。

管路出口流速大于進口時，流體的一部分壓力能要轉化為動能，這種壓力損失稱為出口速度損失。

當位置損失和出口速度損失的比例小于總損失的5%時，可忽略。

按照管網特性，尾排系統的壓力損失的總損失為：

式中：R為尾排系統的總壓損Pa，Rm為單位長度上的摩擦阻力Pa/m，L為直線管道的長度m，Rz 為局部阻力損失Pa，ρj為排氣口處的空氣密度kg/m3，v為尾氣在管道中的流速m/s。

式中：λ為摩擦阻力系數 Ns2?m4，D 為圓管直徑 m，ρ為氣體的密度kg/m3，v為尾氣在管道中的流速m/s。

式中：ε為管件局部阻力系數

系統中各部件靜阻力的大小與其阻力系數成正比，與其所通過的氣流平均速度的平方成正比。

3.2 尾氣收集裝置系統的壓力損失

為了便于計算，從系統的組成結構角度出發，將系統的總壓力損失分為卷筒設備的壓力損失和頂部風道管路的壓力損失，兩者分別進行計算。

3.2.1 卷筒式抽排設備的壓力損失計算

以卷筒軟管的直徑100mm，軟管長度7.5m為例，軟管采用聚酯編織布基質，查表可得其摩擦阻力系數為λ=0.068。

圖1是軟管長度為7.5m時，壓力損失與軟管直徑和管徑流量的關系圖。

圖1 壓力損失與軟管直徑和管徑流量的關系圖

3.2.2 頂部風管管路的布局原則

（1）為避免風管斷面的突然變化，引起局部阻力壓力損失過大，用漸擴（漸縮）管代替突然擴大（或突然縮小），漸擴（漸縮）管的中心角宜≤15度，三通支管與干管的夾角不宜超過30度，如圖2所示。

圖2 三通管和變徑管的設計準則

（2）減少風管的轉彎，轉彎時，用弧管代替直彎管。弧彎管的曲率半徑不宜過小，一般曲率半徑R等于圓形彎頭直徑的2.5倍，如圖3所示。

圖3 彎管的設計準則

3.2.3 頂部風管管路壓損計算

頂部管路分為主管路和支管路。主管路采用直徑 600mm的圓形支管，管路長度120米，存在5個彎頭；支管路采用直徑200mm的圓形支管，管路長度5米，存在2個彎頭，1個三通。

主管路：采用碳鋼管道，查表可得其摩擦阻力系數為λ=0.022；以90度彎頭為例，每個局部阻力損失系數為ε=0.75，5個彎頭的阻力系數為3.75。

支管路：采用碳鋼管道，查表可得其摩擦阻力系數為λ=0.022；以90度彎頭為例，每個局部阻力損失系數為ε=0.75，2個彎頭的阻力系數為1.5，1個三通的阻力系數ε=1。

4 樣車尾氣收集裝置的吸嘴設計

與工廠相比，試制車間最大的特點是車型種類繁多，排氣管管口形式多種多樣。新開發的立式可調節吸嘴能適應多種車型，有效提升吸風效果。

圖4 立式吸嘴和快速接口設計

立式可調節吸嘴具備以下特點：

（1）吸嘴為喇叭口形狀，可以包絡排氣管口；前段連接排氣管口，后端與尾排軟管連接。

（2）吸嘴的主要材料是橡膠，避免排氣管嘴對車輛后保的損傷。

（3）吸嘴固定在立式調節架上，可以調整高度和角度。

為了方便卷筒軟管的收放和保持卷筒軟管收起時的美觀，立式吸嘴和軟管之間采用快速接頭連接，使用時可以快速連接，用完后可以快速拆卸如圖4所示。

5 結論

車間尾氣抽排系統的設計，以車間內車輛運行工況為基礎（同時運行車輛的數量、車輛運行的時間等），結合車間的布局特點（屋頂結構等），合理選擇風機的吸風量和風壓，合理安排排風管道走向，以最小的投入，獲得最大的吸風效果。

本文以試制車間的尾氣為例，總結了車間尾氣抽排裝置設計的經驗，對其它車間的建設有著重要的參考意義。