防爆叉車發動機排氣系統結構分析與設計

張永根

摘要：防爆叉車作為爆炸性危險場所裝卸、搬運和堆碼的重要作業設備，和蓄電池防爆叉車相比，有著較強的動力性能。但是在防爆排氣系統設計上，要求很高，本文立足于防暴叉車的相關排放狀況，就其排氣系統結構分析與設計進行了分析。

關鍵詞：防暴叉車;發動機排氣系統;結構;設計

1 ?防爆叉車概述

化學爆炸根據物質狀態不同分為固體、液體和氣體爆炸。爆炸性環境是指在大氣條件下，氣體、蒸氣、薄霧、粉塵或纖維狀的可燃物質與空氣形成的混合物，點燃后燃燒傳至全部未燃混合物的環境。

防爆叉車是叉車的一種特殊型式（外表如圖1所示），它能在普通叉車禁止使用的爆炸性危險環境里作業，如石油、化工、制藥、輕紡、軍工、油漆、顏料、煤炭等工業部門以及港口、鐵路、貨場、倉庫等含有爆炸性混合物的場所。隨著經濟的快速發展、物流需求的增加、裝運效率和安全意識的提高，防爆叉車的應用已越來越廣。目前大部分的防爆技術都是從國外引進過來的，國內的防爆技術除大品牌叉車廠家外如杭叉是整車防爆開發及自主生產相對成熟外，其他并不成熟。

2 ?防爆叉車排氣系統設計結構

排氣系統的功能是為了降低廢氣排出過程中產生的噪音，有效熄滅廢氣中出現的火焰，必要時，還會在排氣系統中加裝適當的催化劑，來有效減少有害氣體的排出量。我們為了降低排氣系統對發動機功率的損耗，要改善和優化排氣系統的設計，重點考慮以下幾方面：

2.1 排氣背壓

防爆叉車的排氣背壓不可以高于發動機數據表中體現的限制，其允許值也是結合發動機排放和功率發揮要求情況來提出的。如果阻力過大，就會使得發動機性能減退。

2.2 排氣系統部件安裝

在進行排氣系統部件安裝過程中，要注意多方面的因素。一是和其部件的自身重量、慣量和相應運動產生的尺寸產生的因素，不應該對排氣歧管或渦輪增壓器帶來過大的應力;二是選用柔性管可以使得排氣系統更好地實現振動和吸收;三是與起動電機、發電機之間要保持一定的距離，電子元件周圍溫度要低于80℃，若有需求，還可以安裝一些隔熱板;四是排氣管和燃油濾清器不能距離太近，否則會因為燃油溫度提升，導致發動機性能惡化，甚至失火;五是排氣系統一定要將路面的雨水或者其他來源水進行有效阻止，防止發動機機體、渦輪增壓器進水;六是一定要對排氣進行及時的疏散，保證其不能對空濾器的功能、系統效率以及周圍環境帶來不好的影響。

2.3 排氣消聲器

噪聲控制也是排氣消聲器的重要考慮因素，結合操作者的工作環境和舒適性來考慮，我們要加強排氣系統消聲的優化。盡管消聲器可以讓排氣背壓變大，可是可以通過消聲器來將其影響控制在最低水平。噪聲主要產生的原因，在排氣開始時，廢氣以脈沖形式從排氣門縫隙排出，并迅速從排氣口沖入大氣，形成能量很高、頻率很復雜的噪聲，包括基頻及其高次諧波的成分。

2.3.1 排氣消聲器的降噪原理

壓力波作為一種能量存在氣體中。因此，壓力波的吸收或者消耗，是消除和降低壓力波的重要部分，這也是能量降低原理，排氣消聲器就是這個原理開展工作的。通常情況下，消聲器利用吸收噪聲能量，或者利用對來的波反射，而降低其能量。阻性消聲器利用聲波進入一種能將波進行反射的軟材料進行噪音降低。而玻璃纖維作為一種吸聲材料，和其他吸聲材料類似，相對來說，沒有固定的結構和強度，受氣流影響，容易被氣流吹走。所以阻性消聲器在農業機械、工程和采礦方面應用的不多。

抗性消聲器利用壓力波反彈來將原波進行噪音降低，一旦壓力波沿著一定的振幅、頻率在特定的方向內進行傳播，那么可以同時引入一個反方向的精確復制波。兩波在相遇過程中將彼此能量抵消，振幅降低，也起到消聲的目的[1]。

2.3.2 消聲器選擇

我們在進行消聲器的選擇當中，首要考慮的因素是其設計。消音器制造商一般都會對消聲器的結構細節和具體應用進行說明。可用空間、降噪要求、外觀、費用以及可靠性等，都是影響選擇排氣消聲器選擇的主要因素。通常情況下，我們將消聲器進行尺寸的增大，是為了定容量，改善消聲效果，提高降噪能力。一般來說，增大了排氣阻力，也就增大了排氣背壓。大多數情況下，圓形的消聲器效果要好（見圖2），可以保持聲音，而不讓聲音通過扁平表面被散掉。同時，雙層卷管和雙層壁消聲器的表面也能更好地保持聲音。在特殊的場合，對叉車的要求也不一樣。比如在棉花倉庫，就需要使用滅火消聲器，這也是為了減少尾氣排放而使用催化型的消聲器。此外，常見的還有防黑煙消聲器、帶顆粒捕捉器的催化型消聲器等，我們可以根據市場需求以及具體場合來進行選擇。此外，消聲器的材料大多是鍍鋁中碳鋼或不銹鋼，這是為了防腐蝕和美觀。

2.3.3 排氣消聲器的安裝

在進行消聲器安裝的過程中，一定要考慮因為沖擊而導致的負載，出現損壞和變形的問題。當卡箍和支撐的布置遇到熱膨脹的情況下，順著適當的方向，不會給排氣系統帶來壓力，而需要注意的是，運用柔性管可以側向偏移，我們需要保證其軸向和線性是剛性的[2]。

2.3.4 排氣消聲器凈化效果

由于叉車的排量不同，因此需要選擇不一樣的TWC和DOC，在排氣消聲器中進行內置，這就是凈化消聲器，從而起到消聲和凈化的功能。在實踐中進行了測試，當排氣阻力低于1020mmH0時，凈化消聲器插入損失可以達到20dB以上，這是與當前叉車相關標準的要求是一致的，我們利用某公司的凈化消聲器和無凈化消聲器展開了試驗和對比，并將尾氣排放進行了測試，具體數據見表1、表2和表3。同時，通過試驗的不斷優化，可以判斷出性能姣好的凈化消聲器。

通過進行試驗分析，我們發現在不同的工作情況下，凈化消聲器的凈化效果并不相同。例如當處于怠速的情況下，我們可以得知HC轉化率達到27%～37%，CO轉化率可以達到72%～83%，NO轉化率達到95%～97%，利用實驗的結果我們可以得知，凈化消聲器是叉車必要的配套產品。

2.4 排氣流量的計算

確定發動機的排氣流量，是為了更好地設計排氣系統，保證排氣流量能夠在進入的空氣流量，展開計算。由此，我們可以計算出發動機的排氣流量。

具體如下：

公式中：

Q排：進口處排氣流量，L/min;

Q：進氣空氣流量，L/min;

Tb：進口處排氣溫度，℃;

ψ：取0.98;

Ts：進氣溫度，℃。

基于上述試驗和研究，我們都要高度重視防爆叉車排氣系統的要求，這樣可以有效減少廢氣排量和噪音，從而進一步改善防爆叉車發動機的運轉效率，優化排氣系統。

3 ?結語

近年來，盡管我國叉車需求不斷增加，排放要求也在不斷提高，國內發動機排放技術也得到了長足的發展，但與國際先進水平還有一定的距離。在未來的發展中，我們立足于叉車發動機的排放來看，我們將通過更為合理的設計，來加強國產防爆叉車的排氣系統功能和可靠性，實現與世界水平接軌。

參考文獻：

[1]王金博.淺談防爆內燃叉車點燃源控制及防爆性能檢驗[J]. 內燃機與配件，2018（16）：156-157.

[2]譚雅仙，李其朋，肖又強，隆康，宋德玉，陳偉強，陳歲繁，胥樂樂，李乾.翅片式防爆柴油機排氣冷卻器煙氣側數值分析[J]. 工業安全與環保，2017，43（05）：59-61，65.

[3]黃金桂.內燃叉車散熱器“開鍋”原因及其解決措施[J].內燃機與配件，2020（08）：151-152.