發(fā)動機艙排氣卷吸裝置及優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及工程機械節(jié)能降噪技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改善工程機械熱平衡 及噪聲控制的卷吸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 節(jié)能和舒適性是當前工程機械的主要發(fā)展方向，工程機械發(fā)動機艙內(nèi)可用于安裝 散熱器的空間有限，而工程機械常處于大功率工作狀態(tài)使得發(fā)動機艙溫度過高，提高散熱 風扇的功率能夠起到較好的冷卻效果但勢必會增加能量的消耗并增大工程機械噪聲。優(yōu)化 發(fā)動機艙熱平衡性能和節(jié)能降噪之間存在矛盾。
[0003] 傳統(tǒng)發(fā)動機艙排氣管直接由機艙頂蓋的圓孔伸出將發(fā)動機廢氣排至大氣。為解決 發(fā)動機艙的冷卻問題，現(xiàn)在的工程機械采用了一種卷吸排氣尾管裝置，即在機艙頂蓋垂直 安裝一與機艙空間相通的粗圓管，消聲器后長排氣管改為一較短的過渡管伸入圓管底部， 利用排氣射流的卷吸效應(yīng)將部分機艙高溫氣體引入圓形尾管排至大氣。這種卷吸裝置有效 利用了發(fā)動機廢氣的能量，在不增加其它能耗的前提下有效降低了機艙溫度，對排氣噪聲 也有一定的消弱作用。
[0004] 但直圓管形的尾管由于形成了圓柱形的長空氣柱，該氣柱的固有頻率較低并且低 階固有頻率呈現(xiàn)近似線性變化，在發(fā)動機以某些轉(zhuǎn)速運行時排氣以一定的頻率排出時容易 產(chǎn)生共鳴使得排氣噪聲擴大，同時長圓管剛度較小在工程機械工作時產(chǎn)生較強的振動也會 增大噪聲。另一方面，排氣氣流在圓管底部引射能力較強，在圓管內(nèi)膨脹后速度減小頂部引 射能力變差，因此在變工況運行尤其在加速時易產(chǎn)生排氣倒流到發(fā)動機艙的現(xiàn)象（反煙）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于此，本發(fā)明公開了一種新型多級引射的卷吸裝置及優(yōu)化設(shè)計方法。采用該方 法后能大幅度提高引射效率，增大引射流量的同時避免反煙現(xiàn)象，并可以有效控制卷吸尾 管裝置的共鳴現(xiàn)象。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種發(fā)動機艙排氣卷吸裝置，包括一個底座，所述的底座為一個空心的套筒，在所 述套筒內(nèi)套裝有與其同軸的消聲器過渡管，在所述套筒上豎直安裝有一個引射管，所述引 射管包括連接在一起的多段管道，所述的多段管道沿著煙氣排出的方向其直徑通過一個縮 口管變小，進而使其內(nèi)部的煙氣形成壓力梯度，且各段管道的固有頻率各不相同。多級引射 管內(nèi)沿著煙氣排出的方向由下而上建立一定的壓力梯度，該壓力梯度在發(fā)動機排氣流量突 然增加時能夠加快引射管內(nèi)氣體流動的響應(yīng)速度，不至出現(xiàn)因引射管上方氣體響應(yīng)過慢而 發(fā)生反煙現(xiàn)象。同時多級引射管每段管道的氣柱長度較短，使得固有頻率較高不易共振且 各段氣柱的固有頻率不同，這樣有效避免了整個引射管的共鳴現(xiàn)象。
[0008] 進一步的，所述的引射管包括依次連接在一起的粗直圓管、縮口管、細直圓管和斜 尾管；所述的粗直圓管、縮口管和細直圓管同軸安裝，且粗直圓管安裝在底座上，斜尾管位 于引射管的末端，且斜尾管的中軸線與細直圓管的中軸線成鈍角。
[0009] 進一步的，所述的發(fā)動機排氣經(jīng)消聲器的尾部排出后，帶動周圍機艙氣體運動，使 引射管底端氣壓減小，部分發(fā)動機艙氣體在壓差環(huán)境下進入引射管并經(jīng)過一次加速，最后 排入大氣。
[0010] 進一步的，所述的粗直圓管的直徑大于細直圓管的直徑。
[0011] 進一步的，所述的縮口管與粗直圓管連接端的直徑等于粗直圓管的直徑，縮口管 與細直圓管連接端的直徑等于細直圓管的直徑。
[0012] 進一步的，所述的斜尾管出口所在的平面與底座的中軸線平行。
[0013] 進一步的，所述的粗直圓管與底座同軸安裝。
[0014] 進一步的，所述的底座通過一個圓環(huán)形法蘭安裝在機艙頂蓋上。
[0015] 進一步的，所述的消聲器過渡管的一端深入到機艙頂蓋內(nèi)，相對的另一端深入到 引射管內(nèi)。
[0016] 進一步的，所述的底座為一個空心的弧型套筒，且套筒的直徑沿著煙氣排出的方 向逐漸減小。所述發(fā)動機艙排氣卷吸裝置利用弧型底座，流線型過渡對氣流起到一定導(dǎo)向 作用大大減小發(fā)動機艙熱空氣的流動阻力。
[0017] 所述的用于發(fā)動機艙排氣卷吸裝置的優(yōu)化設(shè)計方法，如下：
[0018] 步驟1通過實驗測量和發(fā)動機出廠相關(guān)參數(shù)得到發(fā)動機速度變化范圍及其對應(yīng) 的排氣流量預(yù)估引射氣體的流速；
[0019] 步驟2根據(jù)發(fā)動機艙熱平衡性要求初步計算所需引射流量并以此確定卷吸裝置 的直徑，根據(jù)車輛空間確定卷吸裝置的長度并合理分配各級引射管的長度和形狀；
[0020] 步驟3利用數(shù)值計算得到卷吸裝置的流動特性，具體包括湍流模型的選取和出 口、入口、壁面邊界條件的設(shè)定；具體如下：
[0021] 計算采用k-epsilon高雷諾數(shù)端流模型，消聲器入口為質(zhì)量流量入口，發(fā)動機艙 入口為Ibar壓力入口，引射管出口采用壓力出口，壓力則以發(fā)動機艙氣體為對象根據(jù)伯努 利公式進行預(yù)估，壁面條件采用無滑移壁面進行計算。
[0022] 步驟4評價其壓力場和速度場是否合理，引射流量能否滿足要求，能否建立一定 的壓力梯度；如果不滿足則調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)（如消聲器過渡尾管高度、底座弧度、引射管 各段長度及管徑）；進行下一輪的優(yōu)化計算；滿足各項要求則進行下一步聲學分析；
[0023] 步驟5以消聲器排氣尾管以上的引射管空間為聲腔進行聲學模態(tài)分析，包括整體 聲腔和各段引射管空氣柱的聲學分析，計算時以引射管內(nèi)壁為聲腔邊界，在對整體聲腔和 每段氣柱進行分析時以氣柱上方邊界為全吸聲邊界、氣柱下方邊界為單位聲壓邊界。通過 計算得出其對應(yīng)的模態(tài)頻率和振型，與發(fā)動機排氣頻率進行對比判斷是否發(fā)生重合，如有 重合則通過修改模型調(diào)節(jié)響應(yīng)環(huán)節(jié)的模態(tài)（包括調(diào)整各段引射管的長度分配、錐角大?。?； 使各段模態(tài)頻率各不相同，整體聲腔模態(tài)避開排氣頻率，從而避免共鳴。如果發(fā)動機艙排氣 卷吸裝置的聲學特性滿足以上所述條件則可進行試制生產(chǎn)。
[0024] 該優(yōu)化設(shè)計方法包括：根據(jù)發(fā)動機排氣流量和發(fā)動機艙熱平衡要求設(shè)計并優(yōu)化卷 吸裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，達到增大引射流量的目的。同時優(yōu)化發(fā)動機艙排氣卷吸裝置的聲學特 性，根據(jù)發(fā)動機頻率進行具體調(diào)整，減小空氣模態(tài)與排氣頻率的重合。
[0025] 該優(yōu)化設(shè)計方法包括：根據(jù)發(fā)動機排氣流量和發(fā)動機艙熱平衡要求設(shè)定合理的引 射流量，并根據(jù)發(fā)動機艙空間尺寸參數(shù)和引射速度要求選擇卷吸裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合數(shù) 值計算進行分析評價并進行優(yōu)化改進，達到增大引射流量的目的。同時優(yōu)化發(fā)動機艙排氣 卷吸裝置的聲學特性，計算各段空氣柱的固有頻率和整體聲腔的模態(tài)分布，根據(jù)發(fā)動機頻 率進行具體調(diào)整，減小空氣模態(tài)與排氣頻率的重合。
[0026] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0027] 發(fā)動機排氣和發(fā)動機艙氣體經(jīng)粗直圓管進入縮口管進行加速，再由縮口管進入細 直圓管和斜尾管。由于引射管使用四段形狀尺寸相差較大的管道構(gòu)成，其各段氣柱較短，固 有頻率高并且各不相同，這樣不論在發(fā)動機恒定速度還是突然加速的情況下都能避免共鳴 的產(chǎn)生。另一方面，引射管的空氣流動從粗直圓管經(jīng)過縮口管到細直圓管的過程實現(xiàn)了加 速，建立了較大的壓力梯度，當發(fā)動機突然加速時，引射管上方的氣流響應(yīng)速度較快，能迅 速適應(yīng)排氣流量的增加，避免了反煙。
【附圖說明】
[0028] 圖1用于卷吸引射和控制噪聲的結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖2優(yōu)化設(shè)計的流程部；
[0030] 其中，201.消聲器過渡管，202.圓環(huán)形法蘭，203.底座，204.粗直圓管，205.縮口 管，206.細直圓管，207.斜尾管。
【具體實施方式】
[0031] 在本發(fā)明中，將參考附圖通過實施方式對本發(fā)明提供的發(fā)動機艙排氣卷吸裝置進 行詳細的描述。應(yīng)該理解，下述實施方式僅僅是示例性的，而非限制性的。
[0032] 如圖1所示，該發(fā)動機艙排氣卷吸裝置，包括過渡套管201，圓環(huán)形法蘭202,底座 203,粗直圓管204,縮口管205,細直圓管206和斜尾管207。多級引射管內(nèi)沿著煙氣排出的 方向由下而上建立一定的壓力梯度，該壓力梯度在發(fā)動機排氣流量突然增加時能夠加快引 射管內(nèi)氣體流動的響應(yīng)速度，不至出現(xiàn)因引射管上方氣體響應(yīng)過慢而發(fā)生反煙現(xiàn)象。同時 多級引射管每段管道的氣柱長度較短，使得固有頻率較高不易共振且各段氣柱的固有頻率 不同，這樣有效避免了整個引射管的共鳴現(xiàn)象。
[0033] 如圖1所示，卷吸裝置底座203采用弧形過渡連接發(fā)動機艙和引射管，可以有效改 善卷吸裝置底部的空氣流動，減小流動阻力。
[0034] 引射管的構(gòu)成由下到上分別為粗直圓管204、縮口管205、細直圓管206和斜尾管 207 ;粗直圓管、縮口管和細直圓管同軸安裝，且粗直圓管安裝在底座上，斜尾管位于引射管 的末端，且斜尾管的中軸線與細直圓管的中軸線成鈍角。
[0035] 進一步的，所述的粗直圓管的直徑大于細直圓管的直徑。
[0036] 進一步的，所述的縮口管與粗直圓管連接端的直徑等于粗直圓管的直徑，縮口管 與細直圓管連接端的直徑等于細直圓管的直徑。
[0037] 進一步的，所述的斜尾管出口所在的平面與底座的中軸線平行。
[0038] 進一步的，所述的粗直