CN104329151B - 一种用于工程机械的排气尾管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工程机械的排气尾管，该排气尾管包括外管、内管和吸声材料层，外管套装在内管的外侧，且外管和内管固定连接，吸声材料层填充在外管和内管之间；内管为波纹管，且内管的壁面上设有通孔；外管的底端连接在发动机的壁面上，且发动机的排气管位于内管中。该排气尾管可以同时解决工程机械排气噪声问题以及提高动力舱散热能力。

Description

一种用于工程机械的排气尾管

技术领域

发明涉及工程机械技术领域，具体来说，涉及一种用于工程机械的排气尾管。

背景技术

着工程机械行业的快速发展及人们对环境要求的日益增高，客户对工程机械的低噪声设计提出了很高的要求，世界各国对工程机械的噪声排放限值也越来越苛刻。排气噪声是工程机械噪声中主要的噪声源，目前工程机械普遍采用在发动机后连接排气消声器的方式实现排气噪声的消除。受制于动力舱空间容量及发动机压力损失等要求，消声器体积不能过于庞大，同时结构也无法过于复杂，这些原因导致单一的消声器已无法完全满足当今客户对工程机械低噪声的要求。

外，由于工程机械功率大、热产出高，动力舱散热系统设计一直是工程机械行业较关注的问题。随着独立散热在工程机械中的广泛运用，将动力舱分为包含冷却风扇的散热舱和不包含风扇的发动机舱两个部分，其中发动机舱内由于受到消声器、发动机等热源的影响，且没有冷却风扇为其强制冷却，导致发动机舱侧温度普遍偏高。

程机械排气尾管套在排气管外，位于在动力舱外侧与动力舱相通，起到保证尾气顺利排出动力舱外的作用。通常设计排气尾管时并未考虑其是否具有消声效果。因此，市场上需要一种既实现消声又考虑其散热能力的排气尾管。

发明内容

术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于工程机械的排气尾管，可以同时解决工程机械排气噪声问题以及提高动力舱散热能力。

术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于工程机械的排气尾管，该排气尾管包括外管、内管和吸声材料层，外管套装在内管的外侧，且外管和内管固定连接，吸声材料层填充在外管和内管之间；内管为波纹管，且内管的壁面上设有通孔；外管的底端连接在发动机的壁面上，且发动机的排气管位于内管中。

进一步，所述的内管内的通道根据Bezier曲线设置，内管内的通道中左侧Bezier曲线满足式(1)：

$P\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{(1-t)}^2{P}_A+2t(1-t)P_B+t^2{P}_C\\ {(1-t)}^2{P}_C+2t(1-t)P_D+t^2{P}_E\end{array}\right.$ 式(1)

式(1)中：P(t)表示通道中左侧轮廓曲线表达式，t表示曲线表达式中的变量，0≤t≤1，A、B、C、D和E点为通道中左侧轮廓上的控制点，P_A为A点的位置向量，P_B为B点的位置向量，P_C为C点的位置向量，P_D为D点的位置向量，P_E为E点的位置向量；

内管内的通道中右侧Bezier曲线满足式(2)：

$P\left(s\right)=\left\{\begin{array}{c}{(1-s)}^2{P}_F+2s(1-s)P_G+s^2{P}_H\\ {(1-s)}^2{P}_H+2s(1-s)P_I+s^2{P}_J\end{array}\right.$ 式(2)

式(2)中：P(s)表示通道中右侧轮廓曲线表达式，s表示曲线表达式中的变量，0≤s≤1，F、G、H、I和J点为通道中右侧轮廓上的控制点，P_F为F点的位置向量，P_G为G点的位置向量，P_H为H点的位置向量，P_I为I点的位置向量，P_J为J点的位置向量。

进一步，所述的排气管伸入内管的长度为5—10cm。

进一步，所述的内管最小直径处的直径大于或等于排气管直径的2倍。

进一步，所述的内管为螺旋式波纹管。

进一步，所述的通孔并排设置在内管的壁面上，且通孔直径不相等，通孔的直径为2—8mm。

进一步，所述的内管与外管之间的间距5-10mm。

进一步，所述的吸声材料层由玻璃纤维制成。

进一步，所述的外管的底端为喇叭形扩口。

益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.利用样条曲线设计工程机械排气尾管形状，更符合空气动力学原理，能够确保空气在尾管内的顺畅流通。优选的尾管直径以及排气管伸入位置等参数，能够保证在排气管排气时产生极大的背压。得益于排气背压和尾管的空气动力学设计，促使大量动力舱内热空气通过排气尾管排出舱外，实现舱内的强制对流换热，提高动力舱散热效率。

2.通过排气尾管外管、设有通孔的内管以及中间填充的吸声材料层，使排气尾管成为一带有阻抗特性的消声器。内管的螺旋式波纹管设计，能够在保证空气顺畅流通的前提下，增大空气与内管的接触面积，提高其消声效果。不等直径小孔布置，能够在较宽的频带上都有较好的吸声效果。利用赫姆霍兹共振腔原理设计内外管间隙距离，以及优化选择的吸声材料，能够针对排气噪声的中低频段进行有效地消除。

附图说明

图1是本发明的结构剖面图。

图2是图1中K处的局部放大图。

图3是本发明中内管轮廓曲线示意图。

图4为本发明试验中，传统结构的排气尾管流场分布图。

图5是本发明试验中，本发明结构的排气尾管流场分布图。

图中有：1.排气管，2.外管，3.机罩，4.内管，5.小孔，6.吸声材料。

具体实施方案：

下面结合附图，对本发明的排气尾管的结构作进一步的详细说明。

参见图1和图2，本发明的用于工程机械的排气尾管，包括外管2、内管4和吸声材料层6。作为优选，所述的吸声材料层6由玻璃纤维制成。外管2套装在内管4的外侧，且外管2和内管4固定连接，吸声材料层6填充在外管2和内管4之间。内管4为波纹管，且内管4的壁面上设有通孔5。通过在内管4与外管2之间填充吸声材料层6，以及内管4壁面上的通孔5，使排气尾管成为一消声器。外管2的底端连接在发动机舱3的壁面上，且发动机的排气管1位于内管4中。

发明的排气尾管利用样条曲线设计排气管轮廓，使其各部分都能实现圆滑过渡，保证气流顺畅地流通。如图3所示，本发明排气尾管中内管4内的通道根据Bezier(翻译中文为贝塞尔)曲线设置，内管4内的通道中左侧Bezier曲线满足式(1)：

$P\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{(1-t)}^2{P}_A+2t(1-t)P_B+t^2{P}_C\\ {(1-t)}^2{P}_C+2t(1-t)P_D+t^2{P}_E\end{array}\right.$ 式(1)

式(1)中：P(t)表示通道中左侧轮廓曲线表达式，t表示曲线表达式中的变量，0≤t≤1，A、B、C、D和E点为通道中左侧轮廓上的控制点。A、B、C、D和E各控制点的确定是依照传统形状的排气尾管来确定的。传统形状的排气尾管包括下部喇叭形扩口、上部斜管，以及连接在下部喇叭形扩口和上部斜管之间的直管。A点为下部喇叭形扩口左下部与发动机机罩相连的端点，B点为下部喇叭形扩口与直管连接点，C点为直管中间位置点，D点为直管与上部斜管连接点，E点为上部斜管外端点。P_A为A点的位置向量，P_B为B点的位置向量，P_C为C点的位置向量，P_D为D点的位置向量，P_E为E点的位置向量。

内管4内的通道中右侧Bezier曲线满足式(2)：

$P\left(s\right)=\left\{\begin{array}{c}{(1-s)}^2{P}_F+2s(1-s)P_G+s^2{P}_H\\ {(1-s)}^2{P}_H+2s(1-s)P_I+s^2{P}_J\end{array}\right.$ 式(2)

式(2)中：P(s)表示通道中右侧轮廓曲线表达式。s表示曲线表达式中的变量，0≤s≤1，F、G、H、I和J点为通道中右侧轮廓上的控制点。F、G、H、I和J各控制点的确定是依照传统形状的排气尾管来确定的。传统形状的排气尾管包括下部喇叭形扩口、上部斜管，以及连接在下部喇叭形扩口和上部斜管之间的直管。F点为下部喇叭形扩口右下部与发动机机罩相连的端点，G点为下部喇叭形扩口与直管连接点，H点为直管中间位置点，I点为直管与上部斜管连接点，J点为上部斜管外端点。P_F为F点的位置向量，P_G为G点的位置向量，P_H为H点的位置向量，P_I为I点的位置向量，P_J为J点的位置向量。

作为优选，所述的排气管1伸入内管4的长度为5—10cm。较传统结构排气管插入内管长度过长，本发明排气管的伸入长度较短，能够增加排气背压，提高动力舱内排出空气的流量。

作为优选，所述的内管4最小直径处的直径大于或等于排气管1直径的2倍。相较于传统型排气管与内管之间间隙较小，导致内管气流流通不顺畅，本发明确保内管4与排气管之间存在足够大的间隙，保证气流通畅，提高舱内排出的流量。

作为优选，所述的内管4为螺旋式波纹管。螺旋式波纹管能够最大程度的减少气流与内管壁之间的阻力，确保气流地顺畅流通。

作为优选，所述的通孔5并排设置在内管4的壁面上，且通孔5直径不相等，通孔5的直径为2—8mm。针对排气噪声的宽频特性，在内管4上设置不等直径的小孔5，使之能在较宽的频带上都有较好的消声效果，

为优选，所述的内管4与外管2之间的间距5-10mm。内管4与外管2之间的间距设置5—10cm，可有效地消除主要集中在中低频段的排气噪声。

作为优选，所述的外管2的底端为喇叭形扩口。外管2的底端设置为喇叭形扩口，使得通过排气管1在排气时，能够在喇叭形扩口附近产生大量的背压，使动力舱内空气通过排气尾管排出舱外，达到强制冷却的效果。

面通过仿真实验，来论证本发明的排气尾管具有良好的散热性能。仿真实验采用商用CFD软件FLUENT仿真软件。仿真对象为：传统结构的排气尾管和本发明结构的排气尾管。传统结构的排气尾管由底部喇叭形扩口，中间直管以及上端斜管组成，各部件之间过渡不圆滑。本发明结构的排气尾管，尾管轮廓通过样条曲线设计成型，各段均满足圆滑过渡，且尾管必须直径不小于排气管直径的2倍。

真结果参见图4和图5。为排气尾管工作时的流场示意图。高速的发动机尾气从排气管处排出，同时在排气尾管下端扩口附近产生较大的背压，使得动力舱内大量空气通过排气尾管流出动力舱，从而达到冷却动力舱的目的。图4为传统结构的排气尾管流场分布图。从图4中可以看出：在排气尾管上端的倾斜位置处，气流存在明显的涡流，这将严重影响发动机舱内空气的顺利排出，从而影响排气尾管的冷却效率。图5为本发明结构的排气尾管流场分布图。从图5中可以看出：通过曲线设计的尾管轮廓，能够保证气流地顺畅流通，涡流区域相比传统形式的排气尾管明显减小。从图4和图5的仿真结果还可以看出：若排气尾气以300g/s从排气管排出时，传统结构的排气尾管从舱内带走的空气为68g/s，而本发明结构的排气尾管从舱内带走的空气为106g/s，提升了56％。因此，从仿真实验得出，采用本发明结构的排气尾管相比传统结构的排气尾管，气流流通更加通畅，能够起到更好的为舱内散热的效果。

上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于工程机械的排气尾管，其特征在于：该排气尾管包括外管(2)、内管(4)和吸声材料层(6)，外管(2)套装在内管(4)的外侧，且外管(2)和内管(4)固定连接，吸声材料层(6)填充在外管(2)和内管(4)之间；内管(4)为波纹管，且内管(4)的壁面上设有通孔(5)；外管(2)的底端连接在发动机舱(3)的壁面上，且发动机的排气管(1)位于内管(4)中；

所述的内管(4)内的通道根据Bezier曲线设置，内管(4)内的通道中左侧Bezier曲线满足式(1)：

式(1)中：P(t)表示通道中左侧轮廓曲线表达式，t表示曲线表达式中的变量，0≤t≤1，A、B、C、D和E点为通道中左侧轮廓上的控制点，P_A为A点的位置向量，P_B为B点的位置向量，P_C为C点的位置向量，P_D为D点的位置向量，P_E为E点的位置向量；

内管(4)内的通道中右侧Bezier曲线满足式(2)：

式(2)中：P(s)表示通道中右侧轮廓曲线表达式，s表示曲线表达式中的变量，0≤s≤1，F、G、H、I和J点为通道中右侧轮廓上的控制点，P_F为F点的位置向量，P_G为G点的位置向量，P_H为H点的位置向量，P_I为I点的位置向量，P_J为J点的位置向量。

2.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的排气管(1)伸入内管(4)的长度为5—10cm。

3.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的内管(4)最小直径处的直径大于或等于排气管(1)直径的2倍。

4.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的内管(4)为螺旋式波纹管。

5.根据权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的通孔(5)并排设置在内管(4)的壁面上，且通孔(5)直径不相等，通孔(5)的直径为2—8mm。

6.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的内管(4)与外管(2)之间的间距5-10mm。

7.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的吸声材料层(6)由玻璃纤维制成。

8.按照权利要求1所述的用于工程机械的排气尾管，其特征在于：所述的外管(2)的底端为喇叭形扩口。