CN105351055B - 发动机舱排气卷吸装置及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机舱排气卷吸装置及优化方法，包括一个底座，所述的底座为一个空心的套筒，在所述套筒内套装有与其同轴的消声器过渡管，在所述套筒上竖直安装有一个引射管，引射管包括连接在一起的多段管道，多段管道沿着烟气排出的方向其直径通过一个缩口管变小，进而使其内部的烟气形成压力梯度，且各段管道的固有频率各不相同。本发明中的弧型底座，流线型过渡对气流起到一定导向作用大大减小发动机舱热空气的流动阻力。多级引射管内沿着烟气排出的方向由下而上建立一定的压力梯度，该压力梯度在发动机排气流量突然增加时能够加快引射管内气体流动的响应速度，不至出现因引射管上方气体响应过慢而发生反烟现象。

Description

发动机舱排气卷吸装置及优化方法

技术领域

本发明专利涉及工程机械节能降噪技术领域，尤其涉及一种改善工程机械热平衡及噪声控制的卷吸装置。

背景技术

节能和舒适性是当前工程机械的主要发展方向，工程机械发动机舱内可用于安装散热器的空间有限，而工程机械常处于大功率工作状态使得发动机舱温度过高，提高散热风扇的功率能够起到较好的冷却效果但势必会增加能量的消耗并增大工程机械噪声。优化发动机舱热平衡性能和节能降噪之间存在矛盾。

传统发动机舱排气管直接由机舱顶盖的圆孔伸出将发动机废气排至大气。为解决发动机舱的冷却问题，现在的工程机械采用了一种卷吸排气尾管装置，即在机舱顶盖垂直安装一与机舱空间相通的粗圆管，消声器后长排气管改为一较短的过渡管伸入圆管底部，利用排气射流的卷吸效应将部分机舱高温气体引入圆形尾管排至大气。这种卷吸装置有效利用了发动机废气的能量，在不增加其它能耗的前提下有效降低了机舱温度，对排气噪声也有一定的消弱作用。

但直圆管形的尾管由于形成了圆柱形的长空气柱，该气柱的固有频率较低并且低阶固有频率呈现近似线性变化，在发动机以某些转速运行时排气以一定的频率排出时容易产生共鸣使得排气噪声扩大，同时长圆管刚度较小在工程机械工作时产生较强的振动也会增大噪声。另一方面，排气气流在圆管底部引射能力较强，在圆管内膨胀后速度减小顶部引射能力变差，因此在变工况运行尤其在加速时易产生排气倒流到发动机舱的现象(反烟)。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种新型多级引射的卷吸装置及优化设计方法。采用该方法后能大幅度提高引射效率，增大引射流量的同时避免反烟现象,并可以有效控制卷吸尾管装置的共鸣现象。

本发明采用的技术方案如下：

一种发动机舱排气卷吸装置，包括一个底座，所述的底座为一个空心的套筒，在所述套筒内套装有与其同轴的消声器过渡管，在所述套筒上竖直安装有一个引射管，所述引射管包括连接在一起的多段管道，所述的多段管道沿着烟气排出的方向其直径通过一个缩口管变小，进而使其内部的烟气形成压力梯度，且各段管道的固有频率各不相同。多级引射管内沿着烟气排出的方向由下而上建立一定的压力梯度，该压力梯度在发动机排气流量突然增加时能够加快引射管内气体流动的响应速度，不至出现因引射管上方气体响应过慢而发生反烟现象。同时多级引射管每段管道的气柱长度较短，使得固有频率较高不易共振且各段气柱的固有频率不同，这样有效避免了整个引射管的共鸣现象。

进一步的，所述的引射管包括依次连接在一起的粗直圆管、缩口管、细直圆管和斜尾管；所述的粗直圆管、缩口管和细直圆管同轴安装，且粗直圆管安装在底座上，斜尾管位于引射管的末端，且斜尾管的中轴线与细直圆管的中轴线成钝角。

进一步的，所述的发动机排气经消声器的尾部排出后，带动周围机舱气体运动，使引射管底端气压减小，部分发动机舱气体在压差环境下进入引射管并经过一次加速，最后排入大气。

进一步的，所述的粗直圆管的直径大于细直圆管的直径。

进一步的，所述的缩口管与粗直圆管连接端的直径等于粗直圆管的直径，缩口管与细直圆管连接端的直径等于细直圆管的直径。

进一步的，所述的斜尾管出口所在的平面与底座的中轴线平行。

进一步的，所述的粗直圆管与底座同轴安装。

进一步的，所述的底座通过一个圆环形法兰安装在机舱顶盖上。

进一步的，所述的消声器过渡管的一端深入到机舱顶盖内，相对的另一端深入到引射管内。

进一步的，所述的底座为一个空心的弧型套筒，且套筒的直径沿着烟气排出的方向逐渐减小。所述发动机舱排气卷吸装置利用弧型底座，流线型过渡对气流起到一定导向作用大大减小发动机舱热空气的流动阻力。

所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，如下：

步骤1通过实验测量和发动机出厂相关参数得到发动机速度变化范围及其对应的排气流量预估引射气体的流速；

步骤2根据发动机舱热平衡性要求初步计算所需引射流量并以此确定卷吸装置的直径，根据车辆空间确定卷吸装置的长度并合理分配各级引射管的长度和形状；

步骤3利用数值计算得到卷吸装置的流动特性，具体包括湍流模型的选取和出口、入口、壁面边界条件的设定；具体如下：

计算采用k-epsilon高雷诺数湍流模型，消声器入口为质量流量入口，发动机舱入口为1bar压力入口，引射管出口采用压力出口，压力则以发动机舱气体为对象根据伯努利公式进行预估，壁面条件采用无滑移壁面进行计算。

步骤4评价其压力场和速度场是否合理，引射流量能否满足要求，能否建立一定的压力梯度；如果不满足则调整相关结构参数(如消声器过渡尾管高度、底座弧度、引射管各段长度及管径)；进行下一轮的优化计算；满足各项要求则进行下一步声学分析；

步骤5以消声器排气尾管以上的引射管空间为声腔进行声学模态分析，包括整体声腔和各段引射管空气柱的声学分析，计算时以引射管内壁为声腔边界，在对整体声腔和每段气柱进行分析时以气柱上方边界为全吸声边界、气柱下方边界为单位声压边界。通过计算得出其对应的模态频率和振型，与发动机排气频率进行对比判断是否发生重合，如有重合则通过修改模型调节响应环节的模态(包括调整各段引射管的长度分配、锥角大小)；使各段模态频率各不相同，整体声腔模态避开排气频率，从而避免共鸣。如果发动机舱排气卷吸装置的声学特性满足以上所述条件则可进行试制生产。

该优化设计方法包括：根据发动机排气流量和发动机舱热平衡要求设计并优化卷吸装置的结构参数，达到增大引射流量的目的。同时优化发动机舱排气卷吸装置的声学特性，根据发动机频率进行具体调整，减小空气模态与排气频率的重合。

该优化设计方法包括：根据发动机排气流量和发动机舱热平衡要求设定合理的引射流量，并根据发动机舱空间尺寸参数和引射速度要求选择卷吸装置的结构参数，结合数值计算进行分析评价并进行优化改进，达到增大引射流量的目的。同时优化发动机舱排气卷吸装置的声学特性，计算各段空气柱的固有频率和整体声腔的模态分布，根据发动机频率进行具体调整，减小空气模态与排气频率的重合。

本发明的有益效果如下：

发动机排气和发动机舱气体经粗直圆管进入缩口管进行加速，再由缩口管进入细直圆管和斜尾管。由于引射管使用四段形状尺寸相差较大的管道构成，其各段气柱较短，固有频率高并且各不相同，这样不论在发动机恒定速度还是突然加速的情况下都能避免共鸣的产生。另一方面，引射管的空气流动从粗直圆管经过缩口管到细直圆管的过程实现了加速，建立了较大的压力梯度，当发动机突然加速时，引射管上方的气流响应速度较快，能迅速适应排气流量的增加，避免了反烟。

附图说明

图1用于卷吸引射和控制噪声的结构图。

图2优化设计的流程部；

其中，201.消声器过渡管，202.圆环形法兰，203.底座，204.粗直圆管，205.缩口管，206.细直圆管，207.斜尾管。

具体实施方式

在本发明中，将参考附图通过实施方式对本发明提供的发动机舱排气卷吸装置进行详细的描述。应该理解，下述实施方式仅仅是示例性的，而非限制性的。

如图1所示，该发动机舱排气卷吸装置，包括过渡套管201，圆环形法兰202，底座203，粗直圆管204，缩口管205，细直圆管206和斜尾管207。多级引射管内沿着烟气排出的方向由下而上建立一定的压力梯度，该压力梯度在发动机排气流量突然增加时能够加快引射管内气体流动的响应速度，不至出现因引射管上方气体响应过慢而发生反烟现象。同时多级引射管每段管道的气柱长度较短，使得固有频率较高不易共振且各段气柱的固有频率不同，这样有效避免了整个引射管的共鸣现象。

如图1所示，卷吸装置底座203采用弧形过渡连接发动机舱和引射管，可以有效改善卷吸装置底部的空气流动，减小流动阻力。

引射管的构成由下到上分别为粗直圆管204、缩口管205、细直圆管206和斜尾管207；粗直圆管、缩口管和细直圆管同轴安装，且粗直圆管安装在底座上，斜尾管位于引射管的末端，且斜尾管的中轴线与细直圆管的中轴线成钝角。

进一步的，所述的粗直圆管的直径大于细直圆管的直径。

进一步的，所述的缩口管与粗直圆管连接端的直径等于粗直圆管的直径，缩口管与细直圆管连接端的直径等于细直圆管的直径。

进一步的，所述的斜尾管出口所在的平面与底座的中轴线平行。

进一步的，所述的粗直圆管与底座同轴安装。

进一步的，所述的底座通过一个圆环形法兰安装在机舱顶盖上。

进一步的，所述的消声器过渡管的一端深入到机舱顶盖内，相对的另一端深入到引射管内。

上述装置的工作过程如下：

发动机排气和发动机舱气体经粗直圆管204进入缩口管205进行加速，再由缩口管205进入细直圆管206和斜尾管207。由于引射管使用四段形状尺寸相差较大的管道构成，其各段气柱较短，固有频率高并且各不相同，这样不论在发动机恒定速度还是突然加速的情况下都能避免共鸣的产生。另一方面，引射管的空气流动从粗直圆管204经过缩口管205到细直圆管206的过程实现了加速，建立了较大的压力梯度，当发动机突然加速时，引射管上方的气流响应速度较快，能迅速适应排气流量的增加，避免了反烟。

本发明提供了一种用于发动机舱排气卷吸装置优化设计的方法。下面将参考图2来进行详细描述。

步骤1通过实验测量和发动机出厂相关参数得到发动机速度变化范围及其对应的排气流量；选取发动机最常用的工况进行初步设计，标定常用工况的发动机转速及其所对应的排气流量Q_V，由根据排气流量、消声器过渡尾管直径d可得出对应工况下的排气速度v。引射管壁面气流速度可视为0，发动机排气气流带动周围引射管内气体以速度v向上运动，选取v/2作为引射气体的平均流速；

步骤2根据发动机舱热平衡性要求需要一定的引射流量对机舱进行冷却，单位时间内发动机舱需要冷却的热量可以通过实验测试机舱未安装卷吸装置条件下时间T内的温度变化Δt求出：其中c_p为空气的定压比热。根据能量守恒想要维持发动机舱的温度不变，则单位时间通过引射管带出热空气所交换的热量应该和相等。设大气温度为t₀,发动机舱温度为t₁，发动机舱内空气密度为ρ，引射流量为Q,那么由此计算所需引射流量Q并根据确定卷吸装置的初始直径d₁。根据车辆空间的限制确定卷吸装置的长度，原则上卷吸装置最高位置不能超过机罩与驾驶室顶面之间高度的一半；初步确定引射管总长后合理分配各级引射管的长度和形状，主要考虑的是要建立一定的压力梯度Δp同时保证气流通畅，可根据质量守恒和伯努利公式选择各段引射管的管径，其中v₁，d₁，p₁，h₁分别表示卷吸装置底部的空气流速、管径、静压力和位置高度，v₂，d₂，p₂，h₂分别为所要设计的上方引射管的空气流速、管径、静压力和位置高度。

步骤3通过步骤2中初步确定的卷吸装置的结构参数利用数值计算得到卷吸装置的流动特性，具体包括湍流模型的选取、消声器入口、引射管出口、壁面边界条件的设定，计算采用k-epsilon高雷诺数湍流模型，消声器入口为质量流量入口，发动机舱入口为1bar压力入口，引射管出口采用压力出口，出口压力则以发动机舱气体为对象根据伯努利公式进行预估，壁面条件采用无滑移壁面进行计算。

步骤4评价卷吸装置模型的压力场和速度场是否合理，引射流量能否满足要求，能否建立一定的压力梯度；如果不满足则调整相关结构参数如消声器过渡尾管高度、底座弧度、引射管各段长度及管径等、进行下一轮的优化计算。满足各项要求则进行下一步声学分析。

步骤5如果发动机舱排气卷吸装置的流动特性满足要求，则进行所述发动机舱排气卷吸装置的声学特性分析。以消声器过渡管以上的引射管空间为声腔进行声学模态分析，包括引射管整体声腔和各段引射管空气柱的声学分析，计算时以引射管内壁为声腔边界，在对整体声腔和每段气柱进行分析时以气柱上方边界为全吸声边界、气柱下方边界为单位声压边界。利用三维建模软件画出所述空气柱的包络面，建立三维的有限元网格导入声学计算软件中进行设置，包括气体材料属性的选择，全吸声出口、单位声压入口边界条件的设置以及壁面边界条件的设置等，完成相关设置之后进行计算求解可得到所求空气柱的声学模态频率以及振型云图。通过计算所得出其各段气柱对应的模态频率和振型，与发动机排气频率进行对比判断是否发生重合，如有重合则通过修改模型调节响应环节的模态，具体包括调整各段引射管的长度分配、锥角大小等，使各段模态频率各不相同，整体声腔模态避开排气频率，从而避免共鸣。如果发动机舱排气卷吸装置的声学特性满足以上所述条件则可进行试制生产。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，所述的发动机舱排气卷吸装置，包括一个底座，所述的底座为一个空心的套筒，在所述套筒内套装有与其同轴的消声器过渡管，在所述套筒上竖直安装有一个引射管，所述引射管包括连接在一起的多段管道，所述的多段管道沿着烟气排出的方向其直径通过一个缩口管变小，进而使其内部的烟气形成压力梯度，且各段管道的固有频率各不相同；其特征在于，如下：

步骤1 通过测量发动机的速度变化范围和排气流量，得到引射气体的流速；

步骤2根据发动机舱热平衡性要求初步计算所需引射流量并以此确定卷吸装置的直径，根据车辆空间确定卷吸装置的长度并分配各级引射管的长度和形状；

步骤3 利用步骤1、2的数值得到卷吸装置的流动特性；

步骤4评价卷吸装置的压力场和速度场是否合理，引射流量能否满足要求，能否建立设定的压力梯度；如果不满足则调整步骤2中的结构参数，进行下一轮的优化计算，直到满足各项要求，进入步骤5；

步骤5以消声器过渡管以上的引射管空间为声腔进行声学模态分析，得出其对应的模态频率和振型，然后与发动机排气频率进行对比判断是否发生重合，如有重合则通过修改步骤3中的模型调节响应环节的模态，使引射管各段模态频率各不相同，整体声腔模态避开排气频率，从而避免共鸣；

步骤6若发动机舱排气卷吸装置的声学特性满足步骤5所述的条件则可进行试制生产；若不满足，则回到步骤4，继续优化。

2.如权利要求1所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的引射管包括依次连接在一起的粗直圆管、缩口管、细直圆管和斜尾管；所述的粗直圆管、缩口管和细直圆管同轴安装，且粗直圆管安装在底座上，斜尾管位于引射管的末端，且斜尾管的中轴线与细直圆管的中轴线成钝角。

3.如权利要求2所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的粗直圆管的直径大于细直圆管的直径。

4.如权利要求2所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的缩口管与粗直圆管连接端的直径等于粗直圆管的直径，缩口管与细直圆管连接端的直径等于细直圆管的直径。

5.如权利要求2所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的粗直圆管与底座同轴安装，所述的底座通过一个圆环形法兰安装在机舱顶盖上。

6.如权利要求1所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的消声器过渡管的一端深入到机舱顶盖内，相对的另一端深入到引射管内。

7.如权利要求1所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于：所述的底座为一个空心的弧型套筒，且套筒的直径沿着烟气排出的方向逐渐减小。

8.如权利要求1所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于，如下：步骤3所述的流动特性包括湍流模型的选取和卷吸装置出口、入口、壁面边界条件的设定；设定方法如下：

湍流模型采用k-epsilon高雷诺数湍流模型；消声器入口为质量流量入口，发动机舱入口为1bar压力入口，引射管出口采用压力出口，压力则以发动机舱气体为对象根据伯努利公式进行预估，壁面条件采用无滑移壁面进行计算。

9.如权利要求1所述的用于发动机舱排气卷吸装置的优化设计方法，其特征在于，所述的模态分析包括整体声腔和各段引射管空气柱的声学分析，计算时以引射管内壁为声腔边界，在对整体声腔和每段气柱进行分析时以气柱上方边界为全吸声边界、气柱下方边界为单位声压边界。