CN108446514B - 自卸车进排气系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

自卸车进排气系统设计方法，包括以下步骤：进气系统设计：收集柴油机进气系统的参数，选择空气滤清器的参数，进气管路设计，排气系统设计，根据计算得出的进排气系统的管道压损值，与柴油机厂家规定的进排气要求进行比对，通过软件进行理论分析，通过上述步骤可以通过理论计算而满足实际使用需求。

Description

自卸车进排气系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种自卸车进排气系统设计方法。
背景技术
在自卸车中，进排气系统是柴油机的呼吸系统，要求吸进新鲜空气，排出废气，从而细分为进气系统和排气系统。
进气系统的功能是为柴油机提供清洁、干燥、温度适当的空气进行燃烧，以最大限度的降低柴油机磨损并保持最佳的柴油机性能，在合理的保养间隔内有效的过滤灰尘，并保持进气阻力在规定限制内。
排气系统的功能是以尽可能小的排气阻力和噪声，将气缸内的废气排到大气中。
因此对自卸车进排气系统的设计是及其重要的。
发明内容
本发明涉及一种可以通过理论计算而满足实际使用需求的自卸车进排气系统设计方法。
为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：
一、进气系统设计：
A1、收集柴油机进气系统的参数，包括柴油机额定功率、柴油机额定转速、柴油机排量、柴油机燃油消耗率、柴油机进气流量、柴油机进气阻力限值、柴油机最小容灰度；
A2、选择空气滤清器的参数：
通过第一经验公式，得出空气滤清器的第一额定空气体积流量：
Q＝P×g×α×A/(1000×γ)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；P为柴油机额定功率， kW；g为柴油机额定功率时的燃油消耗率，g/kWh；α为额定功率时过量空气系数；A为燃烧1kg燃油所需的理论空气量；γ为空气密度，kg/m3；
通过第二经验公式，得出空气滤清器的第二额定空气体积流量：
Q＝N×V×130％×60/(1000×2)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；N为柴油机额定功率时的转速，r/min；V为柴油机排量；
通过第三经验公式，得出空气滤清器的第三额定空气体积流量：
Q＝0.0015×P×3600；
在上述三个经验公式中选出空气滤清器的最大额定空气体积流量，然后得出空气滤清器所需的最大流量：
Qmax＝Q×1.05；
A3、进气管路设计：
进气管路压力损失计算：对发动机工作时的进气管路内流场进行仿真，计算管路内的压力损失，确保进气系统的压力损失满足柴油机系统的进气要求；
二、排气系统设计：
B1、消音器选择：根据柴油机要求排气系统排气阻力开选择消音器；
B2、排气管路压力损失计算：对发动机工作时的排气管路内流场进行仿真，计算管路内的压力损失，确保排气系统的压力损失满足柴油机系统的排气要求；
三、根据计算得出的进排气系统的管道压损值，与柴油机厂家规定的进排气要求进行比对。
作为本发明的进一步改进，在步骤A3中：在ANSYS CFD软件中对发动机工作时的进气管路内流场进行仿真时，确定仿真参数，分别包括进气流量、进气温度、进气压力、海拔、空气黏度，因为进气管路的入口与空气滤清器相连，根据空气滤清器的压力损失来确定进气管路的压力入口边界条件值Pλ，进气管路的出口与柴油机涡轮增压器相连，进气管路出口采用速度出口边界条件：ν＝L/S,L为柴油机进气流量，S为进气管路出口截面积，ν为进气管路出口气流速度；在ANSYS CFD软件中对进气管路的压力场绘制云图，从云图中得出进气管路的压损，通过与空气滤清器的压损值的叠加来与柴油机进气阻力要求值进行比对。
作为本发明的进一步改进，在步骤B2中：在ANSYS CFD软件中对发动机工作时的出气管路内流场进行仿真时，确定仿真参数，包括排气流量、排气温度、排气压力、海拔、空气黏度，因为排气管路的入口与柴油机相连，得出排气管路的入口速度，排气管路的出口与消音器相连，根据消音器压力损失值，得出排气管的出口压力值；在ANSYS CFD软件中对排气管路的压力场绘制云图，从云图中得出排气管路的压损，通过与消音器的压损值的叠加来与柴油机进气阻力要求值进行比对。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
图1为自卸车进排气系统的结构图。
图2为本发明的左进气管压力场云图。
图3为本发明的右进气管压力场云图。
图4为本发明的左排气管压力场云图。
图5为本发明的右排气管压力场云图。
具体实施方式
图1为自卸车进排气系统，包括柴油机1，在柴油机1上连接有进气管路2、排气管路3，在进气管路2的一端连接有空气滤清器4，在排气管路3的一端连接有排气消声器5。
本发明包括以下步骤：
一、进气系统设计：
A1、收集柴油机进气系统的参数，参数如下表：
Figure BDA0001617256510000041
A2、选择空气滤清器的参数：
通过第一经验公式，得出空气滤清器的第一额定空气体积流量：
Q＝P×g×α×A/(1000×γ)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；P为柴油机额定功率， kW；g为柴油机额定功率时的燃油消耗率，g/kWh；α为额定功率时过量空气系数(增压发动机取2.0，增压中冷发动机取2.1)；A为燃烧1kg 燃油所需的理论空气量(柴油为14.3m3/kg)；γ为空气密度，kg/m3；
将具体数值带入第一经验公式，
Q＝P×g×α×A/(1000×γ)
＝1193X206X2.1X14.3/(1000X1.293)＝5707.74m3/h；
通过第二经验公式，得出空气滤清器的第二额定空气体积流量：
Q＝N×V×130％×60/(1000×2)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；N为柴油机额定功率时的转速，r/min；V为柴油机排量；
将具体数值带入到第二经验公式，
Q＝N×V×130％×60/(1000×2)
＝1800X50.3X130％X60/(1000X2)＝3531.06m3/h；
通过第三经验公式，得出空气滤清器的第三额定空气体积流量：
Q＝0.0015×P×3600；
将具体数值带入到第三经验公式，
Q＝0.0015×P×3600
＝0.0015X1193X3600＝6442.2m3/h
考虑到空气滤清器使用一段时间后，进气阻力会增加，计算时需增加5％的储备。通过以上三种经验公式计算结果对比，空气滤清器额定空气体积流量最大为6442.2m3/h；
Qmax＝Q×1.05＝6442.2X1.05＝6764.31m3/h。
通过对比以上三种经验公式的结果，空气滤清器选用流量大于 6764.31m3/h即可，在本进气系统中，空气滤清器选择两个唐纳森空气滤清器，型号为SS G200086，在2kPa阻力下，其流量为3502m3/h，其双倍值7002m3/h，大于6764.31m3/h，所选空气滤清器满足柴油机要求，设计选型合理可靠。
考虑到矿山环境恶劣，选择两个2kPa阻力情况下，进气量为 7002m3/h空滤器，满足柴油机进气要求。
A3、进气管路设计：
进气系统通过空气滤清器为柴油机提供清洁的空气，防止自卸车在矿山运行时灰尘进入发动机内部引起磨损。高清洁度的进气意味着较高的进气阻力。进气阻力过大会导致进入发动机的空气减少，从而引起排烟增加、功率下降、向冷却系统散热量增加、发动机温度升高等问题。因此进气系统的压力损失应尽可能小，管路应该尽量简单，管径不能过小，弯头尽可能的少。
进气管路压力损失计算：在ANSYS CFD软件中对发动机工作时的进气管路内流场进行仿真，确定仿真参数，如下表
进气流量 1908L/s
进气温度 -25～60度
进气压力 100kPa
因为进气管路的入口与空气滤清器相连，由空气滤清器的压力损失为2kPa，根据空气滤清器的压力损失来确定进气管路的压力入口边界条件值Pλ，进气管路的出口与柴油机涡轮增压器相连，进气管路出口采用速度出口边界条件：ν＝L/S,L为柴油机进气流量，S为进气管路出口截面积，ν为进气管路出口气流速度，带入具体数值得出ν＝L/S＝75.4m/s；由于自卸车运行环境复杂多变，气体真实状态难以确定，为了简化计算，取压损最大时的气体状态参数作定值计算。因此计算取海拔为0，温度为 -25度时的密度来计算，即取ρ＝1.365kg/m3；取温度为50度时的黏度来计算，即μ＝1.96e-5PaS。
在ANSYS CFD软件中对进气管路的压力场绘制云图，图2为左进气管压力场云图，图3为右进气管压力场云图，从云图中得出，压力损失主要产生于弯管、变径管以及出口部分的较细管路中。最终左排气管出口面平均压力为-2787Pa，右排气管出口面平均压力为-2787Pa。入口面平均压力均为-2000Pa，因此左右进气管的压损分别为787Pa以及753Pa。
左右进气管路压损分别为787Pa和753Pa，空滤器压损值为2000Pa，因此左右管路系统的进气阻力分别为2787Pa以及2753Pa。柴油机进气阻力要求值为空滤器干净时不超过3kPa，空滤器污染时不超过6kPa。因此进气系统设计符合要求。
二、排气系统设计：
B1、消音器选择：柴油机要求排气系统排气阻力限制为10kPa。选择 EX15-200消音器，产生的背压为0.75kPa，选择两个消音器，则每路排气管的阻力应小于9.25kPa；
B2、排气管路压力损失计算：
在ANSYS CFD软件中对发动机工作时的出气管路内流场进行仿真时，确定仿真参数，发动机采用双排气系统，有两根排气管道，总排气流量为4096L/s，排气温度为393度，由于废气的成分复杂，难以估算其黏度，这里黏度比照空气来取值，取空气393度时的黏度为μ＝4.2e-5PaS。内燃机废气的相对分子质量一般为28-29，这里取29，也就是说与空气相当，因此密度按照空气来取，根据气体状态取密度为ρ＝0.523kg/m3，因为排气管路的入口与柴油机相连，得出排气管路的入口速度，排气管路的出口与消音器相连，根据消音器压力损失值，得出排气管的出口压力值；在ANSYS CFD软件中对排气管路的压力场绘制云图，图4为左排气管压力场云图，图5为右排气管压力场云图，最终右排气管入口面平均压力为6406Pa，出口面平均压力为1650Pa，因此右排气管压力损失为 4756Pa；左排气管入口面平均压力为6812Pa，出口面平均压力为1666Pa，因此左排气管压力损失为5146Pa。
对发动机工作时的排气管路内流场进行仿真，计算管路内的压力损失，确保排气系统的压力损失满足柴油机系统的排气要求；
三、根据计算得出的进排气系统的管道压损值，最终右排气管入口面平均压力为6406Pa，出口面平均压力为1650Pa，因此右排气管压力损失为4756Pa；左排气管入口面平均压力为6812Pa，出口面平均压力为 1666Pa，因此左排气管压力损失为5146Pa。

Claims (3)

1.一种自卸车进排气系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、进气系统设计：
A1、收集柴油机进气系统的参数，包括柴油机额定功率、柴油机额定转速、柴油机排量、柴油机燃油消耗率、柴油机进气流量、柴油机进气阻力限值、柴油机最小容灰度；
A2、选择空气滤清器的参数：
通过第一经验公式，得出空气滤清器的第一额定空气体积流量：
Q＝P×g×α×A/(1000×γ)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；P为柴油机额定功率，kW；g为柴油机额定功率时的燃油消耗率，g/kWh；α为额定功率时过量空气系数；A为燃烧1kg燃油所需的理论空气量；γ为空气密度，kg/m3；通过第二经验公式，得出空气滤清器的第二额定空气体积流量：
Q＝N×V×130％×60/(1000×2)；
上述公式中：Q为额定空气体积流量，m3/h；N为柴油机额定功率时的转速，r/min；V为柴油机排量；
通过第三经验公式，得出空气滤清器的第三额定空气体积流量：
Q＝0.0015×P×3600；
在上述三个经验公式中选出空气滤清器的最大额定空气体积流量，然后得出空气滤清器所需的最大流量：
Qmax＝Q×1.05；
A3、进气管路设计：
进气管路压力损失计算：对发动机工作时的进气管路内流场进行仿真，计算管路内的压力损失，确保进气系统的压力损失满足柴油机系统的进气要求；
二、排气系统设计：
B1、消音器选择：根据柴油机要求排气系统排气阻力开选择消音器；
B2、排气管路压力损失计算：对发动机工作时的排气管路内流场进行仿真，计算管路内的压力损失，确保排气系统的压力损失满足柴油机系统的排气要求；
三、根据计算得出的进排气系统的管道压损值，与柴油机厂家规定的进排气要求进行比对。
2.按权利要求1所述的自卸车进排气系统设计方法，其特征在于：在步骤A3中：在ANSYSCFD软件中对发动机工作时的进气管路内流场进行仿真时，确定仿真参数，分别包括进气流量、进气温度、进气压力、海拔、空气黏度，因为进气管路的入口与空气滤清器相连，根据空气滤清器的压力损失来确定进气管路的压力入口边界条件值Pλ，进气管路的出口与柴油机涡轮增压器相连，进气管路出口采用速度出口边界条件：ν＝L/S,L为柴油机进气流量，S为进气管路出口截面积，ν为进气管路出口气流速度；在ANSYS CFD软件中对进气管路的压力场绘制云图，从云图中得出进气管路的压损，通过与空气滤清器的压损值的叠加来与柴油机进气阻力要求值进行比对。
3.按权利要求1所述的自卸车进排气系统设计方法，其特征在于：在步骤B2中：在ANSYSCFD软件中对发动机工作时的出气管路内流场进行仿真时，确定仿真参数，包括排气流量、排气温度、排气压力、海拔、空气黏度，因为排气管路的入口与柴油机相连，得出排气管路的入口速度，排气管路的出口与消音器相连，根据消音器压力损失值，得出排气管的出口压力值；在ANSYS CFD软件中对排气管路的压力场绘制云图，从云图中得出排气管路的压损，通过与消音器的压损值的叠加来与柴油机进气阻力要求值进行比对。
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