广州地铁JY280轨道车排气系统改造的背压设计

任健伟

（广州地铁集团有限公司，广州 510000）

广州地铁JY280轨道车为湖北襄樊金鹰生产的重型轨道车，该车排气系统设计在临近司机室机器间正下方。在隧道作业时，机车排放的废气被隧道墙壁弹射后，除部分被排至大气外，仍有一部分涌入司机室内，对驾驶员操作造成影响，降低了驾驶安全性和舒适性。

柴油机排气背压对发动机经济性、动力性以及声音品质有着重要影响，是开发设计过程中参考的重要指标之一。因此，合理的排气背压对发动机的性能至关重要。本文将对JY280轨道车排气系统改造中背压设计进行计算说明，以验证改造可行性。

1 排气背压

排气背压指发动机排气的阻力压力。当排气背压升高时，发动机排气不畅，从而影响发动机的动力性。一般情况下，排气背压变大，直接导致发动机燃油消耗率上升，发动机经济性能恶化，与此同时，发动机动力性变差，尾气排放质量也会由于缸内燃烧的不充分加剧恶化。

2 排气系统改造方案选取

改造排烟管的位置需要在排气管路中增加管路，从而改变排气系统的背压。其改造后排气背压应在发动机设计排气背压最大允许范围内。排气管路一般包括增压器出口与消声器之间的管路以及消声器之后的管路，其主要功用是将发动机产生的废气安全并顺畅地排至车外，如改变消音器位置，有两种方案。

方案1：直接调整消音器方向，将其由垂直机车方向调整为和机车方向水平。该方案不需增加排气管路，故对排气背压无影响，但是如此调整，一方面消音器较大，车底空间有限，无法放置；另一方面，对日常检修影响较大，干涉附近部件的检修，启机后废气还会弥漫整个车底，检修人员无法在启机时检查车底状态，长期下去废气会将车底部件熏黑，不利于车底状态检查，故此方案不可行。

方案2：在消音器后增压弯管，该方案需改变排气管路，增加弯管后，排气系统背压应在发动机允许最大背压范围内，另外，增加弯管后，需满足车辆限界尺寸。如以上两点均满足，则此方案可行。

3 改造背压设计方法

在进行排气系统设计计算时，可先作这样的设定：机组标准配置的波纹避震节、工业型消声器等同于同管径的直管，弯头折算成直管当量长度，把以上三项和连接直管的长度相加后用排气管背压的计算公式计算背压，可使整个计算简化，并不失计算精度。

排气系统的总阻力值满足以下关系：

式中，P排为排气系统背压；Pg为排气管背压；Px为消音器的背压；P标为系统允许的最大背压值。

排气管背压的计算公式为：

式中，Lg为排气直管当量总长度，m；Q为废气流量，m3/s；Dg为排气管直径，m；T为排气温度，℃。

排气管、消音器、波纹管、消音器的截面积不同，故根据截面积的不同将其分为三段进行计算，即P1、P2和P3。通过测量排气系统结构尺寸，笔者得到以下数据，如表1所示。

表1 排气系统结构尺寸

由表1可得，L1=0.26m，D1=0.11m；L2=0.18+0.39+0.35=0.92m，D2=0.13m；L3=0.9m，D3=0.5m。

通过查询3126B柴油机技术参数，笔者得到以下参数，如表2所示。

表2 3126B柴油机技术参数

选取发动机额定转速2400r/min下的排气总温度和排气流量，由表2可知：T=476.3℃；Q=53.4m3/min=0.89m3/s。

将以上数据代入式（2）可得：

P1=107.76Pa≈ 0.11kPa；P2=165.92Pa≈ 0.17kPa；P消=P3=0.19Pa=0.00019kPa；P排=P1+P2+P3=0.28kPa。

经查询，该发动机排气背压最大允许值为6.7kPa，机车线排气系统背压值远远小于发动机排气背压的最大允许值。

4 改造排气系统背压设计计算

根据发动机排气管路以下设计原则，考虑选取120°、直径0.13m的弯头连接在消音器出口。

排气管的布置和转弯，应使排气尽可能顺畅：管的中心转弯半径一般应不小于（1.5～2）D，其折弯成型角应大于90°，以大于120°为宜。整个系统的管道转弯数应尽可能少，一般情况下不多于6个。排气尾管段的方向应与水平面纵向下弯5°～10°，出口方向应尽可能指向地面的车身投影的纵向中线。

排气管道的材料：排气管道和消声器一般应采用SUH403、SUH409等耐热不锈钢板、管，以保证排气系统的外观并具有较长的使用寿命。排气管壁厚一般应大于1.2mm，双层管≥2×0.5mm。

排气管道与周围相邻件间的间隙（考虑到制作误差10mm）：两件间无相对运动的（如固定在一起的），其设计间隙不得小于15mm。

对于需要隔离热源或怕热的相邻件：其设计间隙一般不得小于50mm。

排气管道间的连接结构方式和密封：应以结构简单，布置、制造、安装、维修方便，重量轻、成本低，有足够的结构刚度，密封性好为原则。连接结构的方式可以采用平面双孔（或三孔）法兰、平面密封垫片或凹坑加平面密封圈的方式，也可以采用球面或锥面密封，用单侧活动法兰等结构。

排气系统支撑悬挂装置的布置设计：当消声器的尾管伸出消声器体的长度超过300mm时，应在尾口附近适当位置设置尾管支撑悬挂副。

假设选取弯头当量长度L弯为0.5m，D弯为0.13m（同消音器前管路管径一致）。

增加弯头后，系统总背压为：

经过计算，增压弯头后排气系统背压仍在规定范围内。

背压改变后发动机影响：图1给出了外特性工况时不同转速下柴油机性能随排气背压的变化规律.根据资料及实验结果可知，随着排气背压的增大，柴油机各项性能指标均出现不停程度的变化。

图1 1900r/min时排气背压对性能的影响

通过以上计算可知，柴油机背压在改造前为0.28kPa，改造后为0.37kPa，增长了32.14%，由表2可知，在转速达到1900r/min时，扭矩下降量降低不足2%，燃油消耗率、排气温度升高率略有上升，但根据3126b柴油机资料，各个参数均在标准以内，且改造后背压值仍在柴油机背压标准6.7kPa以内，因此改造可行，可现场施工。

5 结语

随着人们对机车驾驶环境要求的提升，柴油机性能效率要求提升，排气系统背压计算设计仍将是现阶段优化改造的重要因素之一。它对于降低发动机油耗、降低废气排放及提高动力性能都有很大的潜力，同时也使机车在考虑改造成本的同时，最大程度上增强驾驶的舒适性和安全性。广州地铁大部分工程车仍采用内燃机作为机车动力，因此背压计算具有较为广泛的推广性和实用性。