试制样车的尾气收集系统设计

林建涛，耿一飞

（上汽通用汽车样车开发中心，上海 201206）

前言

车辆装配完成后,需要进行电器刷新检查，DVT测试，常规质量检查等试验。试验过程中车辆频繁启动，尾气排放量很大，尾气不能有效排出车间，会严重影响员工健康。与产品车相比，试制阶段的车辆，发动机标定完成率不足 80%，排放的尾气质量远不能满足国标要求，尾气对车间的空气质量影响更大。为了满足车间的环境质量验收标准，必须合理设计车间尾气收集系统，选择合适的风机，合理安排排风管道走向，选择有效的吸嘴形式。

1 试制样车尾气收集装置的型式设计

工厂车辆生产采用的是流水线作业，车辆随着流水线一起流动。车辆在线car start质量检查需要启动车辆，该工位尾气抽排设备需要自动随车前行，并能自动循环。目前流水线采用的主流尾排设备是自动循环滑轨式尾气抽排系统、自动循环自跟随升降小车式尾气抽排系统。试制中心的车辆电器检查在固定工位完成，采用的主流尾气抽排设备是棘轮卷筒式样车尾排系统、手动滑轨式尾气抽排系统，本文以棘轮卷筒式样车尾排系统为例，介绍尾排系统的设计方法。

2 样车尾气收集装置的风机吸风量设计

根据样车的尾气排放量和尾气收集装置的漏风率来选择风机的吸风量。

2.1 样车尾气排放量计算

单辆样车尾气排放量按以下计算公式：

式中：Q 为排气管口排出的尾气量m3/h，A为燃油消耗量kg/h，k 为空燃比，ρ为空气密度，空气温度120摄氏度，空气密度 0.9kg/m3。

2.2 样车尾气收集风机的吸风量需求

由于尾气收集装置在吸收尾气的同时，也吸入一部分空气。对于卷筒式尾气收集装置，根据经验推算，样车尾气收集风机的吸风量要保留20%以上的余量：

式中：D为风机的吸风量m3/h，n 为车辆的数量

以 3.0L排量的汽油车为例，在2500RPM时，尾气温度120摄氏度，排放量为302m3/h，每个卷筒的设计吸风量不小于360m3/h，车间内有10台车辆需要同时发动，因此风机的总吸风量不小于3600m3/h。

3 样车尾气收集装置的风机风压设计

3.1 尾气收集装置系统的压力损失分析

风机的风压应当能满足系统所有压力损失的需求。尾气收集装置管路由卷筒抽气软管、顶部排风管道、管路阀门和三通等连接而成的。

流体在管道内流动时，由于同管壁发生摩擦和流体本身的内部摩擦，会产生压力损失。这种压力损失称为沿程阻力损失或摩擦阻力损失。

流体经过弯头、三通、变径管、阀门等构件时，流动状态会发生急剧改变，即出现转向、加速、撞击、旋涡、变形等情况，这同样会造成压力损失。这种压力损失称为局部损失。

如果管路不在同一水平面上，则管路爬高时，流体压强的一部分要用于克服重力。这种压力损失称为位置损失，对于气体而言，可以忽略。

管路出口流速大于进口时，流体的一部分压力能要转化为动能，这种压力损失称为出口速度损失。

当位置损失和出口速度损失的比例小于总损失的5%时，可忽略。

按照管网特性，尾排系统的压力损失的总损失为：

式中：R为尾排系统的总压损Pa，Rm为单位长度上的摩擦阻力Pa/m，L为直线管道的长度m，Rz 为局部阻力损失Pa，ρj为排气口处的空气密度kg/m3，v为尾气在管道中的流速m/s。

式中：λ为摩擦阻力系数 Ns2⁄m4，D 为圆管直径 m，ρ为气体的密度kg/m3，v为尾气在管道中的流速m/s。

式中：ε为管件局部阻力系数

系统中各部件静阻力的大小与其阻力系数成正比，与其所通过的气流平均速度的平方成正比。

3.2 尾气收集装置系统的压力损失

为了便于计算，从系统的组成结构角度出发，将系统的总压力损失分为卷筒设备的压力损失和顶部风道管路的压力损失，两者分别进行计算。

3.2.1 卷筒式抽排设备的压力损失计算

以卷筒软管的直径100mm，软管长度7.5m为例，软管采用聚酯编织布基质，查表可得其摩擦阻力系数为λ=0.068。

图1是软管长度为7.5m时，压力损失与软管直径和管径流量的关系图。

图1 压力损失与软管直径和管径流量的关系图

3.2.2 顶部风管管路的布局原则

（1）为避免风管断面的突然变化，引起局部阻力压力损失过大，用渐扩（渐缩）管代替突然扩大（或突然缩小），渐扩（渐缩）管的中心角宜≤15度，三通支管与干管的夹角不宜超过30度，如图2所示。

图2 三通管和变径管的设计准则

（2）减少风管的转弯，转弯时，用弧管代替直弯管。弧弯管的曲率半径不宜过小，一般曲率半径R等于圆形弯头直径的2.5倍，如图3所示。

图3 弯管的设计准则

3.2.3 顶部风管管路压损计算

顶部管路分为主管路和支管路。主管路采用直径 600mm的圆形支管，管路长度120米，存在5个弯头；支管路采用直径200mm的圆形支管，管路长度5米，存在2个弯头，1个三通。

主管路：采用碳钢管道，查表可得其摩擦阻力系数为λ=0.022；以90度弯头为例，每个局部阻力损失系数为ε=0.75，5个弯头的阻力系数为3.75。

支管路：采用碳钢管道，查表可得其摩擦阻力系数为λ=0.022；以90度弯头为例，每个局部阻力损失系数为ε=0.75，2个弯头的阻力系数为1.5，1个三通的阻力系数ε=1。

4 样车尾气收集装置的吸嘴设计

与工厂相比，试制车间最大的特点是车型种类繁多，排气管管口形式多种多样。新开发的立式可调节吸嘴能适应多种车型，有效提升吸风效果。

图4 立式吸嘴和快速接口设计

立式可调节吸嘴具备以下特点：

（1）吸嘴为喇叭口形状，可以包络排气管口；前段连接排气管口，后端与尾排软管连接。

（2）吸嘴的主要材料是橡胶，避免排气管嘴对车辆后保的损伤。

（3）吸嘴固定在立式调节架上，可以调整高度和角度。

为了方便卷筒软管的收放和保持卷筒软管收起时的美观，立式吸嘴和软管之间采用快速接头连接，使用时可以快速连接，用完后可以快速拆卸如图4所示。

5 结论

车间尾气抽排系统的设计，以车间内车辆运行工况为基础（同时运行车辆的数量、车辆运行的时间等），结合车间的布局特点（屋顶结构等），合理选择风机的吸风量和风压，合理安排排风管道走向，以最小的投入，获得最大的吸风效果。

本文以试制车间的尾气为例，总结了车间尾气抽排装置设计的经验，对其它车间的建设有着重要的参考意义。