内燃叉车排气装置设计

张祥　白迎春　田润泽　叶晓宇　柳健　王全

摘要：内燃叉车排气装置包括后处理系统和相应的排气管路，设计合理的排气装置，有利于提升发动机的使用寿命和整机使用性能。设计一种基于颗粒捕集器后处理装置的防水型高排气管，以避免雨水流入尾气后处理系统，引起载体炸裂的风险。

关键词：内燃叉车；排气装置；后处理系统；高排气管

1   研究背景

叉车尾气排放污染物主要包括碳氢化合物、氮氧化合物和碳氧化合物[1]。内燃叉车排气装置包括后处理系统和相应的排气管路，设计合理的排气装置，有利于提高发动机的使用寿命和整机使用性能

叉车的排气方式一般分为中位排气和高排气两种。对于高排气来讲，后处理装置的排气口垂直向上，高排气管可以通过一根直管连接在后处理装置上。但对于中位排气来说，连接管必须折弯才能与后处理装置相连接。这给在有限的空间内布置排气管增加了难度，且弯曲的管路会对排气阻力产生不利影响。若高排气管设计不合理，在大雨天或车辆冲洗时，水会经过高排气管流到后处理内部。水进入后处理装置后，会引发机体炸裂风险。为此设计一种基于颗粒捕集器后处理装置的防水型高排气管，以避免雨水流入尾气后处理系统非常必要。

2   后处理系统分类

为满足内燃叉车排放升级要求，排气系统后处理系统一般采用催化式排气净化器，将尾气中烃类化合物、一氧化碳等有害物质，通过氧化催化的方式转化成无害物排放至大气中[2]。常见后处理系统有氧化催化器、三元催化器和颗粒捕捉器。

2.1   氧化催化器

氧化催化器（DOC）表面具有特殊的载体结构，当叉车尾气中有害物质通过蜂窝状薄壁多孔通道时，利用二次空气喷射装置为氧化反应提供氧气。其内部的铂、铑和钯等金属作为催化剂发生氧化反应转化成碳水化合物，实现尾气中污染物排放量的降低。DOC工作原理如圖1所示。

2.2   三元催化器

三元催化器（TWC）是串联在排气系统的后处理装置，由金属外壳、载体、催化剂和金属网组成的，能够将叉车发动机尾气有害的三种物质碳氧、碳氢和氮氧化合物转化为无害物质二氧化碳、水和氮气，使尾气得到净化。TWC典型结构如图2所示。

2.3   颗粒捕集器

颗粒捕集器（DPF）是降低内燃叉车尾气中碳化物、氮化物和有害颗粒物等污染物排放最有效的方法。该技术主要是使尾气通过布置在排气管中的过滤材料，通过排气动能或者外部的高压气体倒吹，将颗粒物从 DPF上吹落或者摇晃剥离，实现DPF再生。燃烧器加热再生DPF在过滤器的入口处设置燃烧器，喷入柴油和二次空气，燃烧后引燃微粒进行再生，利用碰撞、吸附、拦截或重力沉降等方式，将有害颗粒物从气流中分离出来。DPF典型结构如图3所示。

考虑到后处理系统维护时需要从车体上拆下，本文设计一种后处理系统结构，如图4所示。它将前后压差传感器布置在DPF腔体上，避免后处理维护时，频繁拆卸传感器而导致传感器损坏。

3   防水型高排气管设计

常见排气管口的形状有直筒式、倾斜式和斜切式。内燃叉车发动机尾气排出后，由于温度降低形成的水汽集聚在管口处，会造成排气管冒黑烟。如果遇到下雨天气，采用直筒式和倾斜式排气管易导致雨水进入排气管，进而对发动机产生不良影响[3]。考虑到以上不良影响，本文将排气管口设计为斜切式。

内燃叉车排气尾管温度高达600℃，如果将排气尾管设计于平衡重之下，高温尾气吹扫平衡重，会引发落尘现象，极大影响叉车的美观，甚至导致发动机排气管阻塞[4]。内燃叉车一般存放在室外，若高排气管设计不合理，如果遇到雨天或者车辆冲洗，雨水会经过高排气管流到后处理内部。水进入DPF载体，则会引起机体炸裂。

尾气排气装置设计需要考虑以下影响因素：一是避免外界雨水顺着排气管壁流入后处理装置、发动机。二是为有效防止排气管出现“冒汗”现象，应避免排气管口竖直向下。三是排气管与后处理系统和发动机设置安全距离，避免高温对电子器件产生干扰[5]。

基于以上问题，笔者研发出一种防水型高排气管，即将尾气排气管设计位于平衡重之上，避免雨水进入尾气后处理装置。在管壁中设计散热孔，将排气管口朝向斜下方，以便排气过程中热量的疏散。防水型高排气管结构如图5所示。

排气管1的外侧下部，安装用于与叉车固定的固定支架6，下端安装用于与叉车排气系统连接的连接件7。隔热套管2上端安装连接环3，其位于所述排气管1的外侧，安装在固定支架6的上端，防水导流弯管4安装在连接环3的上端，排气管1的出气口位于防水导流弯管4的内部。排气管1的上端为倾斜的斜面，排气管1上端的斜面位于靠近防水导流弯管4上方的一侧，排气管1上端的斜面顶端高于防水导流弯管4的水平部内侧底端。防水导流弯管4的水平部出气口，为方向向下的斜面。隔热套管2的侧壁处均匀开设有排水孔5。连接环3下端与所述隔热套管2上端通过焊接固定，上端与所述防水导流弯管4下端通过焊接固定。

为了解决现有排气管难布置、易造成排气阻力大的问题，本文提出了一种新的设计思路，将后处理系统的排气腔设计成可旋转结构，以满足中位排气、高排气管路走向。将所设计的防水型高排气管与后处理系统、排气管组装到一起，形成排气装置，如图6所示。

4   结束语

本文以某型内燃叉车为研究对象，针对内燃叉车尾气排气管设计的缺陷，设计一种防水型高排气管的排气装置。该防水型高排气管能够优化排气装置，有效解决发动机排气热吹平衡重和轮胎的问题。

参考文献

[1] 赵卫国，陈仕胜，陈静贤.内燃叉车的新型排气尾管[J].工程机械与维修，2014（5）：171.

[2] 钟传浩.叉车进、排气系统的优化设计[J].机械工程师，2016（1）：136-137.

[3] 卫会敏.内燃叉车排气消声器结构分析及改进[J].企业技术开发，2016，35（18）：20-21.

[4] 游红武，王志刚，李明辉，等.内燃叉车排气消声器内流场及温度场数值分析[J].浙江工业大学学报，2017，45（2）：142-146.

[5] 张永根.防爆叉车发动机排气系统结构分析与设计[J].内燃机与配件，2020（13）：17-18.