汽油機(jī)汽車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造工藝簡析

吳熙平

(清華大學(xué)蘇州汽車研究院(相城),江蘇蘇州 215134)

汽油機(jī)汽車排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造工藝簡析

吳熙平

(清華大學(xué)蘇州汽車研究院(相城),江蘇蘇州 215134)

隨著我國汽車整車三包周期及客戶對(duì)汽車品質(zhì)的要求不斷提升。對(duì)開發(fā)整車及排氣系統(tǒng)NVH性能要求更高,也對(duì)排氣系統(tǒng)供應(yīng)商的設(shè)計(jì)開發(fā)及生產(chǎn)制造能力提出了更高的要求。本文通過對(duì)汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制作經(jīng)驗(yàn)以及汽車生產(chǎn)企業(yè)的要求,從開發(fā)設(shè)計(jì)輸入信息要求、設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)、布置及材料等綜合進(jìn)行簡單介紹。

汽車排氣系統(tǒng)

汽車排氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的主要部件，它的主要作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣順暢的通過排氣系統(tǒng)，低噪聲、低排放的排入大氣。它的性能好壞直接影響廢氣排放指標(biāo)、整車的舒適性及可操控性。是影響整車的加速性能、排放、NVH等主要因素。

1 汽車排氣系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)主要包括:熱端的排氣歧管總成、催化器總成及冷端的排氣管總成、消聲器總成等主要部件。

排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入信息:(1)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排量、規(guī)格參數(shù):用于排氣管管徑及消聲器溶劑的設(shè)計(jì)計(jì)算。(2)車身、底盤、油箱等數(shù)模:用于確定排氣系統(tǒng)管路走向、消聲器的布置及吊掛位置的初步設(shè)置。(3)發(fā)動(dòng)機(jī)原始廢氣排放值:用于初步確定三元催化轉(zhuǎn)化器的貴金屬的含量及配方比例。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻譜及發(fā)動(dòng)機(jī)GT主模型:用于排氣系統(tǒng)消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 主要排氣系統(tǒng)部件總成解析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管

排氣歧管的功能作用是:把發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口排出的高溫廢氣。使其氣體流動(dòng)均勻的匯集到同一管中。

設(shè)計(jì)需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各主要參數(shù)及模型，采用一維熱力學(xué)計(jì)算選取合適的排氣歧管管徑、各個(gè)支管管長、總管的管徑、各個(gè)氣缸的歧管如何連接等。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間較為緊湊，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)布置的空間合理布置歧管的走向及后法蘭位置、角度等。

滿足各缸之間的排氣順暢及均勻性、排氣背壓小、避免各缸排氣相互干擾，無明顯的回流及渦流現(xiàn)象等，為減少各缸排氣干擾，如4缸發(fā)動(dòng)機(jī)通常點(diǎn)火次序1、3、4、2，可設(shè)計(jì)成1-4和2-3支管交匯后入總管或采用相同等長度支管交匯后入總管等，這樣的歧管比較復(fù)雜，基本不存在各缸相互影響的問題。

由于其緊靠發(fā)動(dòng)機(jī)出口，工作溫度在900度以上，為確保其在汽車長期行駛的各種惡劣情況下，排氣歧管不出現(xiàn)漏氣、斷裂的情況。須選用耐高溫性能強(qiáng)的金屬材料.歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)之間需要設(shè)計(jì)支架支撐連接，降低歧管的震動(dòng)避免發(fā)生斷裂?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)倉及歧管周圍的溫度場(chǎng)要求?？稍谂艢馄绻艿纳舷聝蓚?cè)設(shè)計(jì)隔熱罩，采用鍍鋁薄板或成型鋁薄板。

主要材料:灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高鎳球鐵等，主要工藝采用:整體毛坯鑄造工藝，機(jī)械精加工兩端法蘭平面.鑄鐵的歧管結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，性能一般。

另采用SUS429、SUS441鐵素體不銹鋼材料的薄板及管式歧管。

主要加工工藝有:零件制作采用歧管、法蘭均沖壓:薄板蚌殼式歧管與薄板法蘭:薄板法蘭、管連接工藝，歧管總成采用308L、409Ti焊絲的焊接工藝:不銹鋼歧管性能好，設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

2.2 三元催化轉(zhuǎn)化器

三元催化轉(zhuǎn)化器主要由:前后法蘭、連接管、催化器本體組成，其核心部件為催化器本體，主要由:殼體襯墊載體觸媒.三部分組成.根據(jù)殼體封裝形式主要分為:蚌殼式、旋壓式、扣蓋式等。載體可分為:金屬載體、陶瓷載體。

三元催化轉(zhuǎn)化器是汽車重要的環(huán)保法規(guī)件，其作用是載體觸媒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣二次燃燒，促使碳?xì)浠衔?NC)、一氧化碳(CO)及氮氧化合物(NOX)三種主要有害氣體與載體涂覆的貴金屬鉑:銠:鈀(Pt:Pd:Rh)進(jìn)行氧化、還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化生成:H2O水(蒸汽)及二氧化碳CO2等物質(zhì).其性能指標(biāo)主要有:轉(zhuǎn)化效率、起燃溫度等。

催化器載體觸媒需要根據(jù)執(zhí)行的法規(guī)排放標(biāo)準(zhǔn)值、發(fā)動(dòng)機(jī)的排量及初始排放值(CO、NC、NOX)等信息設(shè)計(jì)載體規(guī)格及容積、觸媒貴金屬涂敷比例、涂敷量等，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及實(shí)車路試等方法對(duì)觸媒新鮮、老化狀態(tài)做相關(guān)的排放實(shí)驗(yàn)。

催化器端錐的錐度(≤45°)及形狀對(duì)氣體流動(dòng)均勻性、排氣背壓及催化器反應(yīng)效果有著至關(guān)重要的影響。

現(xiàn)階段的國IV、國V，階段，催化器的位置緊鄰排氣歧管.多采用雙級(jí)催化器，觸媒為:600、400目陶瓷載體，殼體材料主要為:前級(jí)SUS441及后級(jí)SUH409L，襯墊采用3M:1101型(非膨脹型)、1443+100型(包邊型)及100型。

2.3 排氣系統(tǒng)冷端:排氣管、消聲器

排氣系統(tǒng)冷端主要由排氣連接管總成、消聲器總成組成。是汽車主要降低排氣系統(tǒng)排放噪音的功能及法規(guī)件，需要根據(jù)汽車底盤空間位置、發(fā)動(dòng)機(jī)排量及發(fā)動(dòng)機(jī)頻譜等輸入信息，初步設(shè)計(jì)排氣連接管、消聲器的布置、數(shù)量、容積及仿真設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)性形式。消聲器的主要結(jié)構(gòu)工藝形式有:蚌殼式(咬口、焊接)、卷點(diǎn)式、縱咬盒蓋式、筒體旋壓式等。為了降低排氣系統(tǒng)振動(dòng)噪聲及與行駛中的整車的產(chǎn)生共振，通常會(huì)在消聲器筒體及隔板強(qiáng)度較弱部位增加加強(qiáng)筋。為降低消聲器輻射噪聲，可在消聲器筒體外包裹吸音棉及隔熱罩。須通過采用消聲室結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及實(shí)車路試等方法對(duì)排氣系統(tǒng)冷端做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及權(quán)威機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

排氣系統(tǒng)冷端較長，通過車底盤、橫梁、油箱、傳動(dòng)軸等部件。為了避免汽車運(yùn)行過程中排氣系統(tǒng)與之發(fā)生干涉及碰撞。通常設(shè)計(jì)布置排氣系統(tǒng)與這些部件的位置間距不小于50mm。且汽車滿載時(shí)排氣系統(tǒng)最低位置處距地面高度需大于整車的最小通過高度，為了減少震動(dòng)傳遞及制造誤差避免后端處發(fā)生干涉。設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)在冷端排氣前法蘭采用:球面墊圈彈簧緊固鏈接或靠近前端法蘭處加撓性節(jié)鏈接的方式。

排氣系統(tǒng)的主要材料:管多采用;SUH409L、SUS436鐵素體不銹鋼。

消聲器筒體多采用;SUH409L、SUS436L、SUS439L鐵素體不銹鋼，高端車型采用:SUS301、SUS304奧氏體不銹鋼。

隨著催化器凈化效率的提升，汽車使用過程中生成的酸性溶液不斷增多，且容易積存于消聲器中，不易排出，通常在設(shè)計(jì)之中會(huì)考慮采用出氣管口位置盡可能地布置在靠近低位或采用一小段虹吸管的方式以及在消聲器筒體或端蓋最低處設(shè)計(jì)直徑較小的放水孔等方法將減少積水。

綜上所述:排氣系統(tǒng)需要根據(jù)整車發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車底盤等信息。采用合理的結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì).選用適合的耐腐蝕好的材料，已達(dá)到整車排放及使用壽命的要求。

[1]任文堂.工業(yè)噪聲與振動(dòng)技術(shù).

[2]吳幫玉.汽車消聲器設(shè)計(jì)流程.