汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼材料的應(yīng)用

胡光輝，丁吉民，左煒晨，張利

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車排氣系統(tǒng)不銹鋼材料的應(yīng)用

胡光輝，丁吉民，左煒晨，張利

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根據(jù)汽車排氣系統(tǒng)位置、功能的不同，有區(qū)別的選擇不銹鋼的材料，使排氣系統(tǒng)各段能夠達(dá)到汽車 “三包”使用壽命的要求。在設(shè)計時，平衡性能與成本的要素，靈活選用的不銹鋼材料，既能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，又能為輕量化做出貢獻(xiàn)。

排氣系統(tǒng)；不銹鋼；消聲器；汽車“三包”

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-120-03

引言

雖然新能源汽車是當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口，引各個互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛搶灘登陸，但搭載汽油，柴油的傳統(tǒng)動力發(fā)動機的汽車依然是汽車市場的主角，這些搭載傳統(tǒng)動力發(fā)動機的排氣系統(tǒng)仍然要面對耐高溫、耐鹽腐蝕、耐氧化性的挑戰(zhàn)。一臺汽車的排氣系統(tǒng)用不銹鋼28kg左右，而最新汽車“三包”法規(guī)中要求排氣系統(tǒng)使用壽命提高到3年或行駛6萬公里；因此在汽車設(shè)計中，排氣系統(tǒng)如何選擇、使用不同類型的不銹鋼，在越來越嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求和汽車輕量化的今天就顯的非常重要。

1、汽車排氣系統(tǒng)材料

圖1 排氣系統(tǒng)各段組成Fig.1 Automotive exhaust system components

汽車排氣系統(tǒng)主要分為8段（見圖1），分別為排氣歧管、前段管、波紋管、催化轉(zhuǎn)化器、排氣管路、輔消聲器、主消聲器和排氣尾管。按照其所處的位置和使用性能，每一段對不銹鋼材料都有不同的要求。一方面國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)在中國的全面實施，GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)也已經(jīng)發(fā)布，北京等個別城市明確要求2018.01.01日施行國Ⅵ（京Ⅵ）；另一方面，新汽車“三包”規(guī)定提高了使用壽命；因此，對排氣系統(tǒng)用不銹鋼的高溫耐腐蝕性能提出了更高的要求，下圖是典型排氣系統(tǒng)主要組成部分。

1.1 排氣歧管

排氣歧管通過鋼片密封墊與發(fā)動機相連，是排氣系統(tǒng)中溫度最高的部件，汽車高速行駛時排氣溫度高達(dá)1000℃。以往采用鑄鐵制作；隨著汽車輕量化的要求，現(xiàn)在主流汽車歧管管道采用厚度2.0mm且抗氧化和抗熱疲勞的不銹鋼管，并在鐵素體不銹鋼中加Nb 和Mo來改善熱疲勞特性，進(jìn)一步提高抗氧化及在使用環(huán)境中其材料組織的穩(wěn)定性。如果汽車歧管中排溫過高，建議使用Ni基合金和奧氏體不銹鋼制作排氣歧管。排氣歧管現(xiàn)主要推薦使用SUS 441和SUS 444等高性能鋼材。

圖2 排氣歧管Fig.2 Exhaust manifold

1.2 波紋管總成

波紋管總成位于排氣歧管與催化器之間，其功能是緩解發(fā)動機的振動，具備抗高溫疲勞耐久性，抗腐蝕性能；其形狀為波紋狀，常見結(jié)構(gòu)為三層，波紋壁厚0.15mm～0.2mm，從內(nèi)向外依次為：內(nèi)襯管（纏繞管）、波紋管和不銹鋼網(wǎng)或帶，汽車上因控制的NVH性能需要，在波紋管兩側(cè)設(shè)計設(shè)計避免波紋管總成與排氣系統(tǒng)共振的網(wǎng)狀套，所以，也有4～5層結(jié)構(gòu)的波紋管總成。因波紋管在制作時需要在厚度僅為0.2mm的不銹鋼管上進(jìn)行焊接及大變形量的鼓凸加工，所以通常采用奧氏體不繡鋼，汽車“三包”后，SUS304是常用的材料，如需要更好的耐久性能，推薦用SUS321或SUS316Ti等。

表1 波紋管總成材料Tab.1 Flexible pipe materials

1.3 催化轉(zhuǎn)化器TWC（殼體、載體、涂層）

汽車排放的有害物質(zhì)，主要有一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）、鉛化合物、硫化合物等。目前最有效的治理方法是對汽車尾氣在排放前進(jìn)行催化凈化，其基本原理是通過催化劑的作用，把汽車尾氣中的CO、HC、NO 同時氧化-還原為二氧化碳（CO）、氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），故稱為三元催化器（TWC：Three-way catalytic converter）。

載體：三效催化器的載體主要有顆粒載體、陶瓷和金屬蜂窩載體三種，隨著三效催化劑對貴金屬分散度、熱穩(wěn)定性的要求不斷提高，汽車尾氣凈化主要使用堇青石蜂窩陶瓷載體（2MgO.2Al2O3.5SiO2）?？捉孛鏋檎叫?，六邊形蜂巢截面的載體也已經(jīng)研發(fā)成功，載體有600cpsi/4mil（每平方英寸600目，壁厚為4英寸，下同），400 cpsi /6 mil,600 cpsi/3 mil,900 cpsi /2 mil等規(guī)格。

涂層（活性材料）：起催化作用的活性材料均勻涂覆在載體孔壁的表面上，是加速汽車排氣氧化—還原反應(yīng)，提高凈化效率的根本因素，其關(guān)鍵在于配方及其涂覆工藝?；钚圆牧弦话銥镻t（鉑），Pd（鈀），銠（Rh）三種貴金屬，同時還有助催化劑成分的銫（Se）鑭（La）鐠（Pr）釹（Nd）等稀土成分。貴金屬材料以極細(xì)的顆粒狀散布在以γ-AL2O3為主的疏松的催化劑涂層表面，而涂層則涂在作為催化劑骨架的蜂窩狀陶瓷載體上。排氣系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器中使用按一定比例的Pt, Pd, Rh貴金屬配方，具體的貴金屬使用量要根據(jù)發(fā)動機原始排放情況、催化器布置型式及布置位置等決定。隨著600 cpsi /3mil，900cpsi/2mil等規(guī)格的薄壁載體的研發(fā)，高標(biāo)準(zhǔn)汽油的大面積推廣和催化器廠家分層涂敷等技術(shù)的使用，載體中貴金屬的使用呈下降趨勢，催化器的成本也呈下降趨勢。

貴金屬催化劑中：CO/HC被氧化，NO被還原；銠、鈀：將NO還原成氮；鈀、鉑：將 CO/HC氧化成水和二氧化碳；通過催化劑的作用，三元催化器內(nèi)發(fā)生以下反應(yīng)：

氮氧化物（NOX）的還原：

一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）的氧化：

從以上反應(yīng)可知：汽車尾氣中催化凈化過程主要發(fā)生的是氧化-還原反應(yīng)。Shlatter等根據(jù)汽車尾氣發(fā)生的氧化-還原反應(yīng)，定義了Shlatter常數(shù)“S”：

S的倒數(shù)為R，稱為氧化-還原率，當(dāng)R= 1時，CO、HC、NO反應(yīng)到達(dá)化學(xué)計量比（Stoichiometry of reaction）即等量點，此時，空燃比V（空氣）/V（燃料）（A/F）= 14.7, CO、NO的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最優(yōu)化，三種尾氣都有很高的轉(zhuǎn)化率，催化劑轉(zhuǎn)化效率隨空燃比的變化稱為催化劑的空燃比特性。

三效催化器是蜂窩型載體、氧化鋁涂層、貴金屬活性組份、稀土氧化物等各種助劑構(gòu)成的復(fù)雜體系，各組成功能不同，相互協(xié)調(diào)，使催化劑具有良好的性能和較長的使用壽命。

排氣系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器（TWC）安裝在排氣歧管內(nèi)或排氣歧管后的排氣管路上，由于載體的正常工作溫度在850℃～950℃，因此提高催化器的使用壽命一直是一項重要課題。目前，汽車上廣泛采用的催化劑載體是用堇青石制成的蜂窩陶瓷載體。對于催化器的封裝殼體，由于總是工作在高溫、熱沖擊和高溫耐鹽腐蝕性條件下，所以主要使用SUS 439、SUS436材料。

表2 三元催化器材料Tab.2 Three-way catalytic main materials

1.4 消聲器殼體

消聲器一般布置在排氣系統(tǒng)末端，也叫冷端，主要是降低尾氣噪音。在汽車長時間行駛時，尾氣溫度達(dá)200℃左右，汽油燃燒后產(chǎn)生的水以水蒸氣存在尾氣中，消聲器不會產(chǎn)生凝結(jié)液；而在低溫或停車后，排氣管溫度降低，消聲器內(nèi)會聚集大量積水；凝結(jié)液中含有、、CI-有機酸，經(jīng)過化驗?zāi)Y(jié)液pH值為8～9，呈弱堿性，這種凝結(jié)液對不銹鋼消聲器有腐蝕作用。將搜集的凝結(jié)液加熱后，pH值隨加熱溫度的升高而降低；高速連續(xù)行駛的車，因其消聲器內(nèi)、CI-逐漸濃縮而誘發(fā)局部腐蝕。我們在選擇消聲器的鋼材時，重點是要選擇抗腐蝕性能優(yōu)異的不銹鋼，延長消聲器的使用壽命，同時兼顧殼體成型的延展性；SUH 409、SUS 409L、SUS 430等不銹鋼因抗腐蝕性能差，無法滿足腐蝕要求，汽車“三包”規(guī)定后主要使用SUS 439、SUS436 和SUS441作為消聲器殼體主要材料，材料中Cr的含量越來越高，提高防腐能力。

總之，在節(jié)能環(huán)保和汽車輕量化的滿足的基礎(chǔ)上，排氣系統(tǒng)要解決高溫下的材料防腐能力和耐熱疲勞性能；下表是排氣系統(tǒng)材料使用總結(jié)：

表3 排氣系統(tǒng)組成和主要材料Tab.3 Exhaust system components and main materials

2、材料的實際應(yīng)用

2.1 消聲器殼體材料的靈活應(yīng)用

如果消聲器殼體全部使用含Cr量高的材料，防銹蝕性當(dāng)然會很好，但是成本也會成倍增加；在實際設(shè)計中，我們可以根據(jù)零部件功能、作用靈活選用。比如，消聲器布置成上下殼體結(jié)構(gòu)而不是由一塊板卷成圓筒狀；每一塊根據(jù)功能合理使用不同規(guī)格的材料，即下殼體用料比上殼體好，內(nèi)層比外層好：

表4 某消聲器殼體材料組合Tab.3 Muffler shells materials

從以上對比可以看出，這種材料組合即能保證零部件的防腐蝕性，滿足性能要求，又能降低生產(chǎn)成本，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

2.2 排氣管法蘭

傳統(tǒng)的排氣管法蘭是8mm，10mm厚度的Q235鋼材，由鑄造加工而成，為提高防腐性能，非加工面要求發(fā)黑或達(dá)克羅處理；現(xiàn)在也可用3mm厚的SUH409L的鋼板沖壓而成，輕量化設(shè)計，提高生產(chǎn)效率，并且防腐能力提升，不再另需要表面處理。

2.3 排氣管吊鉤

排氣管上用于裝配橡膠吊耳的支架用直徑10mm，12mm 的Q235圓柱制造，為提高防腐性能，要求達(dá)克羅處理；現(xiàn)在可用相同直徑，厚度1.5mm的SUH409L的鋼管制造。空心鋼管支架優(yōu)點：重量減輕，防腐性能提高，減少達(dá)克羅處理；空心鋼管散熱優(yōu)于鋼柱。

3、總結(jié)

汽車“三包”法規(guī)實施后，排氣系統(tǒng)為滿足法規(guī)要求，材料的防腐性能全面提升；實際應(yīng)用中，可以根據(jù)排氣系統(tǒng)所處的位置，承擔(dān)的功能有區(qū)別的靈活的選擇材料，既能提高產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)成本，又能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，使汽車輕量化。

[1] 汽車排氣管用鐵素體不銹鋼的性能發(fā)展[J].寶山鋼鐵股份有限公司研究院,1998.

[2] 汽車排氣系統(tǒng)材料的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].汽車工藝與材料,1997.

[3] 劉崢王建昕.汽車發(fā)動機原理教程[M]. 清華大學(xué)出版社.2001.09.

[4] 家用汽車產(chǎn)品修理、更換、退貨責(zé)任規(guī)定.

[5] GB/T 29632—2013 家用汽車產(chǎn)品三包主要零件種類范圍及三包憑證.

The Use of Stainless Steel for Automotive Exhaust System

Hu Guanghui, Ding Jimin, Zuo Huicchen, Zhang Li
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

According to the location and different function of the automotive exhaust system, there are different choice of stainless steel materials,so that the exhaust system components to meet the service life requirements of the Repair, replacement and return warranty of automobile.

In the design, the need to balance performance and cost, select the stainless steel materials, both to meet the exhaust system requirements, but also achieve good economic benefits and lightweight design for better fuel economy.

Exhaust System; Stainless Steel; Muffler; Repair; replacement and return warranty of automobile

U465.6

A

1671-7988 (2017)10-120-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.040

胡光輝（1981—），男，本科，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。主要從事乘用車進(jìn)、排氣系統(tǒng)工作。