汽車排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉春梅 楊松柏

摘 要 對主消聲器和二級三元催化器進(jìn)行針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并詳細(xì)分析優(yōu)化前后的流場特性。優(yōu)化后的排氣背壓平均下降了約25%，最大排氣背壓由原來的74.8KPa下降到53.2KPa。優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)額定工況點(diǎn)功率最大提升約15%，燃油消耗率最大降幅約16%。

關(guān)鍵詞 排氣系統(tǒng) 計(jì)算流體力學(xué) 流場特性 排氣背壓 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U464文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1對二級三元催化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖1是優(yōu)化前的二級三元催化器內(nèi)部的流場特性圖，左側(cè)為氣體的速度矢量分布圖，右側(cè)為內(nèi)部氣壓分布圖。由兩圖知，氣體從橫截面積較小的排氣管流入橫截面積較大的二級三元催化器，因氣流存在慣性而使得氣流不可能隨著管道的形狀突然擴(kuò)大，這就造成了在流束和管壁拐角處形成了局部漩渦。另外，由于管道形狀突然改變，氣流速度重新分布，引起氣體微團(tuán)的前后碰撞，增加壓力的損失。

對二級三元催化器的進(jìn)口擴(kuò)張管進(jìn)行優(yōu)化，減小擴(kuò)張管的張角。圖2是優(yōu)化后二級三元催化器內(nèi)部的流場特性圖。由圖可見，優(yōu)化后氣體的流束更加集中，已無明顯的漩渦現(xiàn)象;內(nèi)部氣壓分布更加均勻，且產(chǎn)生的排氣背壓由原來的11.9MPa下降為6.7MPa。

2對主消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖3是優(yōu)化前主消聲器內(nèi)部的流場特性，由左側(cè)的氣體速度矢量分布圖可知，在進(jìn)氣內(nèi)插管末端和出氣內(nèi)插管端口處有局部漩渦，造成了氣流能量的損失。在出氣內(nèi)插管端口處，氣體流速突然變大，形成了射流;在隔板上消聲孔處產(chǎn)生了氣流的噴注，造成了能量損失并產(chǎn)生了噪聲。由右側(cè)的內(nèi)部氣壓分布圖可知，在出氣內(nèi)插管的端口處由于氣流截面積的突然收縮，在貼近管壁處形成了兩個(gè)低壓區(qū)。

在滿足主消聲器的消聲性能的前提下，增大隔板上消聲孔的開孔面積，降低噴注氣流;縮短進(jìn)氣內(nèi)插管和出氣內(nèi)插管的長度，避免形成局部漩渦;將出氣內(nèi)插管的入口處改為喇叭形入口，實(shí)現(xiàn)氣流的平緩過渡，消除氣體的射流和低壓區(qū)的現(xiàn)象。圖4是優(yōu)化后主消聲器內(nèi)部的流場特性圖，可見優(yōu)化效果十分明顯，主消聲器產(chǎn)生的排氣背壓由原來的30.2MPa，下降為14.4MPa。

3排氣背壓的優(yōu)化

圖5為轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí)排氣系統(tǒng)的排氣背壓的分布圖，雖然背壓貢獻(xiàn)量還是集中在三元催化器和消聲器上，但與優(yōu)化前相比總的排氣背壓已由原來的74.8MPa下降為53.2MPa。由圖6優(yōu)化前后各工況下的總排氣背壓的對比圖可知，在各工況下優(yōu)化后的總排氣背壓都小于優(yōu)化前，且隨著轉(zhuǎn)速的增加其差值也呈現(xiàn)出增大的趨勢。優(yōu)化后總排氣背壓的平均降幅約為25%，可謂優(yōu)化效果顯著。

4優(yōu)化后對發(fā)動機(jī)性能的影響

圖7為優(yōu)化前后的發(fā)動機(jī)在不同工況下的功率對比圖，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在1000～3300r/min范圍內(nèi)時(shí)，優(yōu)化前后發(fā)動機(jī)的功率幾乎沒有差異;當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在3300～5700r/min范圍內(nèi)時(shí)，優(yōu)化后發(fā)動機(jī)的功率要大于優(yōu)化前，且隨著轉(zhuǎn)速的增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢，發(fā)動機(jī)的功率最大提升約15%。

圖8為優(yōu)化前后的發(fā)動機(jī)在不同工況下的燃油消耗率對比圖，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在2000～4000 r/min范圍內(nèi)時(shí)，優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)燃油消耗率有明顯的改善，較優(yōu)化前的最大降幅約16%。

5結(jié)論

對主消聲器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：縮短了進(jìn)氣內(nèi)插管和出氣內(nèi)插管的長度，將出氣內(nèi)插管的入口改為喇叭狀，適當(dāng)增大隔板上消聲孔的開孔面積;對二級三元催化器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：減小擴(kuò)張管的張角。優(yōu)化后排氣背壓平均下降了25%，最大排氣背壓由原來的74.8MPa下降到53.2MPa;發(fā)動機(jī)的動率提升約15%，燃油消耗率最大降幅為16%。

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