后處理系統(tǒng)排氣管路保溫性能應(yīng)用研究

張金全　焦延　梅行勇

摘 要：通過(guò)對(duì)重型柴油商用車排氣系統(tǒng)散熱原理介紹，結(jié)合金屬、非金屬材料及空氣散熱系數(shù)的對(duì)比，對(duì)新型的雙層保溫排氣管從結(jié)構(gòu)上和工藝上進(jìn)行了分析，并對(duì)保溫性能進(jìn)行了CFD仿真分析，為整車應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備并達(dá)到提高后處理系統(tǒng)保溫性能的目的。關(guān)鍵詞：散熱原理;雙層保溫排氣管;保溫性能中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-111-03

Abstract： Through the heavy duty diesel commercial vehicles exhaust system cooling principle is introduced，?combined with metal，?non-metallic materials and air contrast coefficient of heat transfer，?the new type of double insulation pipe are analyzed from the structure and process， the CFD simulation is carried out and the heat preservation performance analysis，?for the vehicle application technical reserces and reach the purpose of improving heat preservation performance exhaust system.Keywords： The cooling principle; Double insulated exhaust pipe; Heat preservation performanceCLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-111-03

1 概述

隨著我國(guó)重型柴油商用車排放水平的逐步升級(jí)，目前已實(shí)施的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)作為全世界最嚴(yán)苛的排放法規(guī)，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放后處理系統(tǒng)的保溫性能要求越來(lái)越高，對(duì)后處理系統(tǒng)管路沿程的溫度損失要求越來(lái)越低，進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出氣口到尾氣后處理器進(jìn)氣口的溫度損失，以提升后處理器內(nèi)部的反應(yīng)溫度，成為當(dāng)前時(shí)期研究是重要課題之一。

2 重型商用車排氣系統(tǒng)保溫原因分析

第一，隨著排放法規(guī)升級(jí)，對(duì)NOX污染物限值的進(jìn)一步加嚴(yán)，對(duì)于采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)路線的后處理系統(tǒng)來(lái)講，必然要求SCR反應(yīng)效率的提升，SCR系統(tǒng)內(nèi)部的還原反應(yīng)是在一定的溫度及催化劑條件下進(jìn)行，內(nèi)部溫度越適宜，反應(yīng)越充分，尾氣處理效率越高，污染物排放值越低;

第二，后處理系統(tǒng)內(nèi)部DPF再生的要求，內(nèi)部溫度越高，其被動(dòng)再生效率越高，越不容易積累碳煙，主動(dòng)再生周期越長(zhǎng)，對(duì)車輛燃油消耗量越低，其經(jīng)濟(jì)性更好;

第三，隨著后處理系統(tǒng)內(nèi)部溫度的提高，對(duì)車輛周邊件的影響越來(lái)越嚴(yán)重，有數(shù)據(jù)顯示，后處理器內(nèi)部溫度最高可達(dá)到900℃以上，這對(duì)車輛后處理系統(tǒng)周邊件是極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以對(duì)后處理系統(tǒng)的隔熱保溫性能提出了更高的要求。

綜合以上原因分析，為了滿足更加嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，最大限度降低車輛污染物排放量，降低后處理系統(tǒng)熱量損失，提高后處理系統(tǒng)保溫性能是一項(xiàng)勢(shì)在必行的工作。

3 重型柴油商用車排氣系統(tǒng)散熱原理[1]

分析重型商用柴油車排氣系統(tǒng)熱量傳遞和散失原理，對(duì)于設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)排氣系統(tǒng)，提高排氣系統(tǒng)保溫能力，最大限度發(fā)揮后處理器性能，有著至關(guān)重要的作用。

排氣系統(tǒng)內(nèi)部高溫氣流熱量傳遞過(guò)程是能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程，就是物體所具有的熱能從高到低的轉(zhuǎn)移過(guò)程，而熱傳遞的主要方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。以下是對(duì)三種熱傳遞方式的介紹：

（1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)的指物體各部分沒(méi)有相對(duì)的移動(dòng)時(shí)，僅僅由其內(nèi)部的微觀粒子的相

互運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量，利用傅里葉定律能夠?qū)醾鲗?dǎo)過(guò)程進(jìn)行描述，其規(guī)律如下：

式中q表示熱流密度，λ單位為W/m2;表示導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）;“-”號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。

（2）熱對(duì)流

流體各部分之間因?yàn)樽陨淼牧鲃?dòng)引起的相對(duì)位移，冷、熱流體之間熱量的

傳遞的過(guò)程稱為熱對(duì)流。通常情況下，熱對(duì)流可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。利用牛頓冷卻公式可以計(jì)算對(duì)流換熱的換熱量，計(jì)算公式如下：

式中h表示對(duì)流換熱系數(shù);?T表示壁面和流體的溫度差。其中，流體的物理性質(zhì)、對(duì)流換熱表面的形狀、面積的大小，流體的速度等在對(duì)流換熱過(guò)程中都會(huì)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。

（3）熱輻射

任何物體都會(huì)對(duì)外輻射電磁波，電磁波被物體吸收并轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程稱

為熱輻射，熱輻射與物體的溫度有很大關(guān)系，溫度越高，平均輻射的熱能也就越高。與熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流不同，熱輻射在其傳熱過(guò)程中不需要任何中間介質(zhì)，所以在真空環(huán)境下熱輻射的效率最高?？梢杂盟惯?玻爾茲曼公式來(lái)描述熱輻射的每個(gè)物體之間的凈熱量傳遞，計(jì)算公式如下：

式中，ε表示輻射率（黑度）;σ表示斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);A1表示輻射面1的面積;F12表示輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù);T1表示輻射面1的絕對(duì)溫度，T2表示輻射面2的絕對(duì)溫度。

在尾氣排出過(guò)程中，三種熱量傳遞方式都會(huì)出現(xiàn)，普通單層排氣管散熱方式主要為熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流是發(fā)生在排氣流與排氣管內(nèi)壁之間的熱量傳導(dǎo);熱傳導(dǎo)發(fā)生在排氣管管體內(nèi)外壁之間，由于金屬是最好的導(dǎo)熱體，碳鋼排氣管導(dǎo)熱系數(shù)46.4W/（m·K），因此通過(guò)導(dǎo)熱途徑散失的熱量很大;金屬管的導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱的速度較快，如果采用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，對(duì)排氣管的保溫性能會(huì)有改善，但導(dǎo)熱系數(shù)小的材料在力學(xué)性能及可靠性上遠(yuǎn)不如金屬材料。因此，對(duì)于高排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣系統(tǒng)，通常采用內(nèi)層金屬管加外層包裹導(dǎo)熱系數(shù)較小的非金屬材料包裹層來(lái)滿足排氣系統(tǒng)對(duì)性能和可靠性方面的要求。

4 重型柴油商用車排氣管非金屬包裹材料

目前，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠重型商用車上國(guó)Ⅴ、京Ⅴ階段排放標(biāo)準(zhǔn)常用的保溫排氣管主要以非金屬保溫材料為保溫層、采用金屬外層包裹，其中常用保溫材料主要有陶瓷纖維、納米纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，外部金屬包裹層固定方法主要有鉚釘鉚接、鋼帶纏繞等方式。

非金屬包裹材料雖具有一定的保溫效果，也可大幅度降低排氣管表面溫度，但存在排氣管管徑增加影響整車布置、保溫效果不佳、生產(chǎn)制造效率低、美觀性差、加工成本高及對(duì)人體有害等問(wèn)題。非金屬保溫材料雖具有一定的局限性，但是綜合考慮成本及使用性能，仍為目前市場(chǎng)的主流選擇，常見的非金屬保溫材料如下圖1-圖4所示：

5 重型柴油商用車雙層保溫排氣管

5.1 雙層保溫排氣管結(jié)構(gòu)

一般而言，金屬、非金屬、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)依次降低，如果采用空氣層隔絕車輛尾氣與外部環(huán)境的接觸，對(duì)排氣管的保溫性能會(huì)有很大的提升，因此就產(chǎn)生了雙層金屬保溫排氣管。該種排氣管采用內(nèi)高壓液壓模具一次成型，分內(nèi)外兩層，內(nèi)層為厚度約1mm的304不銹鋼，外層為厚度約0.8mm的304不銹鋼，內(nèi)外層中間為3mm-5mm的空氣層，排氣管兩端采用不銹鋼接管與管體進(jìn)行焊接，結(jié)構(gòu)如圖5，具有以下特點(diǎn)：

（1）外形美觀，管體無(wú)焊縫;

（2）結(jié)構(gòu)緊湊，排氣管徑較小;

（3）模具高壓一次成型，生產(chǎn)制造誤差小，生產(chǎn)效率高，可靠性好;

（4）保溫性能良好，提高DPF被動(dòng)再生效率及NOX轉(zhuǎn)化效率;

（5）延長(zhǎng)DPF主動(dòng)再生周期，降低油耗，提高車輛運(yùn)營(yíng)效率，降低用戶運(yùn)營(yíng)成本。

5.2 雙層保溫排氣管工藝

工藝方面，一次沖壓成型工藝，避免了焊接處因周期性振動(dòng)而產(chǎn)生的疲勞開裂問(wèn)題，排氣管設(shè)計(jì)過(guò)程中不再受固定折彎半徑的限制，折彎過(guò)程中排氣管折彎內(nèi)外處材料全部參與變徑，能大大降低排氣管折彎處某一點(diǎn)的應(yīng)力集中，管體局部減薄率更小（≤20%）;同時(shí)閉環(huán)一次成型，能更好的適應(yīng)整車布置要求;制造精度高，抗彎模量大，不易變形，能有效降低對(duì)撓性軟管撓度的依賴，降低對(duì)相鄰部件的影響程度，進(jìn)一步減小制造誤差，對(duì)降低撓性軟管故障率，提高周邊件壽命有一定貢獻(xiàn)[2]。

內(nèi)外層不銹鋼管，外層管表面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，與內(nèi)層管外表面形成沿管軸線的密閉環(huán)形或其它異形空間，在利用支架約束的位置采用抱箍式設(shè)計(jì)，支架與管體接觸部位，雙層管緊密貼合以保證強(qiáng)度，管外層形成凹筋以提高總成強(qiáng)度;同時(shí)，相比傳統(tǒng)排氣管可降低20%-40%的重量，大幅降低整車自重，有利于進(jìn)一步提升整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

性能方面，改善流場(chǎng)降噪，變截面和曲面結(jié)構(gòu)適應(yīng)流場(chǎng)需求，完全避免了排氣管管體存在焊縫的可能，優(yōu)化了流場(chǎng)特性，同時(shí)雙層中空結(jié)構(gòu)可降低氣流對(duì)排氣管沖擊產(chǎn)生的噪音。

5.3 保溫性能仿真分析

根據(jù)某重型商用車搭載大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)車型排氣管的管徑及結(jié)構(gòu)等參數(shù)，分別計(jì)算分析了同一款車型匹配兩種不同結(jié)構(gòu)排氣管的的保溫效果，計(jì)算參數(shù)如上表1。

排氣管三維模型結(jié)構(gòu)如下圖6、7所示，CFD分析溫度采集面如下圖8所示：

溫度計(jì)算結(jié)果如下表2、表3：

通過(guò)仿真分析，在-7℃條件下雙層保溫排氣管相比包裹排氣管溫降減小8.1%;在38℃條件下雙層保溫排氣管相比包裹排氣管溫降減小12.3%，由此可知，環(huán)境溫度越高，雙層保溫排氣管保溫性能越好，從而能夠有效提高后處理器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)溫度，進(jìn)而達(dá)到充分反應(yīng)的目的。

6 結(jié)論

本文從排氣系統(tǒng)熱傳遞原理切入，逐步分析了排氣氣流在排氣管中熱量散失的原理，散熱方式，并從導(dǎo)熱性能方面定性的分析了金屬、非金屬材料及空氣導(dǎo)熱系數(shù)的差異，進(jìn)而提出了雙層中空保溫排氣管的結(jié)構(gòu)原理、成型工藝及其保溫性能，通過(guò)分析可知，雙層保溫排氣管相對(duì)傳統(tǒng)普通排氣管溫降平均減小10%左右，這大大提升了后處理器內(nèi)部反應(yīng)溫度，有效降低了排放風(fēng)險(xiǎn)，為排放達(dá)標(biāo)提供了更有利的條件。下一步工作將繼續(xù)圍繞雙層保溫排氣管的保溫性能試驗(yàn)、技術(shù)推廣、整車應(yīng)用開展研究，為該技術(shù)批量應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂秀斌.車用渦輪增壓器表面溫度場(chǎng)分析與防爆改造[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

[2] 崔立迪.SCR系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2016.