客車(chē)排氣系統(tǒng)布置

劉一鳴，尚志誠(chéng)

（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司，國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

引言

客車(chē)排氣系統(tǒng)是客車(chē)底盤(pán)一個(gè)重要的組成部分。它的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣引導(dǎo)排出，并且降低排氣時(shí)所產(chǎn)生的噪聲，減少環(huán)境污染和產(chǎn)生輔助制動(dòng)。它直接關(guān)系到汽車(chē)的動(dòng)力性、舒適性和安全性能。本文對(duì)客車(chē)排氣系統(tǒng)布置作一簡(jiǎn)要的探討。

1 排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

如圖1所示，排氣系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管、消聲器進(jìn)氣管、消聲器、消聲器排氣尾管、排氣管路懸置和排氣輔助制動(dòng)閥等組成。

圖1 排氣系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

1.1 排氣系統(tǒng)的熱量分布簡(jiǎn)要計(jì)算

以YC6J220-30為列：

額定功率162Kw/2500r/min，排氣溫度≤600℃，排量6.5升。

在額定工況時(shí)，輸出功率P1＝162Kw，根據(jù)增壓柴油機(jī)的特性約燃燒能量的 40%轉(zhuǎn)化為有效功輸出，29.1%由廢氣排出，折合廢氣排出功率約為：

（注： 40%和29.1%取自?xún)?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì),可能與實(shí)際稍有出入[。）

尾氣從排氣歧管流到到排氣尾管排出，由于管路散熱和消聲器的熱消耗，溫度從600℃降低到200～300℃左右，根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=nRT，從T1＝600+273K到T2＝250+273K這一部分能量損失當(dāng)量：

相對(duì)應(yīng)的功率消耗為ΔP＝117.2×40%＝46.88 Kw。這些熱量都是通過(guò)排氣系統(tǒng)外圍的流動(dòng)空氣散發(fā)掉。在車(chē)輛工作在高溫環(huán)境下，散熱模型簡(jiǎn)化為面積2m2的鋼板400℃上流過(guò) 20m/s的 40℃的空氣流（空氣流速按車(chē)速折算，該處取20m/s作為參考）；

根據(jù)對(duì)流換熱原理，Cf＝0.074/(2.3×106)-1/5＝0.000395

（平流與紊流的判定由于受長(zhǎng)度影響很大，可以直接定為紊流，計(jì)算過(guò)程省略，參數(shù)Re = 2.3×106是根據(jù)空氣性參數(shù)及已知數(shù)據(jù)計(jì)算得出，計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程較復(fù)雜，該處結(jié)果源于軟件計(jì)算得出。）

其中，Cf-紊流局部摩擦系數(shù)，Re-雷諾數(shù)，Pr-普朗特?cái)?shù)，h-表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，λ-導(dǎo)熱系數(shù)，Nu-努塞爾數(shù)，A-表面積。

另外還有P1=46.88-35.7=11.12 Kw的散熱量由熱輻射給空氣流以及周?chē)考恕?/p>

實(shí)際情況中，因受到排氣管的長(zhǎng)度影響，排氣管與消聲器散熱量各有不同。在采取隔熱板時(shí)，隔熱效率90%以上，基本上是可以忽略熱效應(yīng)對(duì)排氣系統(tǒng)周?chē)考挠绊懙?。然而在排氣系統(tǒng)增加隔熱板的地方并不多（采取雙層設(shè)計(jì)的排氣管相當(dāng)于增加隔熱板的情況），在沒(méi)有隔熱板的地方，因空氣熱阻在距離50mm處最大，在這個(gè)范圍外都是安全的。

1.2 排氣管路設(shè)計(jì)

排氣管的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中所產(chǎn)生的廢氣排出。由于汽車(chē)排放法規(guī)的升級(jí)，蝸輪增壓器使用條件更苛刻，排氣管不能因?yàn)樽陨淼闹亓考八a(chǎn)生的慣性、彎矩和相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者因其受熱膨脹產(chǎn)生形變而影響和蝸輪增壓器的正常工作，以致因?yàn)檫^(guò)載產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成增壓器的損壞。

設(shè)計(jì)中，在排氣管路中通常采用熱補(bǔ)償裝置。如圖2所示，常用的熱補(bǔ)償裝置一般有兩種形式：第一種是采用彈性的波紋管；另一種是撓性聯(lián)鎖式接管。這兩種方式各有所長(zhǎng)。彈性波紋管的密封性能比較好，但是它的熱償性能較差，使用壽命不如撓性聯(lián)鎖式接管，同時(shí)它的價(jià)格也比較貴。相比之下，撓性聯(lián)鎖式接管的熱補(bǔ)償性能和使用壽命都好于彈性波紋管，但它的密封性能稍差。設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體的要求來(lái)選擇。

圖2 排氣系統(tǒng)熱補(bǔ)償裝置

在很多前置車(chē)的設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管在車(chē)輛右側(cè)時(shí)，通常排氣管路相當(dāng)長(zhǎng)，又不允許右側(cè)排氣，管路需要從右側(cè)過(guò)渡到左邊排氣，這種情況下應(yīng)當(dāng)考慮熱膨脹對(duì)系統(tǒng)的影響：

從排氣歧管到排氣尾管在縱向長(zhǎng)度上的膨脹量：

（碳鋼線(xiàn)膨脹系數(shù) k=1.2×10-6，不銹鋼線(xiàn)膨脹系數(shù)k=1.5×10-6）。

前置車(chē)后排氣的情況居多，排氣管長(zhǎng)度通常是很長(zhǎng)的，這產(chǎn)生的熱膨脹量很客觀。在設(shè)計(jì)排氣管路懸置時(shí)，應(yīng)該給予充足的裕量；否則因鋼材的彈性模量產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)產(chǎn)生破壞。

σ＝E×ε，在管長(zhǎng) 1米壓縮 4.2mm 時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力為 σ＝2×106×0.0042＝8.4×103N/mm2，遠(yuǎn)大于鋼材的極限應(yīng)力。實(shí)際情況下，因管路卡箍以及軟墊可以吸收部分應(yīng)變，在管路太長(zhǎng)時(shí)，懸置點(diǎn)安裝要采用長(zhǎng)圓孔設(shè)計(jì)，否則破壞不可避免，具體情況由布置點(diǎn)的不同而不同。

1.3 排氣消聲器的設(shè)計(jì)

基于舒適和環(huán)保性的要求，車(chē)輛噪聲控制至關(guān)重要，因此，排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)排氣系統(tǒng)的消聲能力。排氣消聲器是一種集氣流通過(guò)，與消除或減小排氣噪聲于一體的有效裝置。實(shí)現(xiàn)控制汽車(chē)噪聲的目的。

排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取的消聲器性能對(duì)比如表1所示：

表1 消聲器性能對(duì)比

消聲器的型號(hào)和規(guī)格需根據(jù)所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)確定。所要匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表中一般給出了發(fā)動(dòng)機(jī)適用的排氣管直徑，這個(gè)直徑數(shù)據(jù)通?？梢宰鳛檫x擇消聲器的口徑參數(shù)。

消聲器的材質(zhì)應(yīng)該具備有較強(qiáng)的防腐蝕性能。因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該優(yōu)先考慮中碳鋼和不銹鋼材料，同時(shí)還要看消聲器所需要的空間大小，以及允許的背壓數(shù)值，還有有效性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性、環(huán)保性和使用壽命等各方面的因素。

1.4 排氣管道的懸置安裝

排氣管道的懸置包括排氣管的懸置安裝和消聲器的懸置安裝兩部分。其主要作用是支承排氣系統(tǒng)的重量，并且能有效地把其重量合理地傳遞到車(chē)架上。這部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是以下三個(gè)方面：

（1）消聲器的懸置安裝必須保證能承受車(chē)輛和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)負(fù)荷和高溫高熱負(fù)荷而不致于變形損壞。支撐夾箍的安裝位置必須保證其在工作時(shí)受熱膨脹方向有一定的補(bǔ)償空間，以避免因其工作時(shí)受熱膨脹而損壞，需要采用長(zhǎng)圓孔設(shè)計(jì)。

（2）在懸置支承的設(shè)計(jì)上，要保證支架有足夠的強(qiáng)度和剛度，以支承排氣管和消聲器的重量，以及承受客車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)。

（3）要考慮到支承的減振性，通過(guò)支承處的吸振，減少傳遞到排氣管和消聲器上的振動(dòng)，并且在排氣管的熱變形方面有一定的自由度。

1.5 隔熱板設(shè)計(jì)

橢圓型消聲器因面積較大，應(yīng)設(shè)計(jì)有隔熱板結(jié)構(gòu)；排氣管路中，在與油路、電路、塑料件距離小于50mm時(shí)，也應(yīng)該設(shè)計(jì)隔熱板，雙層排氣管是最佳的，不過(guò)成本過(guò)高，應(yīng)用較少。

部分隔熱板直接焊接于排氣管上，這種情況下應(yīng)當(dāng)注意，在管路走向方向焊接應(yīng)采用單邊焊接，雙邊焊接由于熱應(yīng)力會(huì)破壞排氣管產(chǎn)生不良后果。

另外在排氣管與燃油箱距離小于 300mm時(shí)，隔熱板的設(shè)計(jì)必須有效，加油口和通氣孔不能對(duì)著排氣口的方向，以避免引發(fā)起火危險(xiǎn)。

1.6 排氣尾管的設(shè)計(jì)

客車(chē)排氣尾管的設(shè)計(jì)必須合理，必須保證客車(chē)排出的尾氣不至于吹到客車(chē)車(chē)身上，也不能使排出的廢氣被吸進(jìn)空氣濾清器，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。排氣尾管設(shè)計(jì)的合量性和美觀性將影響客車(chē)整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量和外觀性。在設(shè)計(jì)排氣尾管的時(shí)候，為了有效地控制排出廢氣的排出方向，可以將尾管排氣口設(shè)計(jì)成“鴨嘴”形或者是朝下45°開(kāi)斜口。

2 其它注意事項(xiàng)

客車(chē)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除以上幾個(gè)方面外，還要特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）排氣管與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管之間、排氣管前后段與排氣消聲器之間如果采用法蘭盤(pán)聯(lián)接，那么法蘭盤(pán)的接合面應(yīng)平整、密封、無(wú)翹起與錯(cuò)位等現(xiàn)象。法蘭聯(lián)接面必須設(shè)有耐熱彈性墊。

（2）排氣管排氣口不得指向車(chē)身的右側(cè)。

（3）排氣系統(tǒng)的布置要盡量與汽車(chē)線(xiàn)束相隔離，以免排氣管在工作時(shí)產(chǎn)生的高溫灼傷線(xiàn)束，造成客車(chē)電路故障。

（4）排氣管應(yīng)與客車(chē)側(cè)圍之間有一定的間距，以避免排氣管高溫灼傷客車(chē)油漆，影響客車(chē)的外觀質(zhì)量。

（5）客車(chē)設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般應(yīng)考慮將排氣管與燃油箱布置在客車(chē)的不同側(cè)。當(dāng)排氣管與燃油箱布置在同一側(cè)時(shí)，排氣管與燃油箱之間的間距不得小于 300 mm，當(dāng)它們之間的間距過(guò)小的時(shí)候，在排氣管與燃油箱之間要設(shè)置有效的隔熱板；同時(shí)，燃油箱的加油口和通氣口不允許對(duì)著排氣管的開(kāi)口方向，且應(yīng)距客車(chē)排氣管的出氣口端在300 mm以上，否則也應(yīng)該加設(shè)有效的隔熱裝置，以防排氣系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生的高溫灼熱燃油，引起危險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)熱量分布的簡(jiǎn)單計(jì)算，初步明解了排氣系統(tǒng)的熱量分布情況，確定熱安全區(qū)域，隔熱板的取舍方法；通過(guò)簡(jiǎn)要計(jì)算熱膨脹對(duì)排氣系統(tǒng)的影響，提出了排氣系統(tǒng)懸置點(diǎn)設(shè)計(jì)的要素，分析了消聲器在排氣系統(tǒng)中合適位置的選擇以及其他排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的特殊情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 汽車(chē)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì)編.汽車(chē)工程設(shè)計(jì)手冊(cè):設(shè)計(jì)篇.北京:人民交通出版社,2001.

[2] 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì)編.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1984.

[3] QC/T631汽車(chē)排氣消聲器技術(shù)條件編輯委員會(huì)編.QC/T631汽車(chē)排氣消聲器技術(shù)條件.2009.

[4] 林輝江.內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器主要參數(shù)的選擇.內(nèi)燃機(jī).2001(4).