汽車排氣系統(tǒng)周邊件隔熱防護(hù)設(shè)計(jì)原則分析

李賀 張峰 冒薛軍 李后樂 趙德剛

摘 要：汽車排氣系統(tǒng)是傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的重要組成部分之一。排氣系統(tǒng)承擔(dān)了控制排氣污染、降低排氣噪聲的重要功能，同時(shí)排氣系統(tǒng)承受著500℃到900℃的高溫，是汽車構(gòu)造中最主要的熱源之一。為了減少排氣系統(tǒng)高溫對(duì)周邊件功能、耐久性能的影響，文章從總布置設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了排氣系統(tǒng)與周邊件間隙確定方法及周邊件隔熱防護(hù)措施，從而避免了由于間隙過(guò)小及隔熱防護(hù)不到位引發(fā)的火燒車現(xiàn)象和周邊件功能、耐久性能失效問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);周邊件;隔熱防護(hù);間隙

中圖分類號(hào)：U464.134+.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-43-03

Abstract： Automobile exhaust system is an important part of traditional fuel engine management system. The exhaust system plays an important role in controlling exhaust pollution and reducing exhaust noise. At the same time， the exhaust system bears a high temperature from 500℃ to 900℃， which is one of the most important heat sources in automobile construction. In order to reduce the influence of high temperature of exhaust system on the function and durability of peripheral parts， this paper analyzes the determination method of the gap between exhaust system and peripheral parts and the thermal insulation protection measures of peripheral parts from the perspective of general layout design， so as to avoid the burning car phenomenon and the failure of peripheral parts' function and durability caused by too small gap and inadequate thermal insulation protection.

Keywords： Exhaust system; Peripheral parts; Insulation protection; The gap

CLC NO.： U464.134+.4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-43-03

1 引言

汽車排氣系統(tǒng)是傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的重要組成部分之一，其負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃燒的廢氣排放到大氣中，對(duì)尾氣凈化、噪聲降低起著非常關(guān)鍵的作用[1]。排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口相連，布置在底盤下方，且承受著500℃到900℃的高溫，是汽車構(gòu)造中最主要的熱源之一。

排氣系統(tǒng)主要分為熱端和冷端。熱端由三元催化轉(zhuǎn)化器總成、顆粒捕捉器和支架等組成。冷端由消聲器總成、連接管路和橡膠吊掛等組成。排氣系統(tǒng)熱端與增壓器出口相連，最高溫度可達(dá)到900℃以上，排氣系統(tǒng)冷端通過(guò)法蘭與熱端相連，溫度相對(duì)較低，但靠近熱端處的最高溫度也可達(dá)到500℃以上。

排氣系統(tǒng)周邊件復(fù)雜多樣，汽車工作時(shí)，排氣系統(tǒng)表面溫度很高，由于受到車身、底盤等系統(tǒng)的影響，排氣系統(tǒng)周邊難免會(huì)布置一些耐受溫度較低的零部件。受周邊件耐熱、耐久性能要求的影響，周邊件與排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)間隙在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置中至關(guān)重要。間隙過(guò)小，排氣系統(tǒng)輻射到周邊件上的溫度超過(guò)其耐溫要求易導(dǎo)致周邊件功能失效、耐久老化，嚴(yán)重者可引發(fā)火燒車問(wèn)題。間隙過(guò)大，易造成布置空間的浪費(fèi)。為了更好地避免由于間隙問(wèn)題及隔熱防護(hù)不到位引發(fā)的火燒車現(xiàn)象和周邊件功能、耐久性能失效問(wèn)題，本文著重闡述了總布置設(shè)計(jì)時(shí)，排氣系統(tǒng)與周邊件間隙確定原則及周邊件隔熱防護(hù)措施。

2 排氣系統(tǒng)與周邊件設(shè)計(jì)間隙確定原則

2.1 設(shè)計(jì)要求對(duì)標(biāo)法

總布置設(shè)計(jì)初期，排氣系統(tǒng)與周邊件間隙應(yīng)滿足保安防災(zāi)要求，如表1所示[2]。排氣系統(tǒng)與周邊件間隙要求主要是經(jīng)過(guò)前期大量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及對(duì)標(biāo)標(biāo)桿車并參考各大車企設(shè)計(jì)要求總結(jié)而來(lái)?？偛贾迷O(shè)計(jì)初期，保安防災(zāi)要求是校核并確定數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)間隙的第一依據(jù)。

2.2 溫度場(chǎng)仿真分析法

總布置設(shè)計(jì)初期，由于受整車布置空間的影響，排氣系統(tǒng)與周邊件間隙無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的方案是不可避免的。為了保證方案的可行性，需進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析，以驗(yàn)證排氣系統(tǒng)輻射到周邊件上的溫度是否滿足其耐溫要求，確保周邊功能件正常且滿足耐久要求。

選擇溫度場(chǎng)分析軟件進(jìn)行建模，并根據(jù)輸入的相關(guān)條件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，輸出輻射到排氣系統(tǒng)周邊件上的溫度。最后根據(jù)仿真分析結(jié)果，判定方案可行性。

輸入條件：車速、環(huán)境溫度、各冷卻模塊芯體風(fēng)阻特性、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、各冷卻模塊芯體散熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)本體表面溫度、排氣系統(tǒng)各段表面溫度、熱源材質(zhì)、周邊件材質(zhì)等。

2.3 溫度場(chǎng)整車試驗(yàn)法

由于溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果在為總布置設(shè)計(jì)初期只作為方案確定的參考項(xiàng)，但不能保證汽車實(shí)際工作中，排氣系統(tǒng)周邊件在經(jīng)歷高溫后功能及耐久性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，所以需要進(jìn)行溫度場(chǎng)整車試驗(yàn)。

按照整車溫度場(chǎng)性能試驗(yàn)規(guī)范，選用按照GB/T 12534《汽車道路試驗(yàn)方法通則》完成至少1000Km磨合的新車進(jìn)行怠速、低速爬坡、高速爬坡、高速和城市等運(yùn)行工況的試驗(yàn)，并輸出溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果[3]。

整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果是對(duì)總布置設(shè)計(jì)初期確定的方案進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證，溫度場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果若不滿足設(shè)計(jì)要求，需要制定排氣系統(tǒng)周邊件隔熱防護(hù)措施，并再次進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，直到方案滿足設(shè)計(jì)要求為止。

3 排氣系統(tǒng)周邊件隔熱防護(hù)措施

無(wú)論是總布置設(shè)計(jì)初期還是實(shí)車進(jìn)行驗(yàn)證后，排氣系統(tǒng)與周邊件布置方案若不滿足設(shè)計(jì)要求，均需重新制定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，以保證設(shè)計(jì)方案可行性。一般排氣系統(tǒng)周邊件隔熱防護(hù)措施主要為提高零部件本身耐溫性能或通過(guò)阻斷隔熱的方式進(jìn)行防護(hù)。

3.1 提高周邊件自身耐溫極限

當(dāng)排氣系統(tǒng)與周邊件不滿足間隙要求或輻射溫度超過(guò)周邊件耐溫要求時(shí)，可通過(guò)改變零部件的材料來(lái)改善零部件本身耐溫性能。

比如某車型在總布置設(shè)計(jì)初期，消聲器總成與車身連接的橡膠吊掛選用材質(zhì)為EPDM，材質(zhì)最高耐溫要求為150℃左右，但在整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)橡膠吊掛表面溫度超出150℃，不滿足其正常工作溫度120℃的要求。為了避免橡膠吊掛長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中導(dǎo)致其老化、耐久開裂等問(wèn)題，故將EPDM橡膠吊掛變更為最高耐溫要求達(dá)300℃的VMQ橡膠吊掛。

3.2 排氣系統(tǒng)上或周邊件上增加隔熱措施

當(dāng)周邊件無(wú)法通過(guò)改變材料來(lái)改善其耐溫性能或更改費(fèi)用較高時(shí)，可通過(guò)在排氣系統(tǒng)零部件或周邊件上增加隔熱防護(hù)，像大多數(shù)車型在管路或線束上設(shè)計(jì)有包裹式鋁箔，如圖1;油箱上設(shè)計(jì)有粘貼式隔熱板，如圖2;和排氣系統(tǒng)零部件上焊接有隔熱罩，如圖3。

比如某改款車型排氣系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)時(shí)與懸置總成設(shè)計(jì)間隙為39.7mm，對(duì)標(biāo)基礎(chǔ)車型，此改款車設(shè)計(jì)間隙大于無(wú)任何隔熱防護(hù)的基礎(chǔ)車型，基礎(chǔ)車在量產(chǎn)后無(wú)熱害問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)初期未進(jìn)行隔熱防護(hù)設(shè)計(jì)。但在整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)中實(shí)測(cè)懸置表面最高溫度為124℃，超過(guò)其耐溫極限100℃要求。且懸置無(wú)法通過(guò)改變材質(zhì)提高其自身耐溫性能，故在排氣管上設(shè)計(jì)焊接隔熱罩進(jìn)行隔熱防護(hù)。排氣管焊接隔熱罩后，通過(guò)整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)懸置表面溫度最高為96℃，滿足其耐溫要求。

3.3 排氣系統(tǒng)與周邊件之間增加隔熱措施

由于排氣系統(tǒng)布置在底盤下方，駕駛室及后備箱內(nèi)布置有耐溫較低的零部件，為了更好地對(duì)其進(jìn)行隔熱防護(hù)，一般在排氣系統(tǒng)與周邊件之間設(shè)計(jì)有隔熱板。隔熱板安裝在地板上，對(duì)隔熱板上方的線束、管路、駕駛室和后備箱內(nèi)零部件進(jìn)行隔熱防護(hù)。設(shè)計(jì)初期可根據(jù)溫度場(chǎng)仿真分析選擇隔熱板類型，一般單層隔熱板受熱面與散熱面的溫差需≥150℃;雙層隔熱板受熱面與散熱面的溫差需≥200℃;多層（夾隔熱棉）隔熱板受熱面與散熱面的溫差需≥300℃。

比如某車型排氣系統(tǒng)與換擋拉線設(shè)計(jì)間隙為62.7mm，設(shè)計(jì)初期設(shè)計(jì)有隔熱板，隔熱板安裝在地板下方，對(duì)換擋拉線進(jìn)行隔熱防護(hù)，排氣系統(tǒng)與隔熱板設(shè)計(jì)間隙為51mm，布置圖如圖4。排氣系統(tǒng)與換擋拉線增加隔熱罩后，實(shí)測(cè)換擋拉線表面溫度為99℃，滿足其工作溫度130℃的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)是汽車的主要熱源之一，周邊件處在高溫環(huán)境中，其功能及耐久性能是整車試驗(yàn)驗(yàn)證的必要項(xiàng)。在總布置設(shè)計(jì)初期，排氣系統(tǒng)與周邊件間隙不滿足設(shè)計(jì)要求，但經(jīng)溫度場(chǎng)仿真分析和整車試驗(yàn)驗(yàn)證均滿足零部件耐溫要求時(shí)，為了節(jié)約成本，可取消隔熱防護(hù)措施。但經(jīng)溫度場(chǎng)仿真分析或整車試驗(yàn)驗(yàn)證，輻射到零部件上的溫度不滿足其耐溫要求時(shí)，即使設(shè)計(jì)間隙滿足要求，為了避免零部件功能、耐久性能失效及可能引發(fā)的火燒車問(wèn)題，需通過(guò)更換材質(zhì)提高零部件本身耐溫性能或增加隔熱防護(hù)措施，降低排氣系統(tǒng)輻射熱量。

參考文獻(xiàn)

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[2] 夏廣東，靖發(fā).談反置式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)在整車中的布置要求[J].工程技術(shù)，2016，（9）：257.

[3] GB/T 12542-2009.汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法[S].