汽車排氣管用玄武巖纖維隔熱保溫性能研究

王 彬，易忠新，趙克秦，樓狄明,胡怡帆

(1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；3.南昌同巖新材科技有限公司,江西 南昌 330052)

0 概述

隨著低碳化步伐的日益加快，我國向世界人民鄭重承諾的“30-60雙碳目標(biāo)”，向已有的傳統(tǒng)汽車行業(yè)技術(shù)提出更高的要求，也為相關(guān)行業(yè)帶來重大發(fā)展機(jī)遇[1]。

此外，隨著國六的排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，排放法規(guī)升級，對NOX污染物限值的進(jìn)一步加嚴(yán)，對于采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)路線的后處理系統(tǒng)來講，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[2-4]。此外，若排氣溫度過低，SCR裝置會產(chǎn)生尿素溶液結(jié)晶等問題[5]。所以為了提高后處理裝置的催化效率，需要在排氣管路外包覆高性能保溫材料，減少排氣管路熱量損失，從而提升整車排放性能。

排氣管隔熱保溫同時(shí)，除了降低其溫度對周圍部件的影響，延緩部件的熱老化及損失，同時(shí)也可以保持一定的排氣壓力。

目前傳統(tǒng)市場多采用陶瓷纖維氈、玻璃纖維氈等材料與金屬鋁箔材料復(fù)合作為罩衣，包覆在排氣管上，但隨著技術(shù)要求不斷提高，需要進(jìn)行新材料的研發(fā)進(jìn)一步提升排氣管的隔熱保溫性能。

耐火隔熱玄武巖纖維復(fù)合氈是以玄武巖纖維為主要材料，通過針刺、熱粘合或縫編而成具有一定厚度的單層、多層復(fù)合而成的纖維氈[6]。玄武巖纖維的軟化點(diǎn)為960℃，最高使用溫度可達(dá)到860℃[7]。因此可以作為鋼結(jié)構(gòu)、管道或汽車高溫部件的熱防護(hù)和隔熱材料,可以作為汽車排氣管保溫材料。

目前針對玄武巖纖維復(fù)合材料在汽車排氣熱管理領(lǐng)域的研究還比較少，趙克秦等人[8]基于冷態(tài)WHTC循環(huán)研究了包裹玄武巖纖維氈的排氣管的溫升特性以及對排放的影響，發(fā)現(xiàn)了玄武巖纖維材料有良好的保溫性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段能極大改善排放性能。然而在排氣管等部件對周邊零件的熱害影響也是汽車領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，因此還需要研究材料的隔熱性能。

本文基于穩(wěn)定熱源臺架以及整車轉(zhuǎn)鼓臺架，試驗(yàn)比較了不同材料、不同包裹形式的汽車排氣管的保溫隔熱性能。

1 研究方案

本文基于穩(wěn)定熱源臺架及整車轉(zhuǎn)鼓臺架，對汽車排氣管包覆不同編織形式保溫材料(玄武巖套、玄武巖纏繞帶、玄武巖氈、玻璃纖維氈)的保溫隔熱效果展開試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)排氣管樣件采用相同容重(120kg/m3)與厚度(5mm)的玄武巖套(簡稱“玄套”)、玄武巖纏繞帶(簡稱“玄帶”)、玄武巖氈(簡稱“玄氈”)、玻璃纖維氈(簡稱“玻氈”)等四種不同包覆樣件。

1.2 穩(wěn)定熱源臺架

1.2.1 試驗(yàn)裝置

穩(wěn)定熱源臺架通過保持一定的排氣流量及排氣溫度，可以測試各排氣溫度及流量下排氣管的溫升情況及穩(wěn)定后內(nèi)外表面的溫度，模擬排氣管在不同工況下的隔熱保溫性能。

1.2.2 試驗(yàn)方案

穩(wěn)定熱源臺架試驗(yàn)通過控制入口進(jìn)氣溫度控制在650℃，保持300kg/h的排氣流量，分別使用同等厚度的玻璃纖維氈與玄武巖纖維氈包裹排氣管，測試排氣管的內(nèi)部溫度與外部溫度，比較玻璃纖維氈與玄武巖纖維氈的保溫性能與隔熱性能，圖1為排氣管溫度傳感器布置圖。

1.3 整機(jī)臺架

1.3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)車輛使用福田奧鈴貨運(yùn)車，發(fā)動(dòng)機(jī)采用云內(nèi)D30TCIF1。表1所示為臺架試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)。

表1 臺架試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)

1.3.2 試驗(yàn)工況及方案

整車臺架轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)采用C-WTVC循環(huán)(中國重型商用車瞬態(tài)循環(huán))，共計(jì)1800s，分為三個(gè)階段，分別是市區(qū)循環(huán)工況(0～900s)，公路循環(huán)工況(900～1368s)，高速循環(huán)(1368～1800s)。

將排氣管分別包覆玄武巖纖維和玻璃纖維，玻璃纖維采用氈式的編織方式，玄武巖纖維使用套式、纏繞帶式和氈式三種不同的編織方式，測試循環(huán)工況下柴油機(jī)出口端溫度T1與后處理系統(tǒng)進(jìn)口端的溫度T2，研究整個(gè)排氣系統(tǒng)的保溫特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)定熱源臺架試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同材料保溫性能對比

圖2為試驗(yàn)管路包覆擁有同一厚度與容重的不同保溫材料(玄武巖纖維氈、玻璃纖維氈)的內(nèi)部測點(diǎn)溫度。可以看出兩種材料包覆的排氣管內(nèi)部測點(diǎn)溫度趨勢相同，在540℃-620℃區(qū)間波動(dòng)變化，大體上玄武巖纖維氈包覆的排氣管內(nèi)部溫度高于玻璃纖維氈。

圖3為排氣管內(nèi)部測點(diǎn)的平均溫度，通過比較平均溫度的高低可以直觀比較兩種材料的保溫性能。由圖3可知，玄武巖纖維氈包覆的排氣管內(nèi)部測點(diǎn)的平均溫度相比較于玻璃纖維氈高4℃，說明玄武巖纖維氈的保溫性能優(yōu)于玻璃纖維氈。

2.1.2 不同材料隔熱性能對比

圖4為排氣管內(nèi)外壁測點(diǎn)的平均溫度及溫降，通過內(nèi)外壁溫度作差來反映兩種材料的隔熱性能。由圖4可知，玄武巖纖維氈包覆的排氣管內(nèi)壁的平均溫度比玻璃纖維氈高，與上文結(jié)論相同，說明玄武巖纖維氈的保溫性能優(yōu)于玻璃纖維氈。而玄武巖纖維氈包覆的排氣管的外壁溫度低于玻璃纖維氈，溫降比玻璃纖維氈高15℃，因此玄武巖纖維氈的隔熱性能也優(yōu)于玻璃纖維氈。

2.2 整車轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同材料及包覆形式保溫性能對比

圖5為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中各試驗(yàn)管路入口段第一溫度測點(diǎn)T1的溫度變化曲線。從試驗(yàn)結(jié)果來看，由不同材料以及和不同包裹方式影響了整條管路的散熱，包括前端T1部分。玄武巖纖維氈和玻璃纖維氈的管道保溫效果好，散熱慢，加速溫度熱量累積程度高，內(nèi)部排氣溫度高。

圖6為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中各試驗(yàn)管路末段第二溫度測點(diǎn)T2的溫度變化曲線。從試驗(yàn)結(jié)果來看，玄武巖纖維氈T2后處理前溫度較高，保溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于玄武巖套與玄武巖纏繞帶。

圖7為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中各循環(huán)區(qū)間(市區(qū)循環(huán)、公路循環(huán)、高速循環(huán))不同材料及包覆形式的平均溫降。由圖可知，從不同的材料來看，玄武巖纖維氈溫降在不同循環(huán)均最小，整個(gè)循環(huán)的平均溫降比玻璃纖維氈低1.2℃，保溫性能優(yōu)于玻璃纖維。從不同包覆形式來看，氈形式的玄武巖保溫材料保溫性能優(yōu)于玄武巖套與玄武巖纏繞帶，整個(gè)循環(huán)的平均溫降比玄武巖套與玄武巖纏繞帶分別低3.9℃、5.1℃。

3 結(jié)論

(1)基于穩(wěn)定熱源臺架試驗(yàn)，玄武巖纖維氈保溫隔熱性能均優(yōu)于玻璃纖維氈，內(nèi)部平均溫度比玻璃纖維氈包裹的高4℃，內(nèi)外壁溫降比玻璃纖維氈包裹的高15℃。

(2)基于整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，玄武巖纖維保溫性能優(yōu)于玻璃纖維，包裹玄武巖纖維氈排氣管入口與后處理入口溫度最高，整個(gè)循環(huán)溫降最低，平均溫降比玻璃纖維氈低1.2℃。

(3)氈形式的玄武巖保溫材料保溫性能優(yōu)于玄武巖套與玄武巖纏繞帶，整個(gè)循環(huán)的平均溫降比玄武巖套與玄武巖纏繞帶分別低3.9℃、5.1℃。