汽車排氣系統(tǒng)機械性能試驗方法研究

尹紅光

摘要：本文根據(jù)排氣系統(tǒng)常見故障的分布，應(yīng)用有限元分析FEA（Finite Element Analyses）工具，對排氣系統(tǒng)的危險截面和關(guān)鍵部位進(jìn)行分析常見故障和國內(nèi)外試驗方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，排氣系統(tǒng)的試驗方法的設(shè)置應(yīng)遵循以”針對關(guān)鍵部位，模擬實際工況“為原則，借助有限元分析這一現(xiàn)代計算機軟件工具，根據(jù)排氣系統(tǒng)及其組成部件的常見故障，合理的選擇試驗內(nèi)容和試驗條件，才能真實的反映產(chǎn)品試驗結(jié)果的可信度。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng) 催化器 消聲器 有限元分析

汽車排氣系統(tǒng)（以下簡稱“排氣系統(tǒng)”，不含歧管或歧管式催化器，下同）由催化轉(zhuǎn)化器（以下簡稱“催化器”）、排氣消聲器（以下簡稱“消聲器”）、排氣管總成、解耦器（柔性管或球形法蘭）和懸掛組件（支架或吊掛、橡膠吊耳）等部件組成（如圖1），是發(fā)動機系統(tǒng)重要組成部分，起到降低排放和噪聲污染作用。隨著我國環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，找到一個符合或接近排氣系統(tǒng)實際工況的試驗方法，對確保排氣系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)的正確性和產(chǎn)品的可靠性，從而發(fā)揮其應(yīng)有的作用是十分必要的。

1.排氣系統(tǒng)常見機械故障和力學(xué)分析

1.1排氣系統(tǒng)常見機械故障

排氣系統(tǒng)常見機械故障大體分為開焊（或裂紋）、斷裂（或破碎）等機械損傷和因排氣和環(huán)境中弱酸、弱堿造成的腐蝕損傷（如催化器和消聲器殼體穿孔等）兩大類。

1.1.1排氣系統(tǒng)常見機械故障位置分布

排氣系統(tǒng)常見機械故障分布如圖1箭頭所示位置，其特點是：催化劑載體（catalytic substrate）、兩零件（如法蘭與接管）或單一零件（如捆綁式催化器縱縫結(jié)合部）焊接邊緣、零件兩個形狀交界應(yīng)力集中處（如催化器或消聲器的錐管與接口圓柱）和排氣管彎管應(yīng)力集中處等為故障常發(fā)位置。

1.1.2排氣系統(tǒng)常見機械故障部分實例

1.2 排氣系統(tǒng)力學(xué)分析

排氣系統(tǒng)應(yīng)力一般由因振動引起的機械應(yīng)力和因交變溫度（排氣溫度+催化器反應(yīng)溫度）引起的熱應(yīng)力兩大部分組成。分述如下：

1.2.1 機械應(yīng)力

1.2.1.1 振動源

排氣系統(tǒng)的振動源包括發(fā)動機的機械激勵、發(fā)動機氣流沖擊、聲波激勵和車體激勵四個方面，如圖3所示。

1.3排氣系統(tǒng)熱力學(xué)分析

催化器對一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）的反應(yīng)屬于氧化放熱反應(yīng)，故催化器（含歧管式催化器）是排氣系統(tǒng)中熱力學(xué)分析的重點研究對象，其化學(xué)反應(yīng)式如式（3）所示：

2CO + O2 = CO2 ， C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O （3）

1.3.1催化器溫度分布分析

1.3.1.1催化劑載體

應(yīng)用star-CD工具對催化劑載體（catalytic substrate ）的溫度分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6.1和6.2所示：

催化器軸向溫度這種由高到低的分布狀態(tài)可以用催化動力學(xué)來解釋，即

Fy0dx=rsSgρb，Acdz （3）

式中：Fy0—催化器入口端反應(yīng)物克分子數(shù)； dx —轉(zhuǎn)化率微量； rs —催化劑反應(yīng)速率；ρb—催化劑涂敷量；Sg—催化劑單位重量的比表面積；Ac—載體截面積；dz —催化床某截面長度微量

催化器入口處反應(yīng)物濃度大，反應(yīng)劇烈溫度高；反應(yīng)物在催化床移動越往后濃度越低，故溫度逐漸降低。

催化器徑向溫度這種由芯部到邊緣由高到低的分布狀態(tài)可以用流體在管體流速分布狀態(tài)來解釋。

1.3.1.2催化器殼體

催化器殼體溫度和最大應(yīng)力分布如圖3.3所示，其最高溫度在接口處，與圖2.1 排氣系統(tǒng)機械故障位置分布圖位置吻合。

圖6.3 催化器殼體溫度分布圖

1.3.2催化器熱應(yīng)力分析依據(jù)

催化器是一個由堇青石陶瓷（催化劑載體，脆性材料）、蛭石（襯墊）和不銹鋼（彈性材料）不同材料組裝而成的整體部件。

依據(jù)熱力學(xué)原理，單一均質(zhì)物體在無外界約束、無溫度變化時不會產(chǎn)生應(yīng)力。但在有溫度場過分不均勻時會造成嚴(yán)重的熱應(yīng)力；且依據(jù)對于彈性材料的杜阿梅爾-諾依曼的線性熱應(yīng)力理論，即假定在溫度變化不大的情況下，由于溫度的變化引起的應(yīng)力（或應(yīng)變）和外力引起的應(yīng)力（或應(yīng)變）可以疊加。

且在兩種不同材料的交界處（如催化劑載體和襯墊、襯墊和殼體），由于其熱膨脹系數(shù)α不一，形成約束，產(chǎn)生應(yīng)力。

2.結(jié)語

綜上所述，排氣系統(tǒng)的試驗方法的設(shè)置應(yīng)遵循以“針對關(guān)鍵部位，模擬實際工況”為原則，借助有限元分析這一現(xiàn)代計算機軟件工具，根據(jù)排氣系統(tǒng)及其組成部件的常見故障，合理的選擇試驗內(nèi)容和試驗條件，如此才能真實的反映產(chǎn)品試驗結(jié)果的可信度。

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