汽油機汽車排氣系統設計及制造工藝簡析

吳熙平

(清華大學蘇州汽車研究院(相城),江蘇蘇州 215134)

汽油機汽車排氣系統設計及制造工藝簡析

吳熙平

(清華大學蘇州汽車研究院(相城),江蘇蘇州 215134)

隨著我國汽車整車三包周期及客戶對汽車品質的要求不斷提升。對開發整車及排氣系統NVH性能要求更高,也對排氣系統供應商的設計開發及生產制造能力提出了更高的要求。本文通過對汽車汽油發動機排氣系統的設計、開發、制作經驗以及汽車生產企業的要求,從開發設計輸入信息要求、設計計算、結構、布置及材料等綜合進行簡單介紹。

汽車排氣系統

汽車排氣系統是汽車發動機動力總成的主要部件，它的主要作用是使發動機排出的廢氣順暢的通過排氣系統，低噪聲、低排放的排入大氣。它的性能好壞直接影響廢氣排放指標、整車的舒適性及可操控性。是影響整車的加速性能、排放、NVH等主要因素。

1 汽車排氣系統的初步設計

排氣系統主要包括:熱端的排氣歧管總成、催化器總成及冷端的排氣管總成、消聲器總成等主要部件。

排氣系統的設計輸入信息:(1)汽車發動機排量、規格參數:用于排氣管管徑及消聲器溶劑的設計計算。(2)車身、底盤、油箱等數模:用于確定排氣系統管路走向、消聲器的布置及吊掛位置的初步設置。(3)發動機原始廢氣排放值:用于初步確定三元催化轉化器的貴金屬的含量及配方比例。(4)發動機噪聲頻譜及發動機GT主模型:用于排氣系統消聲器的結構設計計算。

2 主要排氣系統部件總成解析

2.1 發動機排氣歧管

排氣歧管的功能作用是:把發動機多個發動機出氣口排出的高溫廢氣。使其氣體流動均勻的匯集到同一管中。

設計需根據發動機各主要參數及模型，采用一維熱力學計算選取合適的排氣歧管管徑、各個支管管長、總管的管徑、各個氣缸的歧管如何連接等。由于發動機艙空間較為緊湊，需根據發動機布置的空間合理布置歧管的走向及后法蘭位置、角度等。

滿足各缸之間的排氣順暢及均勻性、排氣背壓小、避免各缸排氣相互干擾，無明顯的回流及渦流現象等，為減少各缸排氣干擾，如4缸發動機通常點火次序1、3、4、2，可設計成1-4和2-3支管交匯后入總管或采用相同等長度支管交匯后入總管等，這樣的歧管比較復雜，基本不存在各缸相互影響的問題。

由于其緊靠發動機出口，工作溫度在900度以上，為確保其在汽車長期行駛的各種惡劣情況下，排氣歧管不出現漏氣、斷裂的情況。須選用耐高溫性能強的金屬材料.歧管與發動機之間需要設計支架支撐連接，降低歧管的震動避免發生斷裂。考慮到發動機倉及歧管周圍的溫度場要求?？稍谂艢馄绻艿纳舷聝蓚仍O計隔熱罩，采用鍍鋁薄板或成型鋁薄板。

主要材料:灰鑄鐵、球墨鑄鐵、硅鉬球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高鎳球鐵等，主要工藝采用:整體毛坯鑄造工藝，機械精加工兩端法蘭平面.鑄鐵的歧管結構簡單，成本較低，性能一般。

另采用SUS429、SUS441鐵素體不銹鋼材料的薄板及管式歧管。

主要加工工藝有:零件制作采用歧管、法蘭均沖壓:薄板蚌殼式歧管與薄板法蘭:薄板法蘭、管連接工藝，歧管總成采用308L、409Ti焊絲的焊接工藝:不銹鋼歧管性能好，設計、結構復雜，成本較高。

2.2 三元催化轉化器

三元催化轉化器主要由:前后法蘭、連接管、催化器本體組成，其核心部件為催化器本體，主要由:殼體襯墊載體觸媒.三部分組成.根據殼體封裝形式主要分為:蚌殼式、旋壓式、扣蓋式等。載體可分為:金屬載體、陶瓷載體。

三元催化轉化器是汽車重要的環保法規件，其作用是載體觸媒對發動機排出的廢氣二次燃燒，促使碳氫化合物(NC)、一氧化碳(CO)及氮氧化合物(NOX)三種主要有害氣體與載體涂覆的貴金屬鉑:銠:鈀(Pt:Pd:Rh)進行氧化、還原反應，轉化生成:H2O水(蒸汽)及二氧化碳CO2等物質.其性能指標主要有:轉化效率、起燃溫度等。

催化器載體觸媒需要根據執行的法規排放標準值、發動機的排量及初始排放值(CO、NC、NOX)等信息設計載體規格及容積、觸媒貴金屬涂敷比例、涂敷量等，并通過發動機臺架及實車路試等方法對觸媒新鮮、老化狀態做相關的排放實驗。

催化器端錐的錐度(≤45°)及形狀對氣體流動均勻性、排氣背壓及催化器反應效果有著至關重要的影響。

現階段的國IV、國V，階段，催化器的位置緊鄰排氣歧管.多采用雙級催化器，觸媒為:600、400目陶瓷載體，殼體材料主要為:前級SUS441及后級SUH409L，襯墊采用3M:1101型(非膨脹型)、1443+100型(包邊型)及100型。

2.3 排氣系統冷端:排氣管、消聲器

排氣系統冷端主要由排氣連接管總成、消聲器總成組成。是汽車主要降低排氣系統排放噪音的功能及法規件，需要根據汽車底盤空間位置、發動機排量及發動機頻譜等輸入信息，初步設計排氣連接管、消聲器的布置、數量、容積及仿真設計主要結構性形式。消聲器的主要結構工藝形式有:蚌殼式(咬口、焊接)、卷點式、縱咬盒蓋式、筒體旋壓式等。為了降低排氣系統振動噪聲及與行駛中的整車的產生共振，通常會在消聲器筒體及隔板強度較弱部位增加加強筋。為降低消聲器輻射噪聲，可在消聲器筒體外包裹吸音棉及隔熱罩。須通過采用消聲室結合發動機臺架及實車路試等方法對排氣系統冷端做相關的實驗驗證及權威機構的實驗檢測。

排氣系統冷端較長，通過車底盤、橫梁、油箱、傳動軸等部件。為了避免汽車運行過程中排氣系統與之發生干涉及碰撞。通常設計布置排氣系統與這些部件的位置間距不小于50mm。且汽車滿載時排氣系統最低位置處距地面高度需大于整車的最小通過高度，為了減少震動傳遞及制造誤差避免后端處發生干涉。設計時通常會在冷端排氣前法蘭采用:球面墊圈彈簧緊固鏈接或靠近前端法蘭處加撓性節鏈接的方式。

排氣系統的主要材料:管多采用;SUH409L、SUS436鐵素體不銹鋼。

消聲器筒體多采用;SUH409L、SUS436L、SUS439L鐵素體不銹鋼，高端車型采用:SUS301、SUS304奧氏體不銹鋼。

隨著催化器凈化效率的提升，汽車使用過程中生成的酸性溶液不斷增多，且容易積存于消聲器中，不易排出，通常在設計之中會考慮采用出氣管口位置盡可能地布置在靠近低位或采用一小段虹吸管的方式以及在消聲器筒體或端蓋最低處設計直徑較小的放水孔等方法將減少積水。

綜上所述:排氣系統需要根據整車發動機及汽車底盤等信息。采用合理的結構及布置設計.選用適合的耐腐蝕好的材料，已達到整車排放及使用壽命的要求。

[1]任文堂.工業噪聲與振動技術.

[2]吳幫玉.汽車消聲器設計流程.