輕卡某車型排氣系統匹配設計論文

黃可創

（安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型車研究所，安徽 合肥 230601）

引言

自1886年誕生的第一輛汽車以來，汽車工業經歷了130多年的發展過程。汽車在這一個多世紀以來得到了快速的發展，特別是近幾年科學技術的進步，更是將汽車技術的發展推向一個新的高潮。汽車的動力系統是衡量汽車性能好壞的一個重要標準，動力系統中排氣系統就是其中一個十分關鍵的部分。排氣系統設計的好壞直接關乎發動機的工作性能。

一個好的排氣系統的設計是支撐整車良好的動力性的前提，一個好的排氣系統能夠使發動機持續高效的運行，并且能夠將廢氣及時地排出，保證燃油的燃燒效率。排氣系統設計的好壞的衡量標準是看整個排氣系統能不能滿足整車的動力性要求以及排氣系統在整車的結構布置合不合理。

汽車排氣系統總體設計的原則：（1）依托現有輕卡技術、生產平臺，充分考慮工廠的實際條件和工藝條件，最大限度地減少生產準備工作量；（2）設計中應做到各主要總成件系列化、通用化、模塊化，加快產品成熟度，縮短產品開發周期；（3）明確在規定的各種使用性能中哪些是要優先保證的，例如排氣背壓、排氣污染物的含量等。

該款產品的排氣要求排氣被壓≤20KPa，污染物的排放要滿足國五標準，采用的是DOC+SCR的后處理方式；采用電加熱尿素管，提高排氣溫度，使尿素對NOx的處理效果更好。

1 零部件設計

1.1 前排氣管設計

由于在基礎車型上更換了發動的型號并且發動機定位點也改變了，因此前排氣管需要重新進行設計，前排氣管的走向設計盡量與基礎車型的走向保持一致，這樣會更方便于后處理的布置與基礎車型保持一致。更換了發動機的型號，發動機的排量由2.49L變為1.91L，因此前排管的管徑不需要加大，與基礎車型保持一致，為φ51mm。前排氣管前端法蘭適應發動機仰角，前端面法蘭與豎直平面夾角為 3°；前排管中部焊接有波紋管，用來減少發動機帶來的震動。前排管的材料采用普通的焊管即可，排氣管表面需要進行達克羅處理，達克羅處理使得排氣管的比普通的鍍鋅防腐處理耐腐蝕性要高出7-10倍，并且達克羅處理耐高溫能力強，可以有效預防涂層脫落而造成排氣管腐蝕的風險。

圖1 前排氣管

1.2 前排管支架設計

前排氣管需要通過支架固定在車架的縱梁上，以保證車輛在運行過程中前排氣管的強度，避免前排氣管因震動過大或者震動頻率過大造成疲勞斷裂。由于車輛的整體布置的問題，造成前排氣管支架在縱梁上沒有孔位固定，因此參考基礎車型的固定方式，將排氣管支架固定在變速箱的飛輪殼上，支架的結構和形狀參考基礎車型設計，在保證支架強度的基礎上，進行輕量化設計。支架的材料采用510L，厚度5mm，支架上位于圓弧上的兩個φ11的孔位要與變速器飛輪殼上的孔位相對應，Q150B0840F61的螺栓要預先焊接在支架上，這樣做的目的是方便后續的裝配。支架需要進行耐高溫、耐腐蝕性和震動試驗，以驗證其性能是否滿足要求。

圖2 前排管支架

1.3 尿素噴射管和回液管的設計

為了適應國五排放的標準要求，需要對汽車尾氣進行必要的過濾凈化處理。其中，采用DOC+SCR是最常見的方式。這就需要設計尿素管路和回液管管路。這兩種管路的設計走向盡量要貼著車架，一般在拐點的地方盡量增加固定，固定的方式可以采用管夾或者支架+管夾的方式。管路走向盡量順暢，保證尿素溶液流通方便。尿素噴射管和回液管采用電加熱的形式，保證在冬天溫度較低的時候，尿素溶液不結晶并且保證了尿素溶液與尾氣的反應溫度，使得反應更加充分。

圖3 尿素噴射管與回液管三維模型

圖4 尿素噴射管

圖5 回液管

1.4 DOC、SCR和消音器的選擇

DOC是氧化催化劑的簡稱，氧化催化技術是一種已用于柴油車排氣后處理的技術，主要是通過催化劑的氧化反應去除微粒物中的可揮發有機物(SOF)，減少PM排放，同時可除去排氣中的HC、CO污染物和醛類、多環芳烴等排放標準限制污染物。選擇的 DOC中催化劑貴金屬含量為 0.592g，小于GB/T 30512標準中汽車禁用物質的要求。

SCR是選擇催化還原的簡稱，其原理是：將尿素(32.5%)溶液作為還原劑，將汽車廢氣中的NOx還原成N2。其實作為還原劑不并不是尿素本身，而是尿素在高溫下分解成的N3H，反應的機理如下：

消聲器與SCR集成在一起，由于本車型開發的車型主要用于快遞物流行業，經常要在城市之間來回跑，因此對噪音為控制比較嚴格，因此選用的消聲器是阻抗復合型消音器，容積為8L，其結構圖如下。阻抗型消音器消聲頻帶較寬，對于各個頻帶的噪音均有消音效果，消音效果比單一的類型的消聲器更好。

圖6 阻抗復合型消音器

消聲器容積的計算：

式中，Q---修正系數，一般取2-6，消音量越大，Q值越大；

n---發動機額定轉數，r/min；

Vst---發動機排量，L；

i---發動機缸數；

t---沖程數。

根據所選配的發動機的參數，按照公式計算結果為：

所選用的消音器的容積V實際=8，V實際＞V，因此滿足要求。

1.5 水管管路的布置

為了保證尿素罐里面的尿素溶液在溫度較低的時候不結晶，保證后處理的正常進行。必要時需要對尿素罐里面的溶液進行加熱，加熱的方式是采用發動機的冷卻水進行加熱。冷卻水的通斷是通過斷水電磁閥的開關進行控制。整個冷卻水對尿素溶液的加熱循環一共需要5根水管。水管管路的布置原則是：盡量貼著車架腹面的內側，避免陽關直射，防止老化；遠離熱源；避免與鋼管等硬質的管路直接接觸。三維管路布置如下圖：

圖7 水管管路模型圖

表1 水管管路表

1.6 尿素罐的選擇

已知尿素溶液消耗量為為燃油消耗量的 5%，且尿素溶液中含有67.5%的水，會在結冰時膨脹，因此需要留出5%的膨脹空間，并且一般每加注2-3次燃油就需要加注一次尿素溶液。本車型選用的尿素罐是16L的，需要對其容積大小進行驗證，驗證結果如下：

表2

2 排氣系裝置圖及零部件列表

圖8 排氣系裝置圖

表3

專用件：9

外購件：60

通用化率：85%

3 結論

本論文通過對汽車排氣系統的設計，充分考慮整車的“通用化、模塊化、標準化、系列化”要求，盡可能多的借用基礎車型的零部件，這能夠降低該車型排氣系造價成本。排氣系整車布置合理，與其他分組的零部件不產生干涉，水管管路、尿素噴射管和回液管遠離熱源，盡可能的降低了熱害影響，故此排氣系統設計滿足要求。

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