汽車排氣系統的結構優化

劉春梅 楊松柏

摘 要 對主消聲器和二級三元催化器進行針對性的結構優化，并詳細分析優化前后的流場特性。優化后的排氣背壓平均下降了約25%，最大排氣背壓由原來的74.8KPa下降到53.2KPa。優化后的發動機額定工況點功率最大提升約15%，燃油消耗率最大降幅約16%。

關鍵詞 排氣系統 計算流體力學 流場特性 排氣背壓 結構優化

中圖分類號：U464文獻標識碼：A

1對二級三元催化器的結構優化

圖1是優化前的二級三元催化器內部的流場特性圖，左側為氣體的速度矢量分布圖，右側為內部氣壓分布圖。由兩圖知，氣體從橫截面積較小的排氣管流入橫截面積較大的二級三元催化器，因氣流存在慣性而使得氣流不可能隨著管道的形狀突然擴大，這就造成了在流束和管壁拐角處形成了局部漩渦。另外，由于管道形狀突然改變，氣流速度重新分布，引起氣體微團的前后碰撞，增加壓力的損失。

對二級三元催化器的進口擴張管進行優化，減小擴張管的張角。圖2是優化后二級三元催化器內部的流場特性圖。由圖可見，優化后氣體的流束更加集中，已無明顯的漩渦現象;內部氣壓分布更加均勻，且產生的排氣背壓由原來的11.9MPa下降為6.7MPa。

2對主消聲器的結構優化

圖3是優化前主消聲器內部的流場特性，由左側的氣體速度矢量分布圖可知，在進氣內插管末端和出氣內插管端口處有局部漩渦，造成了氣流能量的損失。在出氣內插管端口處，氣體流速突然變大，形成了射流;在隔板上消聲孔處產生了氣流的噴注，造成了能量損失并產生了噪聲。由右側的內部氣壓分布圖可知，在出氣內插管的端口處由于氣流截面積的突然收縮，在貼近管壁處形成了兩個低壓區。

在滿足主消聲器的消聲性能的前提下，增大隔板上消聲孔的開孔面積，降低噴注氣流;縮短進氣內插管和出氣內插管的長度，避免形成局部漩渦;將出氣內插管的入口處改為喇叭形入口，實現氣流的平緩過渡，消除氣體的射流和低壓區的現象。圖4是優化后主消聲器內部的流場特性圖，可見優化效果十分明顯，主消聲器產生的排氣背壓由原來的30.2MPa，下降為14.4MPa。

3排氣背壓的優化

圖5為轉速5000r/min時排氣系統的排氣背壓的分布圖，雖然背壓貢獻量還是集中在三元催化器和消聲器上，但與優化前相比總的排氣背壓已由原來的74.8MPa下降為53.2MPa。由圖6優化前后各工況下的總排氣背壓的對比圖可知，在各工況下優化后的總排氣背壓都小于優化前，且隨著轉速的增加其差值也呈現出增大的趨勢。優化后總排氣背壓的平均降幅約為25%，可謂優化效果顯著。

4優化后對發動機性能的影響

圖7為優化前后的發動機在不同工況下的功率對比圖，當發動機的轉速在1000～3300r/min范圍內時，優化前后發動機的功率幾乎沒有差異;當發動機的轉速在3300～5700r/min范圍內時，優化后發動機的功率要大于優化前，且隨著轉速的增大而呈現出增大的趨勢，發動機的功率最大提升約15%。

圖8為優化前后的發動機在不同工況下的燃油消耗率對比圖，當發動機的轉速在2000～4000 r/min范圍內時，優化后的發動機燃油消耗率有明顯的改善，較優化前的最大降幅約16%。

5結論

對主消聲器的結構進行了優化：縮短了進氣內插管和出氣內插管的長度，將出氣內插管的入口改為喇叭狀，適當增大隔板上消聲孔的開孔面積;對二級三元催化器的結構進行了優化：減小擴張管的張角。優化后排氣背壓平均下降了25%，最大排氣背壓由原來的74.8MPa下降到53.2MPa;發動機的動率提升約15%，燃油消耗率最大降幅為16%。

參考文獻

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