重卡排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路設(shè)計(jì)探討

曹泰峰，萬(wàn)方軍

(大運(yùn)汽車股份有限公司，山西 運(yùn)城 044000)

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)車輛排放的要求越來(lái)越高。排氣系統(tǒng)作為重型卡車(下稱重卡)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣引導(dǎo)排出，并降低排氣時(shí)所產(chǎn)生的噪聲和廢氣溫度、凈化尾氣等。排氣系統(tǒng)的性能是衡量汽車質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于重卡，由于其發(fā)動(dòng)機(jī)功率普遍較大，振動(dòng)也較大，因而對(duì)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

排氣系統(tǒng)的一端與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，另一端通過(guò)支架與車架相連。由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)和排氣激勵(lì)的影響，排氣管振動(dòng)較大。如果排氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振，排氣管會(huì)因振動(dòng)過(guò)大而破損，影響其效能和使用壽命。

排氣系統(tǒng)的振動(dòng)源主要有：1)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)。排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)會(huì)直接傳遞給排氣系統(tǒng)。2)路面譜的隨機(jī)激勵(lì)。路面隨機(jī)激勵(lì)通過(guò)輪胎、車體和發(fā)動(dòng)機(jī)等傳遞給排氣系統(tǒng)，然后排氣系統(tǒng)逆向傳遞給車體。3)氣流沖擊。高速氣流經(jīng)過(guò)氣缸排出，直接沖擊排氣管而引起排氣系統(tǒng)振動(dòng)，特別是對(duì)于轉(zhuǎn)彎較急的部分。氣流進(jìn)入排氣系統(tǒng)后在管道內(nèi)產(chǎn)生紊流，引起排氣管道振動(dòng)。

如圖1所示，根據(jù)重卡排氣系統(tǒng)的組成，可以將其分為增壓器段、柔性段和后處理段。其中：增壓器段是指從發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器出口到柔性軟管之前的管路；柔性段是指起吸收減緩排氣系統(tǒng)振動(dòng)、位移和補(bǔ)償安裝公差作用的金屬軟管；后處理段是指從柔性軟管到后處理入口之間的排氣管路。從排氣系統(tǒng)的各部分振動(dòng)程度及故障情況來(lái)看，增壓器段的工況最惡劣。因此，主要論述增壓器段排氣管路的設(shè)計(jì)方法。

圖1 排氣系統(tǒng)組成

2 增壓器段排氣管路設(shè)計(jì)方法

2.1 增壓器段排氣管路設(shè)計(jì)原則

對(duì)于重卡排氣系統(tǒng)，其增壓器段排氣管路的模態(tài)及振動(dòng)是最關(guān)鍵的2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。重卡排氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)盡量提高增壓器段排氣管的模態(tài)，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速區(qū)，最大限度避免共振的發(fā)生。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1)采用鑄造排氣管，提高排氣管剛度；2)排氣制動(dòng)閥布置在增壓器出口，避免長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)；3)提高固定支架剛度，采用鑄造工藝或框架結(jié)構(gòu)；4)固定支架布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上，且靠近管路末端；5)減短增壓器段排氣硬管長(zhǎng)度，柔性段布置靠近增壓器；6)加長(zhǎng)柔性段長(zhǎng)度，增強(qiáng)系統(tǒng)減振性能。

2.2 增壓器段排氣管路性能要求

(1)模態(tài)。系統(tǒng)一階模態(tài)頻率應(yīng)大于100 Hz，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速區(qū)。

(2)振動(dòng)烈度。排氣管及支架的振動(dòng)烈度應(yīng)小于40 mm/s。

2.3 主要零部件的設(shè)計(jì)方法

(1)排氣制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示，建議選用管路與蝶閥集成的結(jié)構(gòu)。

圖2 排氣制動(dòng)閥

(2)排氣管結(jié)構(gòu)形式。如圖3所示，建議選用鑄造工藝或一次成型工藝的排氣管，避免拼焊管路。

圖3 排氣管

(3)固定支架結(jié)構(gòu)形式。如圖4所示，建議選用鑄造工藝或框架結(jié)構(gòu)的支架，增強(qiáng)支架剛度。

圖4 固定支架

2.4 典型排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路布置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器位置和整車布置的不同，排氣系統(tǒng)的布置形式多種多樣。下面通過(guò)對(duì)某品牌6×4牽引車采用濰柴WP10發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路布置(見(jiàn)圖5)的介紹，說(shuō)明典型排氣系統(tǒng)增壓器段排氣管路的布置。

圖5 濰柴WP10發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器段排氣管路

如圖5所示,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器位于發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)中部，出氣口朝前布置。由于增壓器出口朝向限制，排氣管路只能采用C形布置。這種走向的排氣管很難采用普通的折彎工藝生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)這種布置，并提高系統(tǒng)模態(tài)，采用鑄造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。

增壓器段布置：采用鑄造式排氣制動(dòng)閥，閥體與排氣管路鑄為一體，直接布置在增壓器出氣口，避免長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)。與排氣制動(dòng)閥連接的管路為一小段鑄鋼管，鑄鋼管整體成型，避免焊接應(yīng)力破壞管路；管路固定支架采用鑄造工藝，通過(guò)2個(gè)支架將排氣管路固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。在設(shè)計(jì)固定支架時(shí)，注意采用可調(diào)節(jié)的長(zhǎng)圓孔，避免產(chǎn)生裝配應(yīng)力。

3 仿真分析方法

在設(shè)計(jì)匹配新車型時(shí)，可通過(guò)仿真分析對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。下面通過(guò)對(duì)濰柴WP10發(fā)動(dòng)機(jī)2種增壓器段排氣管路布置模態(tài)的對(duì)比分析，介紹增壓器段排氣管路的仿真分析方法。

3.1 方案對(duì)比

圖6為兩種首段管設(shè)計(jì)方案對(duì)比。方案1：排氣管布置在增壓器出口，采用鑄造工藝，固定支架采用框架結(jié)構(gòu)；排氣制動(dòng)閥布置在管路末端，與軟管相連。方案2：采用鑄造式排氣制動(dòng)閥，閥體與排氣管路鑄為一體，直接布置在增壓器出氣口；與排氣制動(dòng)閥連接的管路為一小段鑄鋼管，通過(guò)2個(gè)鑄造支架將排氣管路固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上。

圖6 WP10排氣管路設(shè)計(jì)方案對(duì)比

3.2 邊界條件

模態(tài)分析的邊界范圍包括從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管至柔性軟管的所有管路及支架。

3.3 建立有限元模型

由于排氣管路進(jìn)氣端通過(guò)排氣岐管與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，在模擬分析時(shí)，將進(jìn)氣端全約束。出氣端與柔性軟管相連，以配重的形式進(jìn)行模擬計(jì)算。鑄件采用四面體Solid單元、鈑金件采用四邊形Shell單元模擬，運(yùn)用HyperMesh軟件對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型。

3.4 模態(tài)分析結(jié)果

增壓器段排氣管模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表1和圖7。

表1 增壓器段排氣管模態(tài)分析結(jié)果

圖7 兩方案1階模態(tài)對(duì)比

由表1和圖7可知：方案1的1階模態(tài)頻率為43.49 Hz，方案2的1階模態(tài)頻率為65.92 Hz，說(shuō)明方案2的結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案1。

4 設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證

樣車完成裝車后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。

4.1 試驗(yàn)依據(jù)

(1)Q/WCG 138.12《柴油機(jī)NVH開(kāi)發(fā)規(guī)范》第12部分“發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件模態(tài)試驗(yàn)”。

(2)Q/WCG 159.27《配套技術(shù)規(guī)范》第27部分“NVH測(cè)試”。

(3)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》。

(4)Q/WCG 159.62《配套技術(shù)規(guī)范》第62部分“商用車排氣系統(tǒng)匹配”。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

模態(tài)大于100 MPa；振動(dòng)烈度小于40 mm/s。

4.3 濰柴WP10發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器段試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)上文中方案1和方案2進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

4.3.1 系統(tǒng)模態(tài)

測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8。通過(guò)力錘間斷敲擊增壓器段管路末端，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置

表2 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

由表2可知：方案1的1階模態(tài)頻率為68.9 Hz，方案2的1階模態(tài)頻率為88.5 Hz，方案2的模態(tài)頻率高于方案1。

4.3.2 振動(dòng)試驗(yàn)

原地均勻加速，記錄各轉(zhuǎn)速點(diǎn)下管路及支架的振動(dòng)烈度，繪制振動(dòng)烈度曲線。

方案1：原地升速工況下，排氣制動(dòng)閥測(cè)點(diǎn)存在67和114 Hz 2個(gè)共振點(diǎn)，導(dǎo)致在1 340、1 500 r/min轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生共振，振幅達(dá)60 mm/s，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

方案2：原地升速工況下，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)烈度在35 mm/s以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖9)。

圖9 原地升速工況下方案2排氣系統(tǒng)振動(dòng)烈度曲線

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于重卡排氣系統(tǒng)，增壓器段排氣管路的設(shè)計(jì)質(zhì)量至關(guān)重要，會(huì)直接影響排氣系統(tǒng)的使用壽命。應(yīng)通過(guò)多種手段，完善和優(yōu)化排氣管路設(shè)計(jì)方案，從而降低排氣系統(tǒng)故障率，延長(zhǎng)其使用壽命。