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1、1,微型汽车排气系统匹配设计,交叉型乘用车中心动力附件所 2013年09月01日,一、微客排气系统的概念及系统构成：,概念：把发动机气缸内燃烧产生的废气导出发动机的零部件集合体称为 排气系统。 一、排气管 二、三元催化器 三、消声器 四、尾管、减振块等其它附件,排气系统的功能：,1）以尽可能小的排气阻力和噪声，将发动机气缸内的废气经过处理后排放到大气中； 2）降低发动机因猛烈燃烧振动产生的噪声，改善、提高乘员的乘坐舒适性； 3）有效控制、降低废气污染的排放，保护环境。,排气系统的构成,1、排气系统的特性 1)、 净化排出气体的作用，使之达到排放标准。 2)、 降噪的作用，达到排放标准。 2、排
2、气系统的组成：歧管，热端，冷端。 1)、 歧管的特性： 歧管是连接热端与发动机之间的连接管，发动机出口温度在1000左右，歧管温度一般在800左右，所以要求的材料必须是耐高温、强度高、抗热疲劳.材料一般选择的SUS429，这种材料在900以上有很好的机械性能和抗热疲劳性能。 2)、 热端的特性 位于歧管与冷端之间，温度一般在750-800之间，材料一般选择的SUS429或SUH409，大多数转化器一般都放在热端。 3)、 冷端的特性 冷端是指消声部分，一般分前中后，前消温度在750左右，中消温度在500左右。温度低于800，选择材料是一般耐热钢。 后消温度在200左右，尾管在100左右，选择材
3、料是一般是抗腐蚀性的低耐热钢等，尾管一般选择装饰性不锈钢材料。,三元催化器,三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。 三元催化器净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种标准装置。当然，催化式排气净化器也不是全能的，它只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，如果使用含铅汽油，废气中的铅就会复盖催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，所以现在的车用汽油一般都是无铅汽油。 三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三
4、种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。,三元催化器,人类在治理汽车排气污染的历程中，在70年代中期之前主要采取以改善燃烧过程为主的机内净化技术措施，这些措施尽管对降低排气污染起到了很大的作用，对汽车的动力性和经济性带来副面影响，这种技术难以满足日益严格的排放法规，人们开始研究机外净化技术-三元催化转化器，三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和
5、还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。 三元催化器净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种标准装置。当然，催化式排气净化器也不是全能的，它只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，如果使用含铅汽油，废气中的铅就会复盖催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，所以现在的车用汽油一般都是无铅汽油。,三元催化器组成：壳体、减振层、载体、催化剂涂层4部分组成,三元催化器组成：壳体、减振层、载体、催化剂涂层4部分组成 1)、 催化剂壳体由耐高温的不锈钢材料组成，以防止氧化皮脱落造成载体的堵塞。为了保证催化剂的反应温度，许多转换器的壳体具有双重结构，防止高温辐射，外面装有隔热罩. 2)、 减振
6、层：膨胀垫，钢丝网垫两种. 作用：密封保温和固定载体的作用，防止震动及壳体受热变形对载体造成的损害.现在减振层大多采用膨胀垫. 3)、 膨胀垫：由膨胀云母硅酸铝纤维粘结剂组成. 膨胀垫第一次受热时体积明显膨胀，冷却时收缩很小，这样保证壳体与载体之间的完全密封. 4)、 载体：一般为蜂窝状陶瓷材料，也有金属载体的。截面分布正方形小孔. 5)、 涂层：在载体孔道的壁面涂有一层催化剂活性层，其粗糙的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大到7000倍。在涂层表面分布活性材料的贵金属，铂（PT）铑（RH）钯（PD），铂（PT）主要催化CO和HC的氧化反应，铑（RH）用于催化NOX的还原反应. 钯（PD）价
7、格便宜，因此全钯催化剂也是研究方向. 2CO+O22CO2; 4HC+5O24CO2+2H2O 2CO+2NO2CO2+N2; 4HC+10NO4CO2+2H2O+5N2,三元催化器串接在排气歧管和和消声器之间, 氧传感器之后. 三元催化器的内部结构是蜂窝状管道设计. 在蜂窝管道壁上有铂,铑和钯等贵金属元素的涂层作为催化反应媒. 三元催化器的最佳工作温度为: 375800C; 短时耐受温度为 900C. 14.614.7空燃比的混合气在发动机汽缸内燃烧后流三元催化器过滤, 转化成无害的气体排出.,发动机的排气压力约为0.30.5MPa，温度约为500700，这表明排气有一定的能量，同时，由于排
8、气的间歇性，在排气管内引起排气压力的脉动。如果将发动机排气直接排放到大气中，势必产生强烈的噪声。所以排气消声器的功用就是通过逐渐降低排气压力和衰减排气压力的脉动来消减排气噪声。 排气消声器主要是引导发动机各缸废气顺畅排出，可分为利用通路节流产生压力变动，利用声的干涉，冷却排出废气等进行消声的方法，按其工作的物理原理可分为吸收式（阻性消声）和反射式（抗性消声）两种型式但在实际应用中是上述两种型式的结合体（阻抗复合式）。,消声器,阻式消声器的结构与原理 是在消声器内壁上粘接一层吸声材料或在内腔填充吸声材料，当声波遇到吸声材料时，部分声能被吸收，同时由于吸声材料表面不平滑所产生的流阻降低的废气流动速
9、度，从而使废气能量降低，达到降低噪声的目的，一般借助固定在气流流动的内壁或按一定方式排列在管道中的吸声材料的吸声作用，使沿管道传播的噪音随距离的增加而衰减.常用玻璃棉。 阻性消声器的声学性能主要取决于声吸收结构和吸声材料的流阻，它通常具有宽频带降声的特性，一般应用于轿车。由于汽车废气具有高温、高速、带油污、有时还带有火的特点，因此阻性消声器所采用的吸声材料应耐高温、耐冲击、不怕油污和火。 优点：中高频宽范围，特别是刺耳的高频； 缺点：高温以及气体的吹出而丢失。,抗式消声器的结构与原理,抗性消声器一般由一个或多个空腔和共鸣腔或有限管段组成，当废气通过抗性消声器时产生阻抗失配。阻抗失配使部分声能向
10、声源反射或在空腔内来回，从而达到降低排气噪声的目的。抗性消声器一般是借助管道的突然扩张及收缩，或旁接共振腔，使沿管道传播的噪音在截面突变处一部分向声源反射，而不通过消声器，达到消声的目的。这种消声器多用于载货汽车。隔板将外壳分成了尺寸不等的滤声室，多空管在室内穿过，与外壳形成空腔，当排气气流通过时，产生阻抗失配，从而降低排气噪声。,常用的反射式消声器有扩张式和共振式两种。主要用于削减中低频率噪声。,扩张式消声器 扩张室抗性消声器；利用管道内截面积的变化而引起的声阻抗不匹配所产生的反射和干涉作用达到噪音的衰减，这种扩张室消声器的效果主要取决于管道的截面比及所采取的膨胀腔的数量。,共振式消声器 共
11、振式消声器是由管道壁开孔与外侧密闭空腔相通而构成的。典型的旁支型共振器如图7所示，也称亥姆霍兹共振器。当气流经过小孔时，小孔孔径中的气体在声波压力作用下，象活塞一样进出空腔。声波与孔颈壁面相互摩擦，可使一部分声能变为热能而消耗掉；当排气声波与共振自振频率相同时，将发生共振，这时振动的强度最大，空气柱在孔颈中的速度及磨擦损耗也就最大，吸收的声能也最多，达到了消声的效果。,阻抗复合式消声器,阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗性消声器则适于消除低、中频噪声。将阻性、抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果。 不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗复合消声器。一般情况下，是抗性
12、部分放在前面(入口端)，阻性部分放在后面,从发动机发声的能量来看, 发动机排量越大, 它排除的废气量就越多, 排气噪声的能量就越大, 要消声到允许值, 就必须采用大容量的消声器. 另一方面, 排量越大, 消声器承受的高温、高速脉冲气流越多、越强烈, 在消声器内就越容易产生再生噪声, 因此除了必须仔细设计消声器内部结构形状使其符合空气动力学性能要求外, 还必须在消声器内部使脉冲迅速平稳下来. 消声器容量越大, 它对脉冲缓冲作用越大。但是消声器容积也影响整车的布置，增加了成本，所以在综合考虑的基础上消声器容积计算经验值上取发动机排量的8-10倍，而美国康明斯公司推荐的经验值消声器的容量一般为发动机
13、排量的6倍左右；而日本日野株式会社推荐的值是：消声器的容量一般为发动机排量的56倍左右，可以根据消声器在整车上的布置选择合适的容积，一般考虑噪声的情况下，消声器容积越大越好，但是空间利用和成本上，在满足使用的情况下越小越好。,消声器消声容积的确定,1）消声性能好，在排气噪声的整个频率范围内，应有足够的消声量，同时力求避免产生气流再生噪声。 2）阻力损失小，即消声器消耗内燃机的功率要尽可能小。 3）减振性能好，消声器一端与发动机相连，另一端则通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给消声器，然后再通过挂钩传给车体。要求消声器传递到车体上的力尽可能小。 4）耐高温、耐腐蚀，机械性能好，工作可靠，使用寿
14、命长，此外消声器壳体及内部隔板刚度要好，以防激发强烈振动，辐射出较大噪声。 5）消声器的外型尺寸应与整车协调。尺寸和重量需根据产品所要达到的性能要求以及底盘空间位置来确定，在满足性能和可靠性要求的基础上，做到尽量小为最好。 6）结构简单，工艺性好，成本低。,消声器的技术要求,功用： 减少噪声和消除废气中的火焰及火星。 原理： 1)多次地变动气流方向； 2)重复地使气流通过收缩而又扩大的断面； 3)将气流分割为很多小的支流并沿着不平滑的平面流动 4)将气流冷却。,消声器虽然能降低噪声，但会降低一些发动机功率，因为就算设计完善的消声器也会在系统中产生一些背压，从而降低发动机容积功率，因此一些竞赛车
15、是不装消声器的，开起来噪声十分大。,排气管径的选取,流体速度与流量成正比而与管道直径的平方成反比。如果流量一定的，直径越大，速度越慢。如下图所示在2700rpm以下时，直径越大，尾管噪声越高。我们的设计原则是在保证排气背压及功率损失的前提下，尽可能采用较小的管径，这样不但可以获得较好的常用转速噪声，而且可以降低成本，减轻整个消声器的质量，对整车轻量化及降低油耗起到积极作用。,吊钩位置的选取,排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则： （1）吊钩应该尽量布置在振动的节点上或节点附近； （2）吊钩应该位于车身结构的刚性较强处。 对于排气系统吊钩位置的选取必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各阶模
16、态分析，包括自由模态分析及约束模态分析来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置结合车身底板钣金结构综合评判确定吊钩位置，确保车身吊钩位置处的刚性，保证吊钩一阶模态频率250HZ。,橡胶吊耳的基本特征,橡胶吊环有如下作用： 1、将排气系统与车身相连 2、尽可能的将消声器的振动隔离，使之尽可能少的传递到车身上。 常用橡胶材料： 硅橡胶（SR）-硅橡胶是一种既耐低温又耐高温的特种合成橡胶，而且没有任何毒性。使用温度范围-93230。 三元乙丙橡胶（EPDM）耐天候性能，耐臭氧老化性能和耐热性能非常优良，但是自粘性能差，硫化速度慢是其最大特点，多用于非油场合，使用温度范围-30120。价格较硅橡胶便宜很多。 鉴于此，一般地，橡胶吊环采用材料为三元乙丙橡胶EPDM，个别对耐温要求高的可采用硅橡胶。其特性主要参考硬度、静刚度及动刚度几个参数。,
