汽车排气系统机械性能试验方法研究

尹红光

摘要：本文根据排气系统常见故障的分布，应用有限元分析FEA（Finite Element Analyses）工具，对排气系统的危险截面和关键部位进行分析常见故障和国内外试验方法进行了研究。结果表明，排气系统的试验方法的设置应遵循以”针对关键部位，模拟实际工况“为原则，借助有限元分析这一现代计算机软件工具，根据排气系统及其组成部件的常见故障，合理的选择试验内容和试验条件，才能真实的反映产品试验结果的可信度。

关键词：排气系统 催化器 消声器 有限元分析

汽车排气系统（以下简称“排气系统”，不含歧管或歧管式催化器，下同）由催化转化器（以下简称“催化器”）、排气消声器（以下简称“消声器”）、排气管总成、解耦器（柔性管或球形法兰）和悬挂组件（支架或吊挂、橡胶吊耳）等部件组成（如图1），是发动机系统重要组成部分，起到降低排放和噪声污染作用。随着我国环保法规的日益严格，找到一个符合或接近排气系统实际工况的试验方法，对确保排气系统设计生产的正确性和产品的可靠性，从而发挥其应有的作用是十分必要的。

1.排气系统常见机械故障和力学分析

1.1排气系统常见机械故障

排气系统常见机械故障大体分为开焊（或裂纹）、断裂（或破碎）等机械损伤和因排气和环境中弱酸、弱碱造成的腐蚀损伤（如催化器和消声器壳体穿孔等）两大类。

1.1.1排气系统常见机械故障位置分布

排气系统常见机械故障分布如图1箭头所示位置，其特点是：催化剂载体（catalytic substrate）、两零件（如法兰与接管）或单一零件（如捆绑式催化器纵缝结合部）焊接边缘、零件两个形状交界应力集中处（如催化器或消声器的锥管与接口圆柱）和排气管弯管应力集中处等为故障常发位置。

1.1.2排气系统常见机械故障部分实例

1.2 排气系统力学分析

排气系统应力一般由因振动引起的机械应力和因交变温度（排气温度+催化器反应温度）引起的热应力两大部分组成。分述如下：

1.2.1 机械应力

1.2.1.1 振动源

排气系统的振动源包括发动机的机械激励、发动机气流冲击、声波激励和车体激励四个方面，如图3所示。

1.3排气系统热力学分析

催化器对一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的反应属于氧化放热反应，故催化器（含歧管式催化器）是排气系统中热力学分析的重点研究对象，其化学反应式如式（3）所示：

2CO + O2 = CO2 ， C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O （3）

1.3.1催化器温度分布分析

1.3.1.1催化剂载体

应用star-CD工具对催化剂载体（catalytic substrate ）的温度分布进行分析，结果如图6.1和6.2所示：

催化器轴向温度这种由高到低的分布状态可以用催化动力学来解释，即

Fy0dx=rsSgρb，Acdz （3）

式中：Fy0—催化器入口端反应物克分子数； dx —转化率微量； rs —催化剂反应速率；ρb—催化剂涂敷量；Sg—催化剂单位重量的比表面积；Ac—载体截面积；dz —催化床某截面长度微量

催化器入口处反应物浓度大，反应剧烈温度高；反应物在催化床移动越往后浓度越低，故温度逐渐降低。

催化器径向温度这种由芯部到边缘由高到低的分布状态可以用流体在管体流速分布状态来解释。

1.3.1.2催化器壳体

催化器壳体温度和最大应力分布如图3.3所示，其最高温度在接口处，与图2.1 排气系统机械故障位置分布图位置吻合。

图6.3 催化器壳体温度分布图

1.3.2催化器热应力分析依据

催化器是一个由堇青石陶瓷（催化剂载体，脆性材料）、蛭石（衬垫）和不锈钢（弹性材料）不同材料组装而成的整体部件。

依据热力学原理，单一均质物体在无外界约束、无温度变化时不会产生应力。但在有温度场过分不均匀时会造成严重的热应力；且依据对于弹性材料的杜阿梅尔-诺依曼的线性热应力理论，即假定在温度变化不大的情况下，由于温度的变化引起的应力（或应变）和外力引起的应力（或应变）可以叠加。

且在两种不同材料的交界处（如催化剂载体和衬垫、衬垫和壳体），由于其热膨胀系数α不一，形成约束，产生应力。

2.结语

綜上所述，排气系统的试验方法的设置应遵循以“针对关键部位，模拟实际工况”为原则，借助有限元分析这一现代计算机软件工具，根据排气系统及其组成部件的常见故障，合理的选择试验内容和试验条件，如此才能真实的反映产品试验结果的可信度。

参考文献：

[1]GB/T18377-2001汽油车用催化转化器的技术条件与试验方法[M].

[2]庞剑.汽车进排气系统的噪声与振动讲义[M].第6章.

[3]田育耕，等.汽车排气系统振动模态分析与悬挂点优化[N].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.28（6）.