汽油机汽车排气系统设计及制造工艺简析

吴熙平

(清华大学苏州汽车研究院(相城),江苏苏州 215134)

汽油机汽车排气系统设计及制造工艺简析

吴熙平

(清华大学苏州汽车研究院(相城),江苏苏州 215134)

随着我国汽车整车三包周期及客户对汽车品质的要求不断提升。对开发整车及排气系统NVH性能要求更高,也对排气系统供应商的设计开发及生产制造能力提出了更高的要求。本文通过对汽车汽油发动机排气系统的设计、开发、制作经验以及汽车生产企业的要求,从开发设计输入信息要求、设计计算、结构、布置及材料等综合进行简单介绍。

汽车排气系统

汽车排气系统是汽车发动机动力总成的主要部件，它的主要作用是使发动机排出的废气顺畅的通过排气系统，低噪声、低排放的排入大气。它的性能好坏直接影响废气排放指标、整车的舒适性及可操控性。是影响整车的加速性能、排放、NVH等主要因素。

1 汽车排气系统的初步设计

排气系统主要包括:热端的排气歧管总成、催化器总成及冷端的排气管总成、消声器总成等主要部件。

排气系统的设计输入信息:(1)汽车发动机排量、规格参数:用于排气管管径及消声器溶剂的设计计算。(2)车身、底盘、油箱等数模:用于确定排气系统管路走向、消声器的布置及吊挂位置的初步设置。(3)发动机原始废气排放值:用于初步确定三元催化转化器的贵金属的含量及配方比例。(4)发动机噪声频谱及发动机GT主模型:用于排气系统消声器的结构设计计算。

2 主要排气系统部件总成解析

2.1 发动机排气歧管

排气歧管的功能作用是:把发动机多个发动机出气口排出的高温废气。使其气体流动均匀的汇集到同一管中。

设计需根据发动机各主要参数及模型，采用一维热力学计算选取合适的排气歧管管径、各个支管管长、总管的管径、各个气缸的歧管如何连接等。由于发动机舱空间较为紧凑，需根据发动机布置的空间合理布置歧管的走向及后法兰位置、角度等。

满足各缸之间的排气顺畅及均匀性、排气背压小、避免各缸排气相互干扰，无明显的回流及涡流现象等，为减少各缸排气干扰，如4缸发动机通常点火次序1、3、4、2，可设计成1-4和2-3支管交汇后入总管或采用相同等长度支管交汇后入总管等，这样的歧管比较复杂，基本不存在各缸相互影响的问题。

由于其紧靠发动机出口，工作温度在900度以上，为确保其在汽车长期行驶的各种恶劣情况下，排气歧管不出现漏气、断裂的情况。须选用耐高温性能强的金属材料.歧管与发动机之间需要设计支架支撑连接，降低歧管的震动避免发生断裂。考虑到发动机仓及歧管周围的温度场要求。可在排气歧管的上下两侧设计隔热罩，采用镀铝薄板或成型铝薄板。

主要材料:灰铸铁、球墨铸铁、硅钼球墨铸铁、蠕墨铸铁、高镍球铁等，主要工艺采用:整体毛坯铸造工艺，机械精加工两端法兰平面.铸铁的歧管结构简单，成本较低，性能一般。

另采用SUS429、SUS441铁素体不锈钢材料的薄板及管式歧管。

主要加工工艺有:零件制作采用歧管、法兰均冲压:薄板蚌壳式歧管与薄板法兰:薄板法兰、管连接工艺，歧管总成采用308L、409Ti焊丝的焊接工艺:不锈钢歧管性能好，设计、结构复杂，成本较高。

2.2 三元催化转化器

三元催化转化器主要由:前后法兰、连接管、催化器本体组成，其核心部件为催化器本体，主要由:壳体衬垫载体触媒.三部分组成.根据壳体封装形式主要分为:蚌壳式、旋压式、扣盖式等。载体可分为:金属载体、陶瓷载体。

三元催化转化器是汽车重要的环保法规件，其作用是载体触媒对发动机排出的废气二次燃烧，促使碳氢化合物(NC)、一氧化碳(CO)及氮氧化合物(NOX)三种主要有害气体与载体涂覆的贵金属铂:铑:钯(Pt:Pd:Rh)进行氧化、还原反应，转化生成:H2O水(蒸汽)及二氧化碳CO2等物质.其性能指标主要有:转化效率、起燃温度等。

催化器载体触媒需要根据执行的法规排放标准值、发动机的排量及初始排放值(CO、NC、NOX)等信息设计载体规格及容积、触媒贵金属涂敷比例、涂敷量等，并通过发动机台架及实车路试等方法对触媒新鲜、老化状态做相关的排放实验。

催化器端锥的锥度(≤45°)及形状对气体流动均匀性、排气背压及催化器反应效果有着至关重要的影响。

现阶段的国IV、国V，阶段，催化器的位置紧邻排气歧管.多采用双级催化器，触媒为:600、400目陶瓷载体，壳体材料主要为:前级SUS441及后级SUH409L，衬垫采用3M:1101型(非膨胀型)、1443+100型(包边型)及100型。

2.3 排气系统冷端:排气管、消声器

排气系统冷端主要由排气连接管总成、消声器总成组成。是汽车主要降低排气系统排放噪音的功能及法规件，需要根据汽车底盘空间位置、发动机排量及发动机频谱等输入信息，初步设计排气连接管、消声器的布置、数量、容积及仿真设计主要结构性形式。消声器的主要结构工艺形式有:蚌壳式(咬口、焊接)、卷点式、纵咬盒盖式、筒体旋压式等。为了降低排气系统振动噪声及与行驶中的整车的产生共振，通常会在消声器筒体及隔板强度较弱部位增加加强筋。为降低消声器辐射噪声，可在消声器筒体外包裹吸音棉及隔热罩。须通过采用消声室结合发动机台架及实车路试等方法对排气系统冷端做相关的实验验证及权威机构的实验检测。

排气系统冷端较长，通过车底盘、横梁、油箱、传动轴等部件。为了避免汽车运行过程中排气系统与之发生干涉及碰撞。通常设计布置排气系统与这些部件的位置间距不小于50mm。且汽车满载时排气系统最低位置处距地面高度需大于整车的最小通过高度，为了减少震动传递及制造误差避免后端处发生干涉。设计时通常会在冷端排气前法兰采用:球面垫圈弹簧紧固链接或靠近前端法兰处加挠性节链接的方式。

排气系统的主要材料:管多采用;SUH409L、SUS436铁素体不锈钢。

消声器筒体多采用;SUH409L、SUS436L、SUS439L铁素体不锈钢，高端车型采用:SUS301、SUS304奥氏体不锈钢。

随着催化器净化效率的提升，汽车使用过程中生成的酸性溶液不断增多，且容易积存于消声器中，不易排出，通常在设计之中会考虑采用出气管口位置尽可能地布置在靠近低位或采用一小段虹吸管的方式以及在消声器筒体或端盖最低处设计直径较小的放水孔等方法将减少积水。

综上所述:排气系统需要根据整车发动机及汽车底盘等信息。采用合理的结构及布置设计.选用适合的耐腐蚀好的材料，已达到整车排放及使用寿命的要求。

[1]任文堂.工业噪声与振动技术.

[2]吴帮玉.汽车消声器设计流程.