汽车发动机排气歧管发展研究

代孟

摘要：汽车发动机中有一个关键的组成部分，就是排气歧管。随着可持续发展的理念越来越深入人心，节能环保的意识越来越成为时代主流，排气歧管的发展也面临着新的挑战。本文对目前国内外排气歧管的发展现状进行了综合分析，对国外先进经验进行了学习和探究，寻找到了排气歧管未来新的发展方向，同时，通过对耐高温不锈钢的充分应用，开发了一系列新型高端耐热性能，希望能够在未来的生产制造中帮助提升排气歧管的制造工艺性和精确性。

Abstract： The exhaust manifold is a key part of automobile engine. With the concept of sustainable development more and more popular， the awareness of energy conservation and environmental protection has become the mainstream of the times， and the development of exhaust manifold is also facing new challenges. In this paper， the development status of exhaust manifold at home and abroad is comprehensively analyzed， the advanced experience of foreign countries is studied and explored， and the new development direction of exhaust manifold in the future is found. At the same time， through the full application of high temperature resistant stainless steel， a series of new high-end heat resistance properties are developed， hoping to help improve the manufacturing of exhaust manifold in the future production and manufacturing Process and accuracy.

关键词：可持续发展;节能环保;排气歧管;制造工艺

Key words： sustainable development;energy saving and environmental protection;exhaust manifold;manufacturing process

0  引言

作为汽车发动机中重要的组成部分，排气歧管的工作环境对温度的要求相当高，一般都是在500摄氏度以上的高温和腐蚀条件下进行作业。因此在制造排气歧管时，必须要选择耐高温和耐腐蚀性能极强的材料。随着全球范围内节能环保观念的深入人心，在进行汽车制造时，越来越注重汽车的节能减排性能，因此，汽车行业在进行汽车工艺制造时，也尽量对车身做减重设计，以实现汽车的节能减排性能。此外，在进行发动机制造时，为了提高效率，将燃油排放温度提升到了最高1000多摄氏度，这就给排气歧管造成了很大压力。因此，笔者将会从排气歧管的多个角度对排气歧管的发展进行阐述。

1  材料成形工艺

1.1 铸造成形

过去在铸造排气管时，选择的主要成形模式一般为潮模砂重力铸造，材料一般选择的都是传统的灰铁、蠕铁和球铁等。因为采用的全自动的流水线进行生产，因此，生产效率很高，生产速度可达到每小时200多型。但随着全球化的进程不断推进，20世纪末，汽车内部钢液温度达到了1600摄氏度以上，传统的铸造模式已经无法满足温度要求，因此采用了新的树脂砂制备排气管内腔砂芯技术，不但大大提升了工作效率，还满足了温度需求，并且随着包芯工艺的不断发展，已经做到了大规模生产。除去树脂工艺以外，当时还出现了一种失蜡熔模铸造工艺，采用这种工艺成产出来的零件不仅精确度高，而且很耐用。但是由于生产成本太高，生产力低，所以很难大规模投入使用，一般被用来生产数量少、工艺复杂的零件。这种失蜡熔模铸造工艺是对多种工艺的融合，不仅可以做到误差最小，精度最高，还能生产复杂程度高、薄壁要求苛刻的产品，解决了很多难题。

随后又出现了一种新工艺，该工艺最早是由国外两个汽车公司联合开发出来的，是对多种铸造工艺的大融合，在制造砂芯时运用的是传统冷芯盒技术;在组芯时运用的是耐高温无机粘结剂，在铸造陶瓷铸型时采用的是失蜡铸造工艺，该工艺被命名为凯迪翻转模工艺，英文缩写简称为CCM工艺。传统的铸造工艺在进行钢液浇注时很难达到钢液的温度，不能很好的满足钢液的填充性能。但CCM工艺在进行钢液浇注时能够充分满足温度需求，不会形成对钢液的刺激，因此可以很好的满足钢液的填充性能。此外，采用CCM工艺铸造出来的铸件不仅气体缺陷小，而且收缩小，最终出来的产品成功率很高，精准度很高。再加上CCM工艺在制造时对材料的要求不高，很多材质较差的材料也能通过CCM工艺铸造出好的成品，大大减少了成本，提高了成功率，提升了工作效率。而且很适合生产薄壁复杂的铸件，解决了传统工艺不能解决的难题，不仅能够大批量生产，还能生产高精尖铸件，具有划时代意义。

1.2 焊接成形

随着全球化的趋势的推进，汽车生产制造时越来越注重提高发动机的排放温度和实现汽车低排量轻量化性能，因此，汽车制造工艺中越来越多的应用到了焊接不锈钢排气管技术。不同于原本的铸铁排气管，不锈钢排气管能够最大程度的满足铸造温度，在工作时能够承担的温度上限很高，而且不锈钢排气管的减重效果也很好。在进行焊接不锈钢排气管时，一般会采用两种铸造方式，一种是不断的冲压不锈钢材料，使之成型以后再通过焊接成形。另一种是将不锈钢材料进行扩管处理以后焊接成型。这两种方式在选择材料时很灵活，很多材料都可以进行运用，采取的制造技術也很先进，一般采用的是激光焊接技术，不仅可以充分提高工艺质量，提升精确度，减少失误率，提高成功率，提升效率，而且弹性很大，生产出来的钢管性能多样，耐热性强。因此，该技术被越来越多的汽车零件制造公司所采用，发展前景良好。而用这种方法焊接而成的排气歧管不仅耐热温度大大提升，而且总体性能良好，比传统的铁铸件更加耐用，目前已经实现大规模量产。但是目前运用激光焊接技术生产出来的焊接不锈钢排气管仍然存在很多缺点，比如成本更高、噪音更大、刚度不达标、产品的精确度不高等，目前国内的很多汽车企业已经对该技术进行优化升级，最具代表性的就是哈尔滨工业大学，已经开发出了一种内高压成形技术，将排气歧管的制造质量提升了一大截，但是因为技术还不够成熟，所以没有进行量产，还要进一步进行生产实践。

2  产品设计

2.1 薄壁化

为了满足汽车低排量轻量化的时代需求，为了促进全球可持续发展，为了充分实现节能减排的环保需求，所以在设计汽车零部件时必须要做好减重工作。在汽车的整车油耗中，大部分的油耗与车身过重脱不开关系，因此，想要降低汽车油耗，减少汽车排放量就必须要将汽车整体做一个减重设计。根据权威研究表示，汽车重量的下降不仅可以同比例的带来油耗下降，还会使汽车排放量有所下降。为了达到汽车减重要求，目前排气歧管已经在往薄壁化、轻工艺化方向发展，很多排气歧管的壁厚只有2毫米，但这同时也要求排气歧管的材料耐热性更强，抗压性更强，在选择材料时必须要选择性能更好的材料，不能在采用传统的铸铁，要采用更先进的耐热材质。比如高镍奥氏体耐热球铁或者不锈钢材料。进行铸造时，要摈弃过去的传统潮模砂铸造工艺，转而采用新型的壳型铸造或包芯工艺;在进行浇注时，不能再使用笨重的重力浇注模式，而要采用新型低压浇注模式;在进行铸造时，放弃过去的砂型铸造方式，采取更先进的陶瓷铸造方式。

2.2 整体化设计

要想使排气歧管的发展前景越来越好，就必须要从整体上做好设计，不仅要做好减重设计，还要做好涡壳整体设计，这样一来，不仅有助于整体发展，还能够充分降低成本，但是同时，铸造工艺水平也必须进一步提升，这样才能跟得上整体设计变化。在欧洲的发动机铸造过程中，用到涡壳整体设计的次数很多，运用这种设计，不仅可以将发动机内部进行充分整合，还能够减少热量，降低排放温度，使发动机整体运行的更加稳定，增加工作效率的同时还能更快的减少暖机时间。这种设计在欧洲被广泛运用，常见于威朗车型。

2.3 其它

通过在排气歧管内部装备水套的方式，达到降低排气歧管温度的目的，这种方式不仅降低了成本，在材质上的选择上也更加灵活，不再需要昂贵、稀缺的耐高温不锈钢材料，普通的铸铁或者铝合金材料就能充分满足制造需求。因此，该设计已经大规模的投入使用了。而且，在排气歧管内部，还增加了陶瓷涂層技术，该技术不仅能够增加抗热性，还能够增加抗氧化性。

3  发展趋势

未来的汽车生产中，实现汽车的低排放、轻量化，必然是大势所趋，因此，在进行排气歧管制造时也要尽量满足这种需求。

①要选择耐热性、抗压性、抗氧化性更好的制造材料，比如说耐高温的不锈钢铁、以及高镍奥氏体球铁等材料，这些材料都能充分满足耐高温、耐疲劳、抗氧化的需求。

②积极开发新型材料，降低成本，增加材料选择的灵活性。

③在整体设计时，要尽量进行排气管的内部整合。

④做好整体减重设计。

⑤要想充分运用好新型耐热材料，做好汽车的整体减重设计，就必须要对铸造工艺进行进一步的升级和优化，不能再继续使用传统的铸造工艺，要积极研发出新的精度更高、成本更低、灵活性更高的工艺来，要更多的运用到一些新型材料。新能源汽车已经成为汽车行业的大势所趋，因此，就必须要对发动机进行升级，对汽车的整体设计进行优化，这样才能在未来的市场竞争中获得更有利的位置。

参考文献：

[1]杨云龙，曹占义，崔雷.汽车发动机排气歧管用耐热铸造合金的研究与发展[J].汽车工艺与材料，2019（05）：1-4.

[2]王业双.汽车发动机排气歧管材料、成形及其发展[J].铸造技术，2018，39（01）：220-225.

[3]张俊红，张玉声，王健.高温环境下汽油机排气歧管振动特性及疲劳寿命研究[J].振动与冲击，2017，36（13）：33-40.

[4]帅石金，欧阳紫洲，王志.混合动力乘用车发动机节能技术路线展望[J].汽车安全与节能学报，2018，7（01）：1-13.

[5]朱双春，王宝森，许轲.汽车排气管用铁素体不锈钢的性能发展[J].金属加工（热加工），2019（12）：33-35.

[6]Anton Wolf， Udo Gaertner， Tim Droege. Noise Reduction and Sound Design for Diesel Engines–An  Achievable Development Target for US Passenger Cars. SAE Paper， 2018-01-171.

[7]Bartenwerfer M， Gikadi T， Neise W. Noise reduction in centrifugal fans by means of an acoustically lined casing. Noise Control Engineering， 2017， 8（3）： 100-107.

[8]GU Zhengqi， HE Yibin. Numerical Simulation Analysis of External Flow Field of Wagon-Shaped Car at the Moment of Passing. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 21（4）： 76-80.

[9]HE Yibin， GU Zhengqi. Numerical simulation analysis of side aerodynamic force  of car in the course of passing Heavy Goods Vehicle. SAE Paper， 2017-01-3460.

[10]Fotia G. Computational fluid-structure interaction： a state-of-the-art review， CRS4， Center for Advanced Studies， Research and Development in Sardinia Cagliari， Italy num. 00/77 techreport， 2020.