基于无机复合材料的排气管路保温性能研究

张金全，李帅，李斌杰

基于无机复合材料的排气管路保温性能研究

张金全，李帅，李斌杰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

重型商用车后处理系统排气管路的保温性能对整车排放性性能有着重要的影响，减小排气管路沿程热损失，提高后处理器内部反应温度和污染物转化效率，是整车实现排放性能升级的重要途径。应用新型无机复合材料包覆排气管路，降低排气管路的热损失，提高后处理器内部化学反应温度，能够有效提升后处理器内部载体的转化能力。在不同的环境温度条件下，进行不同材料规格的实车特定工况下的保温对比试验，找到既能达到温降性能要求，又具有性价比高、占用空间小的合适规格保温材料，对于满足国六排放温降指标要求以及储备未来排放法规进一步升级的保温技术，具有重要的意义。

温降；复合材料；保温性能

1 概述

随着重型商用车中国第六阶段（以下简称国六）排放标准即GB17691-2018的发布实施，重型柴油商用车排放污染物指标要求相对国五阶段呈指数级下降，具体对比见表1和表2。同时，国六拓宽了低温低负荷、高温高负荷和高海拔工况区的排放污染物控制要求，增加了颗粒物数量PN和排气尾管在任何工况下不能有可见烟度的要求，大幅加严了NOX排放浓度PPM的要求。

表1 国五国六柴油车（N3类）污染物限值对比

表2 国五国六柴油车（N3类）测试条件差异

因此，为了满足国六排放要求，国六后处理器结构更加复杂，功能更加多样，要求更加严格，温度作为后处理器内部进行化学反应最重要的条件之一，后处理器内部合适的反应温度对于反应载体发挥最佳转化效率具有非常重要的意义，后处理器内部反应温度依赖于发动机内部燃烧后排出废气所携带的能量，减小从发动机出气口到后处理器进气口中间的排气管路温度降，可最大限度利用发动机废气余热，提升化学反应效率，降低污染物排放。采用新型无机材料对排气管路进行包覆，利用耐高温非金属材料导热系数低的优点，降低废气流在运动过程中的热损失，成为高排放标准产品设计开发的必要选择。

在不同的环境温度和特定的整车工况条件下，进行不同规格保温材料温降试验，验证新型材料能否满足排放标准对排气管保温性能的要求，分析不同变量对保温性能的影响，以指导设计开发和生产实践。

2 温降试验

基于某高排放标准车型，试验了在不同的环境温度下，某新型保温材料不同规格的保温性能，实现指标达到发动机再生和排放试验要求，提升产品可靠性和耐久性，具体如下：

2.1 温度降试验布点说明

根据排气系统结构，共布置6个测温点，具体如下：

T1—增压器出口后；T2—软管1前；T3—软管1后；

T4—排气管中段；T5—软管2前；T6—后处理器入口前。

图1 温降试验测试布点

2.2 温度降试验测试

（1）测试了10mm厚度的保温层在8℃、6℃、-14℃、-17℃四种环境温度下的排气管不同位置点的内部气流温度参数，如表3；

（2）测试了16mm的保温层在8℃、-15℃两种环境温度下的排气管不同位置点的内部气流温度参数，如表3。

表3 温度测试数据

2.3 温度降试验数据曲线

（1）10mm厚度保温层曲线

图2 10mm保温材料-环境温度6℃

图3 10mm保温材料-环境温度8℃

图4 10mm保温材料-环境温度-14℃

图5 10mm保温材料-环境温度-17℃

从以上曲线图可以看出：

第一，在确定的环境温度条件下，排气管路温降整体呈先高后低的趋势，随着时间的向前推移，增压器后温度和后处理前温度基本保持稳定不再变化。这主要是由于在发动机启动后的开始阶段，因排气管路及其附件处于冷态，废气经过时，因冷热不均引起的热传导和热对流，导致一部分热量用来预热排气管本体，即被冷态排气管吸收，故能量损失较大，表现为温度降数据大，随着排气管路本体温度的逐渐升高，预热排气管引起的热损失逐步趋于零，管路本体不再吸收热量，温降损失主要为热传导和热辐射引起，由于排气管外层包覆无机保温层，导热系数低，热辐射和热传导引起的能量损失逐步降低至一个稳定值，此时，排气管路两端的温度基本稳定，管路温降基本稳定，此时的数据为排气管路温降数据的最终测试值。

第二，随着环境温度的下降，同一厚度的保温层保温能力也呈下降趋势，可以看到在8℃到-17℃的环境下，温降由15℃上升到18℃，保温性能下降了20%，即当环境温度平均下降8.3℃时，保温性能平均下降1℃，说明排气管保温性能与环境温度呈正相关，即随着环境温度的降低，保温性能也随之降低。但在实际试验过程中的所有条件下，排气管全段温度降均低于20℃，在进行整车排放试验及其它相关试验时，均满足温降指标要求。

（2）16mm保温层曲线

图6 16mm保温材料-环境温度8℃

图7 16mm保温材料-环境温度-15℃

从以上曲线图可以看出：

第一，16mm保温层保温性能趋势与10mm保持一致，均呈现先上升后下降的趋势，说明不同规格的保温材料，其整体的排气管路温降性能一致。

第二，在环境温度为8℃条件下，温度降为13℃，相比于10mm规格的保温层，保温性能提升了13%，说明在一定程度上保温材料厚度越大，保温能力越强，其主要原因是保温层厚度增大后，导热系数进一步下降，降低了热传导能量的继续扩散，提高了隔热保温效率，提升了产品的保温性能。

3 结论

本文通过对10mm和16mm新型保温层的保温能力的试验研究，得出了两种规格的保温层均能满足排放标准要求的保温性能指标，其温降均具有先高后低的特性。综合分析10mm保温层具有更高的性价比、高低的成本、更紧凑的空间，更适合应用排气管路。

展望未来，下一步将完善试验方法，增加试验数据，精确控制不变因子，得出保温材料规格与保温性能的曲线关系和函数关系，为产品设计开发提供根本遵循。

Study on Thermal Insulation Performance of Exhaust Pipe Based on Inorganic Composite Material

Zhang Jinquan, Li Shuai, Li Binjin

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

The thermal insulation performance of exhaust pipes of heavy-duty commercial vehicles has an important influence on the vehicle emission performance. It is an important way to upgrade the vehicle emission performance to reduce the heat loss along the exhaust pipes and improve the internal reaction temperature and pollutant conversion efficiency of the processor. The application of new inorganic composite material to cover the exhaust pipe can reduce the heat loss of the exhaust pipe and increase the chemical reaction temperature inside the processor, which can effectively improve the transformation ability of the carrier inside the processor. Under the condition of different environmental temperature, in different material specifications of the real vehicle under the particular condition of insulation test, find can not only meet the temperature drop performance requirements, but also has high cost performance, small footprint suitable thermal insulation material specifications, to meet the requirements of the discharge temperature drop six indicators and reserve future emissions regulations further escalation of the thermal insulation technology, has the vital significance.

Temperature drop;Composite materials;Heat preservation performance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.037

U465

A

1671-7988(2021)02-115-03

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1671-7988(2021)02-115-03

张金全，就职于陕西重型汽车有限公司。