輕卡某車型排氣系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)論文

黃可創(chuàng)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型車研究所，安徽 合肥 230601）

引言

自1886年誕生的第一輛汽車以來(lái)，汽車工業(yè)經(jīng)歷了130多年的發(fā)展過(guò)程。汽車在這一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)得到了快速的發(fā)展，特別是近幾年科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，更是將汽車技術(shù)的發(fā)展推向一個(gè)新的高潮。汽車的動(dòng)力系統(tǒng)是衡量汽車性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力系統(tǒng)中排氣系統(tǒng)就是其中一個(gè)十分關(guān)鍵的部分。排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。

一個(gè)好的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是支撐整車良好的動(dòng)力性的前提，一個(gè)好的排氣系統(tǒng)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)高效的運(yùn)行，并且能夠?qū)U氣及時(shí)地排出，保證燃油的燃燒效率。排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)是看整個(gè)排氣系統(tǒng)能不能滿足整車的動(dòng)力性要求以及排氣系統(tǒng)在整車的結(jié)構(gòu)布置合不合理。

汽車排氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原則：（1）依托現(xiàn)有輕卡技術(shù)、生產(chǎn)平臺(tái)，充分考慮工廠的實(shí)際條件和工藝條件，最大限度地減少生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量；（2）設(shè)計(jì)中應(yīng)做到各主要總成件系列化、通用化、模塊化，加快產(chǎn)品成熟度，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；（3）明確在規(guī)定的各種使用性能中哪些是要優(yōu)先保證的，例如排氣背壓、排氣污染物的含量等。

該款產(chǎn)品的排氣要求排氣被壓≤20KPa，污染物的排放要滿足國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，采用的是DOC+SCR的后處理方式；采用電加熱尿素管，提高排氣溫度，使尿素對(duì)NOx的處理效果更好。

1 零部件設(shè)計(jì)

1.1 前排氣管設(shè)計(jì)

由于在基礎(chǔ)車型上更換了發(fā)動(dòng)的型號(hào)并且發(fā)動(dòng)機(jī)定位點(diǎn)也改變了，因此前排氣管需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，前排氣管的走向設(shè)計(jì)盡量與基礎(chǔ)車型的走向保持一致，這樣會(huì)更方便于后處理的布置與基礎(chǔ)車型保持一致。更換了發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排量由2.49L變?yōu)?.91L，因此前排管的管徑不需要加大，與基礎(chǔ)車型保持一致，為φ51mm。前排氣管前端法蘭適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)仰角，前端面法蘭與豎直平面夾角為 3°；前排管中部焊接有波紋管，用來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的震動(dòng)。前排管的材料采用普通的焊管即可，排氣管表面需要進(jìn)行達(dá)克羅處理，達(dá)克羅處理使得排氣管的比普通的鍍鋅防腐處理耐腐蝕性要高出7-10倍，并且達(dá)克羅處理耐高溫能力強(qiáng)，可以有效預(yù)防涂層脫落而造成排氣管腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 前排氣管

1.2 前排管支架設(shè)計(jì)

前排氣管需要通過(guò)支架固定在車架的縱梁上，以保證車輛在運(yùn)行過(guò)程中前排氣管的強(qiáng)度，避免前排氣管因震動(dòng)過(guò)大或者震動(dòng)頻率過(guò)大造成疲勞斷裂。由于車輛的整體布置的問(wèn)題，造成前排氣管支架在縱梁上沒(méi)有孔位固定，因此參考基礎(chǔ)車型的固定方式，將排氣管支架固定在變速箱的飛輪殼上，支架的結(jié)構(gòu)和形狀參考基礎(chǔ)車型設(shè)計(jì)，在保證支架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。支架的材料采用510L，厚度5mm，支架上位于圓弧上的兩個(gè)φ11的孔位要與變速器飛輪殼上的孔位相對(duì)應(yīng)，Q150B0840F61的螺栓要預(yù)先焊接在支架上，這樣做的目的是方便后續(xù)的裝配。支架需要進(jìn)行耐高溫、耐腐蝕性和震動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其性能是否滿足要求。

圖2 前排管支架

1.3 尿素噴射管和回液管的設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)國(guó)五排放的標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)汽車尾氣進(jìn)行必要的過(guò)濾凈化處理。其中，采用DOC+SCR是最常見(jiàn)的方式。這就需要設(shè)計(jì)尿素管路和回液管管路。這兩種管路的設(shè)計(jì)走向盡量要貼著車架，一般在拐點(diǎn)的地方盡量增加固定，固定的方式可以采用管夾或者支架+管夾的方式。管路走向盡量順暢，保證尿素溶液流通方便。尿素噴射管和回液管采用電加熱的形式，保證在冬天溫度較低的時(shí)候，尿素溶液不結(jié)晶并且保證了尿素溶液與尾氣的反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)更加充分。

圖3 尿素噴射管與回液管三維模型

圖4 尿素噴射管

圖5 回液管

1.4 DOC、SCR和消音器的選擇

DOC是氧化催化劑的簡(jiǎn)稱，氧化催化技術(shù)是一種已用于柴油車排氣后處理的技術(shù)，主要是通過(guò)催化劑的氧化反應(yīng)去除微粒物中的可揮發(fā)有機(jī)物(SOF)，減少PM排放，同時(shí)可除去排氣中的HC、CO污染物和醛類、多環(huán)芳烴等排放標(biāo)準(zhǔn)限制污染物。選擇的 DOC中催化劑貴金屬含量為 0.592g，小于GB/T 30512標(biāo)準(zhǔn)中汽車禁用物質(zhì)的要求。

SCR是選擇催化還原的簡(jiǎn)稱，其原理是：將尿素(32.5%)溶液作為還原劑，將汽車廢氣中的NOx還原成N2。其實(shí)作為還原劑不并不是尿素本身，而是尿素在高溫下分解成的N3H，反應(yīng)的機(jī)理如下：

消聲器與SCR集成在一起，由于本車型開(kāi)發(fā)的車型主要用于快遞物流行業(yè)，經(jīng)常要在城市之間來(lái)回跑，因此對(duì)噪音為控制比較嚴(yán)格，因此選用的消聲器是阻抗復(fù)合型消音器，容積為8L，其結(jié)構(gòu)圖如下。阻抗型消音器消聲頻帶較寬，對(duì)于各個(gè)頻帶的噪音均有消音效果，消音效果比單一的類型的消聲器更好。

圖6 阻抗復(fù)合型消音器

消聲器容積的計(jì)算：

式中，Q---修正系數(shù)，一般取2-6，消音量越大，Q值越大；

n---發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；

Vst---發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；

i---發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；

t---沖程數(shù)。

根據(jù)所選配的發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，按照公式計(jì)算結(jié)果為：

所選用的消音器的容積V實(shí)際=8，V實(shí)際＞V，因此滿足要求。

1.5 水管管路的布置

為了保證尿素罐里面的尿素溶液在溫度較低的時(shí)候不結(jié)晶，保證后處理的正常進(jìn)行。必要時(shí)需要對(duì)尿素罐里面的溶液進(jìn)行加熱，加熱的方式是采用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水進(jìn)行加熱。冷卻水的通斷是通過(guò)斷水電磁閥的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。整個(gè)冷卻水對(duì)尿素溶液的加熱循環(huán)一共需要5根水管。水管管路的布置原則是：盡量貼著車架腹面的內(nèi)側(cè)，避免陽(yáng)關(guān)直射，防止老化；遠(yuǎn)離熱源；避免與鋼管等硬質(zhì)的管路直接接觸。三維管路布置如下圖：

圖7 水管管路模型圖

表1 水管管路表

1.6 尿素罐的選擇

已知尿素溶液消耗量為為燃油消耗量的 5%，且尿素溶液中含有67.5%的水，會(huì)在結(jié)冰時(shí)膨脹，因此需要留出5%的膨脹空間，并且一般每加注2-3次燃油就需要加注一次尿素溶液。本車型選用的尿素罐是16L的，需要對(duì)其容積大小進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下：

表2

2 排氣系裝置圖及零部件列表

圖8 排氣系裝置圖

表3

專用件：9

外購(gòu)件：60

通用化率：85%

3 結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分考慮整車的“通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”要求，盡可能多的借用基礎(chǔ)車型的零部件，這能夠降低該車型排氣系造價(jià)成本。排氣系整車布置合理，與其他分組的零部件不產(chǎn)生干涉，水管管路、尿素噴射管和回液管遠(yuǎn)離熱源，盡可能的降低了熱害影響，故此排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。

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