车辆工程毕业设计96捷达汽车排气装置改进及性能实验台设计.docx

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车辆工程毕业设计96捷达汽车排气装置改进及性能实验台设计

摘　　要

北方冬季，环境温度较低，汽车尾气中的水蒸汽就会在排气管壁冷凝成水滴，并且随排气流至路面，尤其针对使用乙醇汽油的车辆。

乙醇汽油作为一种车用清洁燃料，其富含氧元素，但乙醇汽油燃烧的排放物中生成的水分也较多，受周围的环境温度以及排气降噪能量转换的影响，汽车的排气管会向外滴水，这是一个很普遍的现象。

基于乙醇汽油燃烧特点，车辆使用乙醇汽油导致路面结冰，在公交站台、上坡路段、十字路口等处，尤其在在一些拥挤路段，冬季更容易形成冰层，大多路段都是难清理的薄冰。

这不仅减缓了车速，造成冬季拥挤市区行车的不便，延长了车在路面的时间，更增加燃油消耗，而且增加了有害物质的排放，减少制动距离，使刮碰等事故不断，不但没有达到节能减排的目的，还增加了大量人力、时间和物质成本。

因此，针对东北寒冷的冬季，在尽量少的影响原有排气系统下，如何改进排气系统以减少或消除汽车燃烧乙醇汽油所排除的水分导致的路面结冰问题，对乙醇汽油在寒冷地区的应用，及道路的交通拥挤问题的缓解有着重大而深远的意义。

本设计主要是针对捷达汽车排气装置进行展开，首先介绍了捷达汽车排气装置的内部结构、工作原理及运行情况。

在此基础上，提出了一种以试验为目的的排气装置实验台设计方案。

针对它的性能测试目的，该实验台的特点是结构相对较为简单，实验台设有数显温度传感器，便于在试验过程中，让操作者直观了解并通过更换不同排气装置进行性能测试来增强其动手能力，以达到良好的试验效果。

关键词：

；排气装置；消声器；实验台；试验；温度；

ABSTRACT

Thenorthwinter,environmentaltemperatureislower,theautomobileexhauststeamwillexhaustpipewallintothedropletsincondensation,andexhaustflowtothepavementwith,especiallytouseethanolandgasolinevehicles.Ethanolandgasoline,asakindofcar,andtherichinoxygencleanfuelelement,buttheburningethanolandgasolineemissionsgeneratedbythesurroundingwatermore,alsotheenvironmenttemperatureandexhaustnoisereductionofenergyconversion,theinfluenceofthecarexhaustthedropofwater,thistoisacommonphenomenon.

Basedonethanolandgasoline,combustioncharacteristicsvehicleuseethanolingasoline,busstationintheicyroadintersection,uphill,theplacesuchasincrowded,especiallyinsomesections,moreeasytoformiceinwinter,mostoftheroadsareclear,itisthethinice.Thisnotonlyslowitsspeed,andcausethewinterdrivingtheinconvenience,crowdeddowntownextendedthecarinthepavementofthetime,themoreincreasefuelconsumption,andincreasedthedischargeofharmfulmaterials,reducebrakingdistance,scrapingthetouch,etc,notonlyhavenoaccidentshavereachedthepurposeofenergyconservationandemissionreduction,andalsoaddsagreathuman,timeandmaterialcost.

Therefore,inviewofthenortheastcoldwinter,intheinfluenceoflessasfaraspossibletheoriginalexhaustsystem,howtoimprovetheexhaustsystemtoreduceoreliminatetheburningethanolandgasolinecaroutoftheicyroadtothewaterproblem,ethanolandgasolineincoldarea,andtheapplicationofroadtrafficcongestionreliefhasagreatandprofoundsignificance.

Thisdesignismainlyaimedatfawcarexhaustdevice,openedfirstintroducedtheexhaustdeviceinsidethejettastructure,workingprincipleandoperation.Basedonthis,putsforwardakindoftotestforthepurposeofexhaustdevicetestbenchdesignscheme.Accordingtoitsperformancetestingpurpose,thistestbenchischaracteristicofthestructurearerelativelysimple,testbenchwithdigitaldisplaytemperaturesensor,facilitateinthestudy,lettheoperatorcanlearnaboutandbychangingdifferentexhaustdeviceperformancetestingtoenhanceitsbeginningability,toachievegoodtestingresult.

Keywords：

Exhaustdevice；Muffler；Experimentalstage；Trial；Temperature；

第1章绪　　论

1.1课题的来源和意义

我国汽车行业在全世界来说应该属于那种旭日东升，蓬勃发展的一种类型。

由于众所周知的原因，我国的汽车工业虽起步于上世纪50年代，但却踯躅于60年代，徘徊在70年代，直到改革开放我国政府提出把汽车工业作为支柱性产业重点发展，才开始快速发展。

正是由于这些曲折和波折，使我国汽车业的设计、制造、应用等各领域的技术水平均大幅落后于其他发达国家，汽车试验领域也是没有例外。

改革开放以来，受政策的支持和资金的扶持，以及各厂家和相关单位及院校的共同努力，我国的汽车工业大踏步向前发展，取得了不小的进步，我国的汽车产量在2003年已经跃居世界第5位，我国的技术水平也相应取得了飞速的发展，我国汽车的大量出口已指日可待。

作为汽车技术一部分的汽车试验领域也取得了一些显著成果。

由于一直紧跟国外先进汽车的试验研究方法，从理论上也达到了较高的水平，基本上达到了世界的平均水平，但是受到技术和成本的限制，尚未普遍应用于科研、教学和生产部门。

汽车零部件试验在汽车设计和制造领域占据重要的地位，因此试验台的种类也很多，有的结构简单，但耗费较高，有的现代化程度高，适合规模大、效益高的大型试验部门使用，但造价昂贵。

而一些小型科研单位以及高等院校受资金、场地、人员、环境等的影响，不可能采用上述那些要求较高的试验台。

本课题在于研究一种经济实用而且经久耐用，便于操作，占地较小，适合于室内安装的试验台，以供那些条件有限的单位使用。

汽车排气装置是使用条件复杂，受环境影响较大，可靠性要求高的重要部件，因此从产品开发到生产直至使用都要对其进行大量的试验，以确定其各种性能参数，为汽车的生产、销售以及维修单位和汽车的使用者提供可靠的参考，防止出现重大的事故。

在此领域各国都在潜心研究，以不断提高试验的准确性，从而提供更可靠的试验数据，为社会服务。

1.2汽车试验装置的发展概况

十九世纪下半叶,德国的戴姆勒-奔驰公司、法国的标致公司、美国的福特公司、意大利的菲亚特公司等先后生产出了第一辆汽车。

随着科学技术的发展，汽车结构不断完善，汽车性能也不断提高。

由于汽车工业与其他工业、农业、国防和人民的日常生活密切相关，汽车质量引起人们的广泛重视。

二十世纪初期，美国人亨利·福特创立了流水线作业的生产形式，使生产效率大幅提高，生产成本下降，使用范围急剧扩大，汽车的可靠性、寿命和性能方面的问题突出出来，要求开展试验研究工作。

汽车试验的发展历史经历了大致如下三个阶段：

第一个阶段从十九世纪末到第二次世界大战结束，是汽车试验的逐步建立，主要包括基本试验台的建立，基本试验规范和标准的形成；第二个阶段从第二次世界大战结束到上世纪七十年代，由于相邻工业的发展，相邻学科的发展和渗透，使汽车试验理论、试验设备、试验标准和规范有了长足的发展和进步；第三个阶段的主要标志是电子计算机在汽车试验中的应用和标准法规的完善。

1.3汽车排气装置性能试验台国内外发展概况

排气装置研究涉及流体力学、传热、振动声学等多门学科且消声器排气噪声频带较宽，具有一定的复杂性。

由于排气温度较高，因此其排气消声器大都用抗性消声器。

传统的抗性消声器一般都是由扩张室、内插管、穿孔管、穿孔板和其它由这些消声器单元派生出来的单元组合而成。

西方发达国家在消声理论方面研究起步较早，发展也较快，早在上个世纪20年代，美国的Stewart就将声学滤波器的原理用于抗性消声器的研究。

50年代Davis等人根据截面突变处声压和体积速度连续的原理。

采用一维波动方程计算了简单扩张腔，多级膨胀腔及旁通共振腔的消声特性。

此后，研究人员采用声电类比的方法，根据电学中的四端网络法，于50年代后期发展了不考虑气流及温度梯度的声传递矩阵法，为排气消声器的设计开创了新的方法，且一直沿用至今。

60年代以后，对于消声器的理论研究越来越深入，逐步解决了气流与声波的相互作用，如何考虑温度梯度的影响等问题。

许多人员如日本的福田基一等在噪声控制技术方面做了大量的理论和试验研究，为设计和改进消声器提供了大量的数据及理论基础

进入20世纪末，消声器理论研究又进入了一个新的高峰。

1995年，H.Luoetal研究了各种轴向部分穿孔插入管消声器的一维传递矩阵理论模型，计算了它的传声损失，此模型对于消声器的设计具有指导作用。

同年，Chao-NanWang研究了穿孔插入式消声器的数值计算，克服了在管道开口端边界条件难于确定的困难，进行了不同插入方式空气平均流量和穿孔率等消声器的消声量计算。

1996年，王诗恩和高宋英用存在声源及气流时的一维波动方程描述了抗性消声器中噪声的传播过程，建立了抗性消声器插入损失模型，1998年，胡立臣用传递矩阵法模拟计算消声器的插入损失，用以评价包括源阻抗及尾管辐射阻抗在内的整个排气系统的声学特性，推导出六种消声单元的传递矩阵，并应用于插入损失计算之中，同年M.L.Munjaletal，给出了一种用于分析反流，三通道和开口端开有小孔的消声器的频域理论分析模型，推导出一维传递矩阵。

2000年，唐永琪等在消声器功能计算过程中考虑了气流和温度梯度的影响，并采用三维滤图方法研究气流对消声器消声性能的影响。

以上的一维平面波模型是对消声器内部声场的近似理论分析，当消声器截面几何尺寸较小，且噪声频率不太高（＜1000Hz）的情况下，这种分析方法是适用的。

但当噪声频率提高，实验结果与理论分析均表明，在消声器腔内存在高次模式波，这时平面波与线性化假设便不再适用，而应采取更加精确的二维理论方法来进行分析，其方法包括：

有限差分法、有限元法和边界单元法等。

对消声器的消声性能和空气动力性能进行试验和评价也是重要的内容之一。

目前消声器实验方法通常包括两种，即实验室模拟试验和实际现场试验。

实验室模拟试验装置通常由鼓风机、噪声发生装置，加热装置，气流流速及温度控制装置等组成，用来模拟发动机的实际排气，并在消声器的入口和出口端测试声压级及气流压力。

得到消声器的插入损失和压力损失用来评价消声器的消声性能和排气阻力性能。

例如：

山东大学的刘丽萍利用试验室方法研究了消声器内气体流速对消声量的影响，证明了气体流速是影响消声特性的重要因素，试验室方法较为方便，特别是可代替发动机台架试验来验证排气阻力。

消声器的实际现场试验是在汽油机上做消声器的性能试验，噪声通常测试对比装与不装消声器时的耳旁噪声或最大加速环境噪声（GB/T4760-1995，声学消声器测量方法。

GB/T14365-1993，声学机动车辆噪声测量方法）。

排气阻力性能通常做发动机台架试验来评价，如测试负荷特性、比油耗或调速性能。

为了提高试验效率，有人采用正交试验法等技术，福建农业大学的翁红林利用正交试验法，对汽油机排气消声器进行试验，用较少试验次数采集多因素，多水平的试验数据，从试验数据的分析中得出各因素对消声性能的影响程度及范围，得出各主要结构参数对消声器性能的影响程度。

华东船舶工业学院的郁飞用正交试验方法研究了排气噪声和相关影响参数之间的关系。

1.4本课题研究内容及主要工作

北方冬季，环境温度较低，汽车尾气中的水蒸汽就会在排气管壁冷凝成水滴，并且随排气流至路面，尤其针对使用乙醇汽油的车辆。

乙醇汽油作为一种车用清洁燃料，其富含氧元素，但乙醇汽油燃烧的排放物中生成的水分也较多，受周围的环境温度以及排气降噪能量转换的影响，汽车的排气管会向外滴水，这是一个很普遍的现象。

基于乙醇汽油燃烧特点，车辆使用乙醇汽油导致路面结冰，在公交站台、上坡路段、十字路口等处，尤其在在一些拥挤路段，冬季更容易形成冰层，大多路段都是难清理的薄冰。

这不仅减缓了车速，造成冬季拥挤市区行车的不便，延长了车在路面的时间，更增加燃油消耗，而且增加了有害物质的排放，减少制动距离，使刮碰等事故不断，不但没有达到节能减排的目的，还增加了大量人力、时间和物质成本。

因此，针对东北寒冷的冬季，在尽量少的影响原有排气系统下，如何改进排气系统以减少或消除汽车燃烧乙醇汽油所排除的水分导致的路面结冰问题，对乙醇汽油在寒冷地区的应用，及道路的交通拥挤问题的缓解有着重大而深远的意义。

本文设计了两种方案：

一种是实车来进行测试，分析水蒸气在排气管内凝结成水滴的位置。

第二种是设计实验台来模拟实车试验，具有较强的演示功能，可以确定怠速下排气管内部的温度变化，实现不同车型排气装置工况演示。

可以进行排气装置性能测试，使学生能够直观看到不同排气装置的各种工况，并对不同的演示现象进行必要的分析。

并在消声器的入口和出口端测试声压级及气流压力。

得到消声器的插入损失和压力损失用来评价消声器的消声性能和排气阻力性能。

第2章汽车排气装置的组成和工作原理

2.1汽车排气装置的作用和组成

汽车排气装置的作用：

它的作用是将从排气门排出的废气进行信息反馈（由氧传感器完成）和净化有害气体（由三元催化器完成）及消音（由消音器完成）后排出车外。

汽车排气装置的组成：

汽车排气装置一般由排气歧管、排气管、催化转换器、排气温度传感器、消音器和排气尾管等组成如图2.1所示。

图2.1排气装置组成示意图

2.2汽车排气装置的工作原理

排气歧管：

排气歧管的形状十分重要。

为了防止各缸排气相互干扰和排气倒流，并利用排气惯性降低排气阻力，应将排气歧管做得长些，且各缸支管应相互独立，长度相等。

还有用不锈钢制造的排气歧管，其优点是质量轻，耐久性好，内壁光滑，排气阻力小如图2.2所示。

图2.2捷达汽车排气歧管示意图

排气净化装置：

汽车在使用过程中，发动机所排废气中含有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、微粒及硫化物等有害物质，对环境造成污染，危害人类健康，所以必须对发动机排气进行净化。

催化转化器：

催化转化器是利用催化剂的作用将排气中的CO、HC和NOx转化成对人体无害气体的一种排气净化装置，又称为催化净化转化器。

催化转换器有氧化催化转换器和三元催化转换器两种类型。

氧化催化转化器在金属铂、钯或铑等催化剂的作用下，可将排气中的CO和HC氧化成CO2和H2O，因此这种催化转换器也称做二元催化转换器，使用时须向氧化催化转换器供给二次空气作为氧化剂才能使其有效地工作。

三元催化转换器可同时减少CO、HC和NOx的排放。

它以排气中的CO和HC作为还原剂，把NOx还原为氮（N2）和氧（O2）而CO和HC在还原反应中被氧化为CO2和H2O。

当同时采用两种转换器时，常把两者放在同一个转换器内如图2.3所示。

图2.3三元催化转换器示意图

消音器：

汽车的排气噪声是行车噪声的主要组成部分，世界各国对各种车辆产生的噪声极限值都有严格的规定，如欧共体规定，轿车为77dB，载货汽车为84dB，因此需减小排气噪声。

排气消音器的功用就是降低排气噪声并消除废气中的火星及火焰。

根据干涉原理，排气消音器有吸收、反射两种基本消声方式。

在吸收式消声器上通过的废气在玻璃纤维、钢纤维和石棉等吸声材料上的摩擦而减小其能量。

反射式消声器则由多个串联的谐调腔与不同长度的多孔反射管相互连接在一起。

废气在其中经过多次反射、碰撞、膨胀、冷却而降低其压力，减轻了震动如图2.4所示。

图2.4汽车消声器剖面图

2.3汽车排气装置相关资料

由于汽车尾气净化及汽车轻量化降低油耗的社会要求日益高涨，不锈钢在汽车中的使用近十年增加4倍。

起初是以铁铬钦不诱钢为主，而后各种高性能不诱钢开始使用.在排气歧管前置管、软管、催化剂金属载体及消声器所组成的排气系统所用材料。

美国60年代就开始将铁铬钦不锈钢用于排气系统。

日本70年代对排气标准作了规定迫使汽车制造厂商在汽车排气系统中安装三元催化净化装置。

.当时也将铁铬钦不锈钢用于排气系统1989年日本要求汽车制造厂商保证排气系统部件能够使用三年或行驶六万Km。

这一规定加速不锈钢替换镀铝钢板的进程。

如今美国和日本轿车的排气系统已全部采用不锈钢制造，每辆轿车排气系统不锈钢用量因轿车型号而异,但最近由于采用了改善汽车燃烧的措施使得排气岐管的使用温度提高，为此排气岐管材料改用耐高温及耐腐蚀的铁素体不锈钢，以降低噪声为目的软管采用耐高温及耐盐类腐蚀的不锈钢制造，在美国和欧洲所用材料则是在基础上增加质量分数使之获得更好的性能，欧洲的高档轿车上其排气系统使用奥氏体不锈钢为了提高消声器的耐腐蚀寿命。

2.4本章小结

本章设计内容主要针对汽车排气装置结构、工作原理进行阐述，分析不同汽车排气装置结构与特性，分析了不同汽车排气装置的原理及未来汽车排气装置的发展趋势，为设计排气装置实验台及对不同的排气装置改进设计提供理论基础。

第3章燃乙醇汽油车排气管内部温度与滴水量测定试验方案设计

近年来，由于国际石油资源的匮乏，新型绿色清洁燃料能源乙醇汽油加入了汽车能源行列。

作为可再生、原料来源广泛的清洁能源，乙醇汽油不仅使我国石油资源紧缺的问题得到缓解，改善了汽车有害废气造成的环境污染。

总体认为乙醇汽油在我国完全适用。

然而乙醇中碳氢比高，燃烧时产生的水蒸气相对较多，导致汽车尾气含水量较高。

由于我国黄河以北的大部分地区冬季气温较低，造成乙醇汽油燃烧状况较差，在以乙醇汽油为燃料的机动车辆排气管中，有水分随尾气一起排放，这些水分遇低温凝结成薄冰，覆盖在路面上，使车辆的制动距离增加，给行车带来不便，特别是在破路地段和交叉路口极易引发交通事故。

3.1试验方案

为了研究燃乙醇汽油车排气管内部温度以及汽车排气管末端滴水量随不同的大气环境温度及汽车行驶速度而发生变化的情况，本设计以黑龙江省哈尔滨市为试验地点。

测量时，根据试验地区哈尔滨市的气温状况设定为两个阶段：

冬季试验和春季试验，每个阶段的试验测试包括怠速、低速工况（20~30km/h）、中速工况（60~70km/h）、高速工况（80~90lm/h）试验四个环节，其中怠速试验又分为平地怠速与坡道怠速试验两部分。

试验方案分为实车试验和试验台试验两种，平地怠速试验可以用试验台来进行试验分析，坡道怠速试验、低速工况、中速工况、高速工况可以选用实车来进行试验。

3.2试验装置

试验使用的车型选为捷达王（排量1.6L），试验仪器如下：

捷达汽车排气装置性能试验台、TM-902C型数显温度传感器六个、摄像机一部、温度计一支、量筒一个、接水装置一组。

为了进行排气管内部温度测定实验，试验前在排气管上选取六个测试点安装温度传感器，TM-902C型数显温度传感器固定装置如图3.1所示。

3.1数显温度传感器固定装置

TM-902C型温度传感器是一种接触式温度仪，其操作简便，测量时通过被测介质与测温元件进行充分的热交换而达到测温目的，试验时数据采集方便简洁。

试验测量时，传感器的探针可以伸入排气管内部测试温度，所得试验数据相对准确。

在进行温度测量试验时，将温度传感器通过固定装置安装在汽车排气管上。

传感器的数据线经过车窗进入驾驶室内，测试人员可以在车内对试验数据进行录制及观测。

六个温度传感器分别布置在避开主、副消音器的排气管前段、中段和末段的弯管上，从排气管入口至出口方向，六个传感器依次编号为从一号至六号，一号测试点距离排气歧管聚合处大约1M，六号测点在排气尾管末端附近，其余各点的设计安装位置的分布情况如图3.2所示。

图3.2数显温度传感器在排气管上的安装位置

实际进行试验仪器安装时，由于受到排气管周围的实际环境条件的限制，温度传感器的安装位置需要根据实际情况确定，

为了进行排气尾管滴水量的测定，试验之前在排气的排气尾管末端布置了接水装置。

接水装置由矿泉水瓶、铁丝和螺钉构成。

首先在排气管末端焊接两个螺钉作为固定耳，在矿泉水瓶靠上位置剪出一个与排气管直径大小相应的洞，保证能够将排气管伸入矿泉水瓶中，然后用铁丝将它们固定在排气尾管的末端，这样便可以保证在每个阶段的试验过程中，汽车尾气中的水分可以全部流入接水装置。

待各个环节的试验结束后，再将矿泉水瓶中的水分倒入量筒，即可得到该试验阶段排气管末端的滴水量。

3.3排气管内部温度变化的测定

3.3.1怠速试验

在怠速试验中，针对排气管内部温度的测定试验包括平地怠速和坡道怠速（坡道怠速约15°）两部分。

3.3.1.1平地怠速试验

平地怠速试验分为冬季试验和春季试验试验台试验环境如图3.3。

图3.3试验台试验环境图

（1）冬季试验

冬季平地怠速试验时，先用温度计测出环境温度，进行试验时，保持试验台在水平路面上静止，试验台启动后处于怠速工况下暖车一段时间，等待温度传感器的数据不再有明显上升趋势后，读取传感器LED屏幕所显示的数据，共测试三次，每次试验约持续15min，得到排气管内部六点位置温度分布数据表3-1所示。

找到出现100℃的区域在哪个测试点，即是水蒸气液化的临界