捷达汽车排气装置改进及性能实验台设计本科学位论文.docx
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捷达汽车排气装置改进及性能实验台设计本科学位论文
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。
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温度。
表3-1冬季平地怠速试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
1
2
3
4
5
6
15min
15min
15min
（2）春季试验
春季平地怠速试验时，用温度计测试出环境温度。
保持汽车在水平路面上静止，汽车启动后处于怠速工况下一段时间，待温度传感器的数据不再有上升趋势后，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3-2所示，从而来分析水蒸气液化的临界区域出现在几号测试点来确定水蒸气产生的位置。
表3-2春季平地怠速试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
1
2
3
4
5
6
15min
15min
15min
通过对比分析来确定冬季、春季随着外界环境温度的变化，排气管内部温度的波动变化，水蒸气液化形成水滴的区域，并能得出排气管内部温度受外界环境温度的影响的变化。
3.3.1.2坡道怠速试验
（1）冬季试验
进行冬季坡道怠速试验时，用温度计测试出室外环境温度，试验时保持汽车在角度约15°的坡道路面上静止，汽车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上升趋势，读取传感器LED屏幕所显示的数据，共测二次，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如表3-3所示。
从而来分析水蒸气液化的临界区域出现在几号测试点。
表3-3冬季坡道怠速试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
1
2
3
4
5
6
（2）春季试验
进行春季坡道怠速试验时，用温度计测出环境温度，试验时保持汽车在角度约15°的坡道路面上静止，汽车启动后处于怠速工况下一段时间，待温度传感器的数据不再有上升趋势，然后读取传感器LED屏幕所显示的数据，共测二次，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如表3-4所示。
表3-4春季坡道怠速试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
1
2
3
4
5
6
通过对比分析来确定冬季、春季随着外界环境温度的变化，行驶坡路角度的变化，排气管内部温度的波动变化，水蒸气液化形成水滴的区域，并能得出排气管内部温度受外界环境温度的影响的变化。
3.3.2低速工况试验
在低速工况试验当中，针对燃乙醇汽油车的排气管内部温度分布的测定试验选取了哈尔滨市区车流量相对较大，车型速度较为缓慢的红旗大街路段中的三个部分作为试验地段：
A.从黑龙江工程学院到长江路段；B.从长江路到先锋转盘道路段；C.从先锋转盘道到黑龙江工程学院路段；
（1）冬季试验
冬季低速工况试验，用温度计测试室外环境温度，试验车辆分别在各个试验路段行驶。
在每个路段进行试验时，首先汽车启动行驶一段时间，待温度传感器的数据不再有明显的上升趋势后，便开始读取传感器LED屏幕所显示的数据。
每次试验大约持续15min左右，分别在三个试验路段各测试一次，行车速度维持在20~30km/h左右，得到排气管内部六点位置温度分布数据如表3-5所示。
表3-5冬季低速工况试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
试验路段
1
2
3
4
5
6
A
B
C
（2）春季试验
春季低速工况试验，用温度计测出环境温度。
汽车分别在三个试验路段行驶。
在每个路段进行试验时，待车辆启动行驶一段时间，温度传感器的数据不再有明显的上升趋势后，开始读取并记录温度传感器LED屏幕所显示的数据。
每次试验大约持续10min左右，共测试四次，行车速度维持在20~30km/h左右，得到排气管内部六点位置温度分布数据如表3-6所示。
表3-6春季低速工况试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
试验路段
1
2
3
4
5
6
A
B
C
对两组试验数据进行对比分析，找到低速工况下冬季和春季的排气管内水蒸气液化的凝结温度100℃分别出现在几号测试点附近。
说明水蒸气很可能以液态形式存储于该区域之内。
3.3.3中速工况试验
在中速工况试验中，针对排气管内温度分布情况进行的测定试验，选取了与进行低速工况试验路段相比，车流量相对较低，车流速较高的哈尔滨市二环路作为试验路段进行三次试验，进行每次试验时绕二环路行驶一圈，试验路段D。
（1）冬季试验
冬季中速工况试验，用温度计测出环境温度，三次试验，车辆分别在二环路行驶一圈。
每次进行试验测定时，待汽车启动行驶一段时间，温度传感器的数据不再有明显上升趋势后，开始录制并提取传感器LED屏幕所显示的数据。
每次试验约持续50min左右，行车速度维持在60~70km/h左右，得到排气管内部六点位置温度分布数据表3-7所示。
表3-7冬季中速工况试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
试验路段
1
2
3
4
5
6
D
D
D
（2）春季试验
春季中速工况试验，用温度计测出环境温度，在试验路段进行试验时，待汽车启动行驶一段时间，温度传感器的数据不再有明显的上升趋势后，开始记录提取传感器LED屏幕所显示的数据，每次试验约持续一个小时左右，共测试三次，行车速度维持在60~70km/h左右，得到排气管内部六点位置温度分布数据表3-8所示。
表3-8春季中速工况试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
试验路段
1
2
3
4
5
6
D
D
D
通过对比来发现在中速工况下冬季和春季排气管内部凝结温度100℃临界区域分别出现在几号区域，说明很有可能以液态形式存储于该区域之内，或能够以气态形式排放到大气环境中。
3.3.4高速工况试验
为了进行高速工况行车试验，针对排气管内部温度的测定选取哈牡高速公路哈尔滨至花果山路段作为试验路段E。
（1）冬季试验
进行冬季高速工况试验时，用温度计测试试验环境温度，试验车辆在高速公路上行驶。
试验时，车辆启动后行驶一段时间，待温度传感器的数据不再有明显的上升趋势后，读取传感器LED屏幕所显示的数据，每次试验约持续约30min左右，共测试二次，行车速度维持在80~90km/h左右，得到排气管内部六点位置温度分布数据表3-9所示。
表3-9冬季高速工况试验排气管内部温度[单位：
℃]
测试时间
试验路段
1
2
3
4
5
6
E
E
E
（2）春季试验
春季高速工况试验，用温度计测试出试验环境温度
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