车型部总布置科排气系统布置指南王雯0926.docx

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车型部总布置科排气系统布置指南王雯0926

奇瑞汽车有限公司

乘用车工程研究院车型部

总布置科布置指南

编制：

王雯

审核：

批准：

一.简述

本指南介绍了与汽车发动机相匹配的排气消声系统的系统匹配，零部件设计以及开发的流程等。

适用于奇瑞所有装汽油或柴油发动机的M1类车的排气消声系统设计。

二.排气消声系统的布置原则及常用布置形式

排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置等，典型的排气消声系统如图1所示。

排气系统具有以下一些功用：

1．引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；

2．由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，因此在排气系统装有排气消声器来降低排气噪声；

3．降低排气污染物CO,HC,NOX等的含量，达到排气净化的作用。

图1

对一个完整的排气系统，从前到后，一般布置次序是：

预催化器、补偿器（波纹管）、主催化器、前消声器、后消声器。

1．排气管：

排气管用于连接以上不同部件，排气管分段以及连接方式主要根据安装和维修方便确定。

2．连接法兰：

如果补偿器采用球面法兰，一般不把球面法兰布置在催化器之前。

3．催化器：

对于满足欧Ⅱ及以下排放标准的排气系统，由于欧Ⅱ标准不涉及冷启动阶段的排放限制，所以一般可不采用预催化器而只采用一个主催化器；对于满足欧Ⅲ及以上排放标准的排气系统，一般在排气歧管出口处布置预催化器（CCC，即ClosedCoupleCatalyst）或者在预催化器前的排气管段采取良好的保温措施。

主催化器一般布置在车身底板下，所以又叫底板下催化器（UnderFloorCatalyst）。

催化器的形式主要有：

3.1底盘下置式催化器

图2

优点：

布置空间较为宽广；

缺点：

因为离发动机排气出口的距离相对较远，催化器的起燃时间较长，所以发动机在启动时的排放值相对比较高。

适用条件：

主要用于发动机仓布置空间不能满足要求，且需要满足的排放法规相对较低的车型中，该布置一般在满足欧Ⅱ排放标准的车型上大量使用。

随着排放法规的加严，该布置已经不能满足越来越苛刻的排放法规的要求。

3.2紧耦合式催化器

图3

优点：

距离发动机排气歧管出口较近，起燃快，三元催化器在很短的时间里能达到很高的转化效率，从而降低有害气体的排放值；

缺点：

要求三元催化器总成与发动机排气歧管出口之间的距离较小，不利于一些车型特别是紧凑型车型的发动机仓布置。

适用条件：

用于排放法规要求较高、发动机舱三元催化器总成布置空间较为充裕的车型。

图4所示的为S12+1.3的排气系统，即为此种布置。

图4

3.3紧耦合＋底盘下置式

图5

优点：

预三元催化器总成体积较小且离发动机排气歧管较近便于布置且较底盘下置式三元催化器总成有较好的起燃性。

缺点：

若要满足更为严格的排放法规，则三元催化器的前后总体积较大，且前级催化器要求的贵金属含量较高。

适用条件：

发动机舱布置空间狭小且需要满足法规较高的车型。

图6所示的为S12+1.3的排气系统，即为此种布置。

图6

4．消声器：

消声器有一级、二级、三级之分。

二级消声应用最多，SUV、跑车等追求动力性的车辆一般才采用一级消声器。

对于二级消声，我们将其分别称为前消声器和后消声器。

根据声学原理，消声器摆放在不同的位置，将产生不同的消声效果，一般推荐如下的消声器摆放位置（见图7）：

图7

三.布置过程

1．间隙要求

各相邻部件耐温在150℃以下的越远离排气系统越好，会产生相对运动的部件需保证与排气系统的间隙至少大于25mm。

排气系统与各相邻部件地间隙关系见图8：

图8

2．三元催化器的布置

2.1一般的布置原则：

在保证有足够的载体体积的情况下尽量让三元催化器靠近排气歧管出口。

2.2影响装配位置因素：

底盘下允许的最大布置空间和三元催化器装配后的最小离地间隙。

最小离地间隙根据各车型的使用条件，给出排气系统的最低位置，三元催化器总成安装后不得使排气系统最低点低于该位置。

2.3维修的方便性：

同排气系统其它零部件的连接要考虑批量装车和维修的方便性。

3．消声器的布置

3.1消声器容积的确定

消声容积指排气系统所有消声器的容积之和。

消声器的容积决定了其消声量，因此容积确定的正确与否，将直接影响到整车的噪声水平。

由于消声器的容积主要根据发动机的最大功率和扭矩决定，我们通常采用以下公式：

Ｖm＝k×P

其中

Ｖm＝消声器的容量（L）

k＝0.14

P＝输出功率（Ps）

根据不同车型对噪声的要求水平，K可选0.10～0.20之间不同的值。

图9为消声器容积与发动机功率之间的关系。

消声器的容积应控制在红线附近，不能超出蓝线范围。

图9

3.2消声器的截面形状

消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选择如图10所示：

图10

4．吊钩

4.1排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则：

a.吊钩应该位于振动的节点上；

b.吊钩应该在纵向能够延伸；

c.吊耳应该位于车身结构的刚性处。

4.2排气系统吊钩位置的选取：

必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各阶模态分析（见图11）来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处的刚性。

图11

图中各种颜色表示排气背压，排气背压指发动机装上整套排气系统后，按QC/T524设定测点测得的压强。

排气背压越高，排气阻力越大，充气效率也就越低，发动机功率、扭矩损失也越大。

一般来说，考虑到发动机的功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体的排气背压要求。

对自然吸气发动机，排气背压一般设定在30±5kPa。

对增压发动机，排气背压一般设定在40±10kPa。

5．排气管路

5.1排气管的最小管径

假设某发动机最大排气流量为m（kg/h），排气温度为T（K），压力为P（Pa），在温度T和下气流密度为ρ（kg/m3），声速为c（m/s）。

则排气管最小流通面积Smax为：

Smax=m/900cρ

排气管最小内径（半径）为

5.2排气管路的最小弯管曲率半径不能小于外管径的1.5倍，最小直线段不能小于外管径的1.6倍。

四.典型例子

B21三元催化器布置

1．状态描述：

原来的布置存在两个问题

a）三元催化器容积不够；

b）三元催化与隔热罩的间隙不够。

2．整改方案：

动力总成部提供新的三元，如图12所示。

图12

2.1方案1：

2.1.1为了保证扩大后的催化器与隔热罩的间隙，同时还要兼顾最小离地间隙，将隔热罩上移，将三元催化下移，如图13所示：

图13

可以看出隔热罩与地板、催化器与隔热罩、催化器之间的间隙均满足要求；上移后的隔热罩与地板干涉，需要修改。

2.1.2下移之后的催化器与地面的最小间隙为142.56mm，配3.0V6的全车的最小离地间隙（半载）为142.55mm。

而B21系列车最小离地间隙为配2.0TCI的122.96mm。

图14

由图14可知催化器离全车最低点尚有距离142.56－122.96＝19.6mm，可行。

2.2方案2

2.2.1为了保证扩大后的催化器与隔热罩的间隙，同时考虑避免修改隔热罩，只将三元催化下移，但要牺牲一点离地间隙。

图15

由图15可知隔热罩与地板、催化器与隔热罩、催化器之间的间隙均满足要求。

2.2.2下移之后的催化器与地面的最小间隙为133.56mm，配3.0V6的全车的最小离地间隙（半载）为142.55mm，而B21系列车最小离地间隙为配2.0TCI的122.96mm。

图16

由图16可知，催化器离全车最低点尚有距离133.56－122.96＝10.6mm，可行。

2.3结论：

两种方案均可行。