排气系统开发手册.ppt

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排气系统开发目录n一排气系统功用n二排气系统原理n三排气系统组成n四排气系统设计目标n五三元催化器n六消声器n七橡胶悬挂一排气系统功用n排气系统有两个功用n一处理废气：

发动机工作时由于各种问题不可能把燃油完全燃烧，在燃烧过程中会产生对人类有害的副产品，如HC、CO、NOx及其他对人类有害的气体。

因此，排气系统需要对这些有害的气体进行处理，把有害气体变成无害气体后再排到大气中。

n二降低噪声：

发动机工作会产生巨大的噪声，废气和声波在管道中摩擦也会产生摩擦噪声。

因此，需要安装消声器把这些巨大的噪声降低到人们可以接受的范围内。

一般来说，消声器分为前消声器和后消声器，前消声器基本上是抗性消声器，后消声器基本上是复合型消声器。

二排气系统原理n发动机排出的废气主要为HC、CO和NOx，这三种废气在高温且有催化剂的情况下容易被还原或被氧化，因此可以利用氧化还原反应除掉这样三种废气。

n由于噪声也是声音，其传播过程符合声波学理论，而摩擦噪声却是因为气体和波的传播速度过快而与管壁摩擦引起的。

因此可以利用声波学原理来降低噪声。

三排气系统组成n排气系统由一般由前级三元催化转化器、后级三元催化转化器、前排气管、密封圈（波纹管）、橡胶悬挂、副消声器及主消声器等组成。

如下图所示：

四排气系统的设计目标一个良好的排气系统应满足以下几点要求：

1）经过三元催化器的机外净化后，整车的排放水平满足国标要求；2）通过加装消声器来减低排气噪声，使整车的加速行驶噪声满足国标要求；3）排气系统的背压要适中，从而改善发动机的性能，提高燃油经济性；4）排气系统的悬挂点设计合理，以免排气管与其他系统共振从而导致整车舒适性差；5）排气系统与车身或周围零部件要有至少30mm的间隙（与油箱的距离应大于300mm，无法满足时，油箱或排气管等应加装隔热装置）防止排气系统振动而引起与周围零部件的干涉以及热辐射；6）体积小，重量轻，又便于拆装、维修；7）使用可靠，寿命长，制造成本低。

8）应使排气系统的最低点高于整车最小离地间隙，防止汽车过坎时，地面异物撞击排气系统。

9）所用排气系统密封垫选型适当，保证使用寿命内的密封性能。

五三元催化器n5.1三元催化器的功用n功用：

利用催化剂的氧化还原反应，将发动机排出的有害气体CO、HC和NOx转化为对人类无害气体CO2、H2O和N2。

除净化有害气体外，催化器还有一定降噪功能。

5.2催化器的工作原理n净化废气主要有两种措施，一种是机内净化，另外一种是机外净化。

机外净化就是用催化器除去其中的废气。

n利用氧化还原反应除去废气中的CO、HC、NOx。

n除HC：

n除CO：

n除NOx：

5.3催化器的结构n从里到外：

n分别为涂层、载体、垫层、壳体。

n涂层主要为三种贵金属：

铂（Pt）钯（Pd）铑（Rh）。

n载体：

颗粒状载体、蜂窝状陶瓷载体和金属载体。

n垫层：

金属网和陶瓷密封垫层。

n壳体：

金属材料，多为不锈钢。

5.4催化器各个结构的作用载体作用：

载体是承载催化剂的物体。

它提供很大的表面使催化剂与有害气体充分接触。

车用催化器载体目前大多采用陶瓷蜂窝载体，其对封装要求较高。

其主要参数有外形尺寸、孔密度、壁厚、等压强度、抗热冲击性、热膨胀系数、吸水率等。

最常用的规格是400目（孔平方英寸）6.5mil（1/1000英寸）。

载体的选用原则为：

载体体积/发动机排量=0.81.2倍。

壳体作用：

壳体是催化转化器的外壳部分。

催化器的工作条件非常恶劣，要保证其使用寿命，壳体的选材和设计时要充分考虑耐腐蚀、耐高温、强度、刚度等各方面需求。

壳体材料一般要选取不锈钢和耐热钢。

常用材料有0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr11Ti等（我司部分型号催化器的壳体材料为QT500-7、SUH409L等）。

壳体的型腔要与载体尺寸相配，过渡部分应合理引导和分布气体的流动方向，体积较大的壳体在结构上要设加强筋以提高刚度。

n涂层作用：

催化剂是改变化学反应速度的物质，它参加化学反应，但反应前后质量保持不变。

所以从原理上讲，它是无损耗的。

目前在车辆中广泛使用的涂层材料是贵金属铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）。

其它涂层材料有过渡金属氧化物、复合金属氧化物等，一般都与微量贵金属共同使用。

但其活性与贵金属有一定差距，尤其是低温活性较差。

涂层的涂敷材料的构成包括主催化剂、催化助剂、稳定剂、大比表面基础涂层-Al2O3等。

涂层的标称参数有贵金属含量、贵金属比例。

性能指标有转化效率、起燃温度、空燃比特性、耐久性等衬垫：

衬垫是催化转化器中保护载体不受损坏的部分。

它在催化器的构成中起到吸震、缓冲、隔离、保护的作用。

催化器使用中，金属壳体的热膨胀系数很大，而陶瓷载体的热膨胀系数很小，要靠垫层的膨胀和弹性加以弥补，保证载体不会松动。

金属垫层具有较大的弹性，能够很好地保护载体；非金属膨胀垫层除了减震作用以外，还具有隔热、吸音、防止气流旁通的作用。

目前最常用的是非金属膨胀垫层（例如3M衬垫）。

5.5影响催化器性能的一些因素n发动机的排量和原始排放n催化器离发动机的距离n载体的固有属性n贵金属的含量及浓度n发动机的进气方式六消声器n6.1消声器简述n消声器看似简单，就是几块不锈钢包住一两根管子和两三块隔板。

但实际上一个好的消声器，其设计过程是相当复杂的。

且其涉及到的相关性能较多。

首先就是发动机的性能，其次是整车的舒适性，主要体现在震动和噪声方面。

据统计，排气管的噪声对整车的噪声有36%的影响。

也就是说，一辆车的NVH水平怎么样，有三分之一的贡献来自于消声器。

因此，消声器对整车的影响是非常大的。

但是目前我国的消声器设计水平较弱，基本还处在刚开始学会正向设计的阶段。

6.2消声器的功用与噪声源消声器的功用是降低排气噪声，引导废气顺畅的排到大气中。

排气系统的噪声源主要有空气动力噪声、冲击噪声、辐射噪声和摩擦噪声。

空气动力噪声的产生来源于发动机的运动，发动机运动的时候会产生压力波，压力波在管道中传播而形成空气动力噪声。

空气噪声取决于排气管道的管径。

冲击噪声主要是管道中不稳定的气流对管道产生冲击而产生的噪声。

加大管道弯管的直径和渐进的改变结构的截面积是减少冲击噪声的有效途径。

辐射噪声：

管道和消声元件被机械振动激励或者受到内部流体压力波动引起的振动，这些被激励的结构对外辐射声音而产生辐射噪声。

辐射噪声的大小取决于消声器各个元件的固有属性，如果几何尺寸、结构形状和刚度等。

减小辐射噪声的途径有两个，一是减少流体声波的扰动，二改变结构的特征。

摩擦噪声：

管道中的气流高速运动时会与管壁产生摩擦噪声。

降低摩擦噪声的方法是降低流体的流动速度，增加管道的截面积，管壁尽可能光滑，避免管道中的急转弯，使用吸引材料等。

6.3消声器的原理n因废气在管道中以波的形式传播，故利用波的各种理论来改变波的传播状态。

主要为波的反射，叠加和吸收。

用波的反射来降低波的传播速度，从而达到降低空气动力噪声，用波与波的叠加，波谷和波峰的叠加使波峰的峰值减小，利用各种吸音材料达到吸收一定频率的波长，从而达到降噪的效果。

6.4消声器的分类消声器的分类主要有阻性消声器、抗性消声器和复合型消声器。

消声器的分类主要是根据消音元件的组合形式来确定的。

阻性消声器主要是利用吸音材料而达到效果的消音器。

抗性消声器主要利用各种波的反射、叠加而设计的各种消音元件的组合。

如四分之一波长管、赫尔姆兹消声器、旁支消音器及扩张消声器等。

复合型消声器就是阻性消声器和抗性消声器的组合体。

6.5各种消声器的优缺点n抗性消声器：

其消声的频率范围较窄，但对低频的消声效果较好。

n阻性消声器：

消声的频率范围较宽，但对低频的消声效果不好，对中高频的效果较好。

n复合型消声器：

对各个频段的噪声都有不错消声效果，但设计较复杂。

6.6消声器的设计目标消声器好坏会影响的系统有发动机的性能，整车的噪声、震动、整车动力性和燃油经济性。

所以，消声器的设计目标就是要满足发动机的性能和整车的噪声水平。

影响发动机性能和整车的噪声水平的参数为：

排气背压、插入损失和功率损失比。

排气背压和插入损失是对矛盾体。

排气背压越大，功率损失比越大，整车动力性和燃油经济性越差，但插入损失就越大，消声效果越好.以下是一些参考标准：

车辆分车辆分类类M1M2M3N按发动机功率分，kw100100150150150150插入损失比，db（A）262416单级16多级201516功率损失比，%664434排气背压差，kPa2625151513156.7消声器的逆向开发流程n逆向开发流程为：

n不合格验证零部件性能验证安装位置整车噪声测试整车耐久测试数模取样图纸得到点云扫描样件小批量产样件鉴定6.8开发经验总结n6.8.1排气系统：

n首先，排气系统最难把握的就是如何满足整车NVH的同时又满足整车动力经济性。

排气系统的消声器效果好，则NVH水平必然好，但整车的动力经济性又会不足。

反之，则亦然。

6.8.2催化器的开发经验n催化器的难点在于耐久老化和快速起燃的矛盾，也就是催化器的布置问题。

耐久老化和起燃都和催化器离发动机的距离有关。

为了催化器快速起燃，催化器要尽量布置在离发动机近的地方。

但这会使催化器的耐久性能变得不足。

因此，催化器的布置是个比较难取舍问题。

另外，如果既要保证催化器的起燃，又要保证耐久，则最根本的方案是开发新的涂层技术。

按照目前排放法规的趋势，研发新的涂层是解决耐久老化和快速起燃问题的最好方案。

6.8.3消声器的开发经验n目前我司没有进行过正向开发设计消声器，所有的消声器都逆向开发。

所以只能阐述一下逆向开发设计的经验。

逆向开发比正向开发的优点是：

1成本较低；不需要对消声器进行各种流场模拟分析，性能验证等试验。

2开发时间短：

由于不需要进行前期的各种分析模拟分析，可以节省很多的时间。

3风险较小：

由于有参考件可以参考，可以避免匹配失败的风险。

缺点：

1无整改对策：

由于自身能力限制，当遇到仿制的件出现异常时，无法对异常进行分析，甚至整改。

2匹配不完美：

由于逆向几乎不考虑与发动机和整车的匹配问题，所以逆向出来的件与整车的匹配性不是很完美。

小结：

由于消声器的工作环境较复杂，其温度场和流场变化很频繁且范围很大，对设计带来很大困难。

虽然可以用软件模拟分析，但鉴于单个软件的局限性，一般需要多个软件配合才能对消声器的温度场和流场进行比较正确的模拟，这给操作带来困难。

另外，消声量的大小可以用仪器测试，但消声质量很难用仪器测量，全凭顾客的主观感受来评价。

新型消声器介绍n双模态消声器：

n主动消声器七橡胶悬挂n排气系统除了有噪声之外，还有振动，且消声器还要安装固定到车身上。

因此橡胶悬挂的作用是减振和固定消声器的位置。

n橡胶悬挂的减振作用与三个因素有关n1悬挂点的选取：

悬挂的取点基本决定了橡胶悬挂的振动量大小，也就是排气系统的振动传到车身的程度。

n2橡胶悬挂的硬度：

在悬挂点取的比好好的情况下，硬度越大，消声器的安装位置越固定，摆动幅度越小，但减振效果越差。

所以在选取硬度的时候要综合考虑减振与消声器空间大小。

n3橡胶悬挂的个数：

个数越多，减振效果越好，但其悬挂点的位置比较不好取。

n小结：

总得来说，橡胶悬挂的设计较简单，只要悬挂点取得适当，橡胶悬挂的减振效果就比较明显。

不然，减振效果很差。

八排气系统的振动分析n排气系统一端与发动机相连，另一端则通过挂钩与车体相连。

发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。

车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会幅射出去，在车内产生噪声。

排气系统的振动分析涉及到三个方面：

模态分析，动力分析和传递渠道的灵敏度分析。

n排气系统的振动源主要有四个：

发动机的机械振动，发动机的气流冲击，声波激励和车体的振动，如下图所示。

第一，发动机机械振动。

排气系统直接与发动机相连接，因此发动机的振动也就直接传递给排气系统。

第二，气流冲击。

高速气流经过汽缸排出，直接冲击排气多支管，从而引起排气系统振动，特别是对于转弯较急的部分。

当气流进入到排气系统后，气流在管道内产生紊流，从而引起排气管道的振动。

第三是声波激励的振动。

声波在管道中运动时，会对管道和消音元件等结