排气系统作业指导书.pdf

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1排气系统设计作业指导书排气系统设计作业指导书编制：

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年月日2前前言言为使本中心排气系统设计规范化，参考国内外汽车设计的技术规范，结合公司标准和已开发车型的经验，编制本作业指导书。

意在对本公司设计人员在设计过程中起到一种指导操作的作用，让一些相关设计经验不够丰富的员工有所依据，提高设计的效率和成效。

本作业指导书将在本中心所有车型开发设计中贯彻，并在实践中进一步提高完善。

本标准于2011年XX月XX日起实施。

本标准由研究院第五中心提出。

本标准由技术标准分院负责归口管理。

本标准主要起草人：

赵永刚3目目录录11排气系概述排气系概述.41.1排气系简介1.1排气系简介.41.2排气系统的发展方向1.2排气系统的发展方向.41.3排气系构成1.3排气系构成.51.4主要零部件介绍1.4主要零部件介绍.522排气系的设计流程及要求排气系的设计流程及要求.102.1排气系的主要设计流程2.1排气系的主要设计流程.102.2排气系的设计要求2.2排气系的设计要求.122.3相关设计标准2.3相关设计标准.1333排气系的设计过程排气系的设计过程.143.1标杆车及平台化对比分析3.1标杆车及平台化对比分析.143.2系统匹配计算及开发方案确认3.2系统匹配计算及开发方案确认.173.3系统总成的设计3.3系统总成的设计.173.4拆装性DMU校核3.4拆装性DMU校核.203.5技术文件的编制3.5技术文件的编制.2344设计问题横展设计问题横展.234.1周边件间隙问题4.1周边件间隙问题.234.2最小离地间隙4.2最小离地间隙.234.3紧固件安装4.3紧固件安装.244.4排气背压偏大4.4排气背压偏大.2455参考文献参考文献.24411排气系概述1.1排气系简介排气系概述1.1排气系简介排气系统主要作用是将发动机在运行过程产生的废气转化成对环境相对无污染的气体排放到大气，同时降低排气噪音。

1.2排气系统的发展方向1.2排气系统的发展方向随着人们可持续发展观的建立和对环境的关注，各国法规对于汽车排放的要求越来越严格，同时对于噪声降低和废热循环利用也日益关注。

表1欧盟排放法规发展趋势注注：

欧5a排放标准欧5a排放标准=不包括已修订的柴油机微粒、颗粒数量标准和采用生物燃料的灵5活燃料车辆低温排放试验的测量程序；欧6a排放标准欧6a排放标准=不包括已修订的柴油机微粒、颗粒数量标准和采用生物燃料的灵活燃料车辆低温排放试验的测量程序；欧5OBD标准欧5OBD标准=包括宽松的使用性能系数（IUPR），汽油车NOX监控和加严的柴油机颗粒极限值；欧6OBD标准欧6OBD标准=宽松的柴油机OBD极限值，不包括使用性能系数（IUPR）；欧6加IUPROBD欧6加IUPROBD=包括宽松的柴油机OBD极限值和宽松的使用性能系数（IUPR）。

1.3排气系构成1.3排气系构成排气系的构成主要由三元催化器、消声器、颗粒捕集器（仅对柴油机排气系统）、氧传感器（仅对汽油机排气系统）、排气管、隔热板、排气吊挂、排气尾管装饰罩（可选配）、密封垫圈以及一些紧固件等构成。

下面以JZ08和KZ16车型为例，分别介绍汽油机和柴油机排气系构成。

图1汽油机（JZ08）排气系统图2柴油机（KZ16）排气系统1.4主要零部件介绍1.4.1三元催化器1.4.1.1三元催化器原理1.4主要零部件介绍1.4.1三元催化器1.4.1.1三元催化器原理三元催化器是将发动机燃烧后排出的有害气体转化为无害气体后排向大气主消声器三元催化器隔热板后氧传感器排气管排气吊挂颗粒捕集器密封环副消声器氧化型催化器6的装置。

其反应机理为：

HC+CO+NOxHC+CO+NOxHH22O+COO+CO22+N+N221.4.1.2三元催化器构成1.4.1.2三元催化器构成三元催化器宏观上由壳体、隔热减震层、载体等组成。

壳体一般用奥氏体耐高温不锈钢制造，其形状和体积根据发动机排量及总布置要求决定：

对于回转体壳体一般采用旋压方式生产，此方式无需焊接，不易漏气，生产率较高；非回转体壳体一般采用冲压后焊接方式生产。

壳体两端一般具有与排气管路对接的锥体，为使气流在催化载体内平均分布，最大限度的利用催化体积，壳体有一定的锥度设计要求，便于气流的流动降低气流的压降。

壳体表面一般需要加隔热装置，一方面防止催化器高温对周边零部件形成不利影响，另一方面防止高温壳体受到路面积水飞溅形成激冷损坏或机械撞击损坏。

另外，壳体要求注明产品型号信息。

减震隔热层一般采用的是复合耐热材料，由膨胀云母（45%-60%）和硅酸铝陶瓷纤维（30%-45%）用丙烯晴粘接而成。

衬层的端面用玻璃纤维加强，以免被高温排气气流冲坏。

此种衬层首次受热后体积明显膨胀（800度膨胀一倍）,冷却时仅部分收缩，残余膨胀量可达50%，此种特性保证载体在壳体内固定牢靠。

此外，减震隔热层还具有保温隔热，加快起燃速度，减小热辐射的作用。

载体为达到净化尾气的效果，并保持产品的工艺性、可靠性、经济性，要求载体具有以下性质：

1.）微观表面积：

载体必须保证多孔性，能够使气体及催化剂迅速的迅速的扩散;2.）形状及体积：

载体必须使气体能顺利通过，要求有足够的横截面积、长度和反应时间;3.）力学性能：

能够可靠的承受受封装的预应力和随车的震动；4.）耐热性：

能够有效抵抗发动机排气的高温和变工况的热冲击；5.）热膨胀:

载体在受热后热膨胀要尽可能的小，以减小热膨胀产生的应力和激冷破碎；6.）低热容量：

载体的热容量要尽可能小，减少热工况的排放量。

1.4.1.3催化效率与空燃比1.4.1.3催化效率与空燃比催化器对HC和CO的氧化反应在空燃比大于14.5以上达到最佳，而对NOx的还原反应在空燃比小于14.8时达到最佳，兼顾两方面，三元催化器的综合转化效率在14.6-14.7的空燃比之间.1.4.2氧传感器1.4.2.1氧传感器作用1.4.2氧传感器1.4.2.1氧传感器作用三元催化器7氧传感器主要有两个作用：

1.）氧传感器用来检测排气中O2的含量，以此判断空燃比的情况，并将此信号反馈给ECU，形成闭环控制；2.）通过检测二级三元催化器后的氧的含量，来检测三元催化器的工作正常性，如三元催化器工作不正常或坏掉，电喷系统点亮OBD故障指示灯，提醒驾驶员及时维修。

1.4.2.2氧传感器分类1.4.2.2氧传感器分类氧传感器主要也分为两大类：

1.）窄域式氧传感器：

氧化锆式和氧化钛式氧传感器分为氧化锆式和氧化钛式，其机理如下：

氧化锆式氧传感器应用最为广泛。

其元件是专用陶瓷（ZrO2）固体电解质，基本原理钯的存在是利用其催化原理加大锆管两侧氧的浓度差，使之产生更大的电动势（锆管输出电动势与温度有关，一般要求400度以上才能正常工作）。

氧化锆式氧传感器结构如图：

图3氧化锆式氧传感器结构示意图图4氧化锆式氧传感器作用环境8图5氧化锆式氧传感器作用原理氧化钛（TiO2）型则是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。

在某个温度以上钛与氧的结合微弱，在氧气极少的情况下就必须放弃氧气，因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。

相反的，若氧气较多，则形成高电阻的状态。

就像水温度传感器一样，有着电阻高低的变化，这时只要供给一参考电压，即可由电压来可知冷却水的温度。

假设计算机供给氧传感器5V的参考电压，当混合比浓时电阻低所得到电压较高（将近5V），若混合比较稀时电阻高所得到的电压较低（将近0V），因此由电阻的变化即可得知当时混合比的状况，不过近来的车型为了使氧化钛型氧传感器有着与氧化锆型相同的变化，即将参考电压改成1V，所以其电压即成了01V的范围内。

另外由于高温下电阻容易产生变化，因此氧化钛型氧传感器会设一温度补偿电路，以反应温度高低所产生误差。

氧化钛式氧传感器属于电阻型氧传感器，其导电性随排气中氧含量的不同而发生变化，并且在理论空燃比附近产生突变。

图5氧化钛式氧传感器与空燃比的关系2.）宽域式氧传感器：

工作原理同窄域式，指示检测范围比窄域式广，全温度范围检测，控制更加精确，更好的提高燃油经济性，是未来氧传感器的发展方向。

1.4.3消声器1.4.3.1消声器功能及原理1.4.3消声器1.4.3.1消声器功能及原理消声器是将发动机燃烧后的废气向大气排出过程中能有效降低排气气流噪9声的整体部件。

其基本原理是：

消耗废气流的能量，并平衡气流压力波动，从而最终降低排气噪声。

图6消声器结构1.4.3.2消声器分类1.4.3.2消声器分类消声器的主要种类分为阻性消声结构、抗性消声结构、阻抗复合消声结构、扩散消声结构。

阻性消声器：

利用声阻进行消声。

一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时，声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。

大部分的副消音器采用此结构。

抗性消声器：

抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的，利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。

常用于汽车消声器设计的技术：

扩张室式、共振腔、干涉等。

阻抗复合型消声器：

阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗性消声器则适于消除低、中频噪声。

将阻性、抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果。

不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗复合消声器。

一般情况下，是抗性部分放在前面（入口端），阻性部分放在后面。

大部分主消音器采用此结构。

1.4.4排气尾管1.4.4排气尾管排气尾管泛指经排气系统将气体排放到大气的管路。

另外排气尾管的形式影响着排气背压和排气噪音。

在一些中高端车型，通常在尾管装配尾管装饰罩，并且做成双排气管或多排气管。

其实现形式也有多种：

1.）对于排量较低的车型，通常由尾管分叉成两根尾管或直接由消声器分流成两根尾管；2.）对于高排量的车型，或汽缸布置采用V型结构的发动机，通常做成10双消声器，再分别根据需要布置尾管。

22排气系的设计流程及要求2.1排气系的设计流程及要求2.1排气系的主要设计流程排气系的主要设计流程部门阶段设计工作流程说明底盘分院项目启动通知书发动机附件研究所：

项目负责人，项目设计人概概念念设设计计阶阶段段根据设计任务书要求，充分考虑样车的结构特点和排气系统的差异。

确定沿用件和新设计件。

A项目启动调研准备分析设计任务书的具体要求收集同类车型排气系统背压、插入损失等参数获得样车的结构参数分析和拍摄样车排气系统的结构和走向初定沿用件、改制件、新设计件明细表拆车、测量、点云图校核11项目负责人各设计员工工程程设设计计阶阶段段检查结构的合理性：

无干涉；与相关零部件配合正确性；零件结构的可加工性。

项目负责人各设计员工工程程设设计计阶阶段段计算报告方案报告建立排气系统布置数模确定设计硬点绘制总成明细表结构详细设计检查数模质量、硬点、法规符合性结构工艺检查及CAE分析B完善设计数模内审外审生产数模绘制二维图二维图审查资料入库YYYNNNY122.2排气系的设计要求2.2排气系的设计要求排气系统需满足目标市场所需的排放要求，国家标准的噪声要求及发动机所需的背压要求，详细参照2.3所列法规项。

2.2.1对管路的要求2.2.1对管路的要求1.）在任何情况下，排气总管出口处背压不