轻卡某车型排气系统匹配设计论文

黄可创

（安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型车研究所，安徽 合肥 230601）

引言

自1886年诞生的第一辆汽车以来，汽车工业经历了130多年的发展过程。汽车在这一个多世纪以来得到了快速的发展，特别是近几年科学技术的进步，更是将汽车技术的发展推向一个新的高潮。汽车的动力系统是衡量汽车性能好坏的一个重要标准，动力系统中排气系统就是其中一个十分关键的部分。排气系统设计的好坏直接关乎发动机的工作性能。

一个好的排气系统的设计是支撑整车良好的动力性的前提，一个好的排气系统能够使发动机持续高效的运行，并且能够将废气及时地排出，保证燃油的燃烧效率。排气系统设计的好坏的衡量标准是看整个排气系统能不能满足整车的动力性要求以及排气系统在整车的结构布置合不合理。

汽车排气系统总体设计的原则：（1）依托现有轻卡技术、生产平台，充分考虑工厂的实际条件和工艺条件，最大限度地减少生产准备工作量；（2）设计中应做到各主要总成件系列化、通用化、模块化，加快产品成熟度，缩短产品开发周期；（3）明确在规定的各种使用性能中哪些是要优先保证的，例如排气背压、排气污染物的含量等。

该款产品的排气要求排气被压≤20KPa，污染物的排放要满足国五标准，采用的是DOC+SCR的后处理方式；采用电加热尿素管，提高排气温度，使尿素对NOx的处理效果更好。

1 零部件设计

1.1 前排气管设计

由于在基础车型上更换了发动的型号并且发动机定位点也改变了，因此前排气管需要重新进行设计，前排气管的走向设计尽量与基础车型的走向保持一致，这样会更方便于后处理的布置与基础车型保持一致。更换了发动机的型号，发动机的排量由2.49L变为1.91L，因此前排管的管径不需要加大，与基础车型保持一致，为φ51mm。前排气管前端法兰适应发动机仰角，前端面法兰与竖直平面夹角为 3°；前排管中部焊接有波纹管，用来减少发动机带来的震动。前排管的材料采用普通的焊管即可，排气管表面需要进行达克罗处理，达克罗处理使得排气管的比普通的镀锌防腐处理耐腐蚀性要高出7-10倍，并且达克罗处理耐高温能力强，可以有效预防涂层脱落而造成排气管腐蚀的风险。

图1 前排气管

1.2 前排管支架设计

前排气管需要通过支架固定在车架的纵梁上，以保证车辆在运行过程中前排气管的强度，避免前排气管因震动过大或者震动频率过大造成疲劳断裂。由于车辆的整体布置的问题，造成前排气管支架在纵梁上没有孔位固定，因此参考基础车型的固定方式，将排气管支架固定在变速箱的飞轮壳上，支架的结构和形状参考基础车型设计，在保证支架强度的基础上，进行轻量化设计。支架的材料采用510L，厚度5mm，支架上位于圆弧上的两个φ11的孔位要与变速器飞轮壳上的孔位相对应，Q150B0840F61的螺栓要预先焊接在支架上，这样做的目的是方便后续的装配。支架需要进行耐高温、耐腐蚀性和震动试验，以验证其性能是否满足要求。

图2 前排管支架

1.3 尿素喷射管和回液管的设计

为了适应国五排放的标准要求，需要对汽车尾气进行必要的过滤净化处理。其中，采用DOC+SCR是最常见的方式。这就需要设计尿素管路和回液管管路。这两种管路的设计走向尽量要贴着车架，一般在拐点的地方尽量增加固定，固定的方式可以采用管夹或者支架+管夹的方式。管路走向尽量顺畅，保证尿素溶液流通方便。尿素喷射管和回液管采用电加热的形式，保证在冬天温度较低的时候，尿素溶液不结晶并且保证了尿素溶液与尾气的反应温度，使得反应更加充分。

图3 尿素喷射管与回液管三维模型

图4 尿素喷射管

图5 回液管

1.4 DOC、SCR和消音器的选择

DOC是氧化催化剂的简称，氧化催化技术是一种已用于柴油车排气后处理的技术，主要是通过催化剂的氧化反应去除微粒物中的可挥发有机物(SOF)，减少PM排放，同时可除去排气中的HC、CO污染物和醛类、多环芳烃等排放标准限制污染物。选择的 DOC中催化剂贵金属含量为 0.592g，小于GB/T 30512标准中汽车禁用物质的要求。

SCR是选择催化还原的简称，其原理是：将尿素(32.5%)溶液作为还原剂，将汽车废气中的NOx还原成N2。其实作为还原剂不并不是尿素本身，而是尿素在高温下分解成的N3H，反应的机理如下：

消声器与SCR集成在一起，由于本车型开发的车型主要用于快递物流行业，经常要在城市之间来回跑，因此对噪音为控制比较严格，因此选用的消声器是阻抗复合型消音器，容积为8L，其结构图如下。阻抗型消音器消声频带较宽，对于各个频带的噪音均有消音效果，消音效果比单一的类型的消声器更好。

图6 阻抗复合型消音器

消声器容积的计算：

式中，Q---修正系数，一般取2-6，消音量越大，Q值越大；

n---发动机额定转数，r/min；

Vst---发动机排量，L；

i---发动机缸数；

t---冲程数。

根据所选配的发动机的参数，按照公式计算结果为：

所选用的消音器的容积V实际=8，V实际＞V，因此满足要求。

1.5 水管管路的布置

为了保证尿素罐里面的尿素溶液在温度较低的时候不结晶，保证后处理的正常进行。必要时需要对尿素罐里面的溶液进行加热，加热的方式是采用发动机的冷却水进行加热。冷却水的通断是通过断水电磁阀的开关进行控制。整个冷却水对尿素溶液的加热循环一共需要5根水管。水管管路的布置原则是：尽量贴着车架腹面的内侧，避免阳关直射，防止老化；远离热源；避免与钢管等硬质的管路直接接触。三维管路布置如下图：

图7 水管管路模型图

表1 水管管路表

1.6 尿素罐的选择

已知尿素溶液消耗量为为燃油消耗量的 5%，且尿素溶液中含有67.5%的水，会在结冰时膨胀，因此需要留出5%的膨胀空间，并且一般每加注2-3次燃油就需要加注一次尿素溶液。本车型选用的尿素罐是16L的，需要对其容积大小进行验证，验证结果如下：

表2

2 排气系装置图及零部件列表

图8 排气系装置图

表3

专用件：9

外购件：60

通用化率：85%

3 结论

本论文通过对汽车排气系统的设计，充分考虑整车的“通用化、模块化、标准化、系列化”要求，尽可能多的借用基础车型的零部件，这能够降低该车型排气系造价成本。排气系整车布置合理，与其他分组的零部件不产生干涉，水管管路、尿素喷射管和回液管远离热源，尽可能的降低了热害影响，故此排气系统设计满足要求。

[1] 成大先.机械设计手册,北京:化学工业出版社,2004.

[2] 濮良贵,纪名刚.机械设计.（第七版）,北京:高等教育出版社,2001.

[3] 陈家瑞.汽车构造.北京:机械工业出版社.2004.

[4] 余志生.汽车理论.（第三版）,北京:机械工业出版社,2004.

[5] 卢秉恒.机械制造技术基础,北京:机械工业出版社,2000.