一种汽车自动化排气控制产品的技术研究

郝健

摘 要：随着机械科学技术的不断发展，经济水平的不断提高，人们出行的交通工具也得到了飞速发展。该文研究了一种汽车自动化排气控制产品，从流体控制方面入手，改善汽车排气性能。该文提供一种改善设计技术，可以以此来提高产品性能。

关键词：汽车；自动化；排气；流体控制

中图分类号：TH13 文献标志码：A

0 引言

随着科学技术的不断发展，经济水平的不断提高，人们出行的交通工具也得到了飞速发展。其中汽车工业的发展也突飞猛进，世界的汽车销售数量超过9千万，中国的汽车销售量接近3千万辆，位居全球汽车销售量前列。然而人们对汽车的舒适性能与动力性能要求也越来越高，此外，国家对汽车的排放要求也越来越高，使汽车与发动机以及排气系统技术不断发展。该文研究了一种汽车自动化排气控制产品，从流体控制方面入手，改善汽车排气性能。越来越多的消费者以及工程设计制造厂商开始研究可变阀门排气技术，许多改装排气产品供应商都提供这种产品。这种可变阀门排气产品，巧妙地结合了直通排气与回压排气的优点。在尾管部位安装控制阀门，使驾驶者在驾驶时，自主切换成配合慢速运行的回压排气方式，产生较低声响；或者切换成配合发动机快速运行的直通排气方式，产生激昂澎湃的声浪。该文所研究的可变阀门排气控制产品中，直接执行控制排放气体的流体控制产品为蝶阀。

1 汽车排气控制系统

汽车发动机包括柴油发动机、汽油发动机、天燃气发动机等，它们都为汽车的行驶提供动力。而这些传统的发动机在燃料转化能量的过程中，燃料的燃烧会产生一些需要排除的气体，因而涉及排气问题。如图1所示，排气歧管是与发动机相连的，汇聚发动机排出来的气体，通入排气总管中。废气进入催化器，经过消声器消声，再经排气管流通，最后再由消声器处理，通过尾管排到空气中。一般的排气系统由排气歧管、催化器、消声器、排气管、尾管等部件组成，如图1所示。

2 汽车排气控制产品设计

该文研究的排气控制产品是一种位于汽车尾管部件中的重要元件—排气蝶阀，它所处的工况比较特殊，区别于一般的排气阀。发动机在汽车运行的过程中，产生出燃烧过的废气，排气性能对发动机的性能有着一定的影响。而排气系统的末端处理也尤为重要。尾气部位的环境，废气温度比较高，不同于一般的流体介质。使用排气阀一方面可以对发动机性能起到积极作用，另一方面可以产生比较良好动力听觉效果，受到很多使用者的欢迎。

2.1 传统的排气方式优劣分析

2.1.1 回压排气的优劣

传统的排气方式主要有2种：一是，回压排气；二是，直通排气。首先分析回压排气的特点。汽车发动机在运行时，其中的气缸排放出的气体以脉冲的方式有序排出，经过排气歧管汇合到一根总的排气管路中。然后，在排气管中产生阵阵的气浪，有序地从管路中排放出去。 回压排气的方式，在发动机低速运行时与其配合使用的排气管路，使发动机排出气体的噪声较小。不足之处，发动机高速运行时，排气性能将会受到影响，不能更好地发挥发动机功率。

2.1.2 直通排气的优劣

直通排气设计结构原理与回压排气设计结构原理的出发点相反。更多的是配合发动机高速运转时的排气需要。设计思路为加粗通气管道及减少管道的弯曲部位，并去除掉排气的尾端部分，这样一来，废气可以更加迅速地排出通气管道，以达到高效排放气体的目标。直通排气的优劣，简而言之其优点在于具有较高的排放废气能力，较好的高转速动力输出；不足点在于忽略了发动机低速运行的排气回压需求，且直通的管道结构使得排放气体的声音较大。

2.2 可变阀门排气系统

越来越多汽车改装排气产品制造商运用这种产品，可变阀门排气控制技术受到了许多工程技术人员与消费者的欢迎。该文研究的可变阀门排气技术，整合了直通排气技术与回压排气技术的特点，巧妙地将控制蝶阀安装在尾管部位，驾驶时，可以采取直通排气方式，使排气管道处产生激昂澎湃的声浪；或者自行采取相配合的回压排气方式，使排气管道处产生较低的声音；排气蝶阀启闭件关闭时，排气产品管线中较粗的直通排气管道基本上没发挥作用，整个系统相似于回压排气；排气蝶阀启闭件开启时，排气产品管线中较粗的排气管发挥其作用。相对较多的管线使得排气能力更强，并且澎湃声浪也可以随之产生。

气动控制阀门排气系统由真空泵、连接器、执行机构、阀体、阀杆、阀板、信号控制模块等零部件组成，如图2所示。真空泵在信号控制模块的指令输入下，经过执行机构，带动阀板启闭件的开关控制排放气体。

2.3 排气蝶阀设计

该文研究的可变阀门排气控制系统中，直接执行控制排放气体的元件为排气蝶阀。排气蝶阀的设计与常规蝶阀的设计存在的共同点，即满足流量控制要求，不同点就是其所处的工况相对恶劣。存在火焰高温，烟气排放，一般的橡胶软密封形式的蝶阀不能在这里使用。蝶阀的启闭密封，采用金属密封形式。蝶阀的设计计算主要涉及阀体、阀轴、阀板启闭件。阀体的设计计算主要是最小壁厚的估算，算法（1）中p为工况压力，σL为材质的许用压力，D为碟板的通径，C为附加的裕量。而阀门为通用件，其蝶阀阀体结构形式可以借鉴业已成型的类似产品。

蝶阀阀轴或阀杆是重要的传动零件，蝶阀是角行程控制阀门，其运行过程主要受扭转力或力矩的驱使。其计算算法主要是考虑阀杆的扭应力，阀杆的力矩估算。W代表断面系数值，τN是许可应力值， ∑M是累计的扭矩值，τ为阀杆所受到的扭应力。

阀板的最小厚度计算，考虑流体锤击压力p'，材质的许用应力σL，D蝶阀的通径，C为附加的裕量，b为碟板的厚度。算法（1）（2）（3）用于估算排气蝶阀中的關键尺寸与结构强度校核。显而易见，排气系统的关键部件是排气蝶阀，而排气蝶阀的关键零件便是蝶板启闭件，它直接控制排气并与气体发生直接接触。

3 排气启闭件结构有限元分析

对于排气启闭件，根据相关文献的研究数据，这里设计一款启闭件。汽车排气系统中，在进行启闭件选材和计算分析时，需要考虑温度的影响及启闭件屈服的情况。根据某微型车排气系统流场数值模拟情况推断，尾端排气阀门中气体温度不超过477℃，制造阀板的304铸钢材质许用应力不超过500 ℃的53.3 MPa，废气的背压最大值为38.6 kPa 。

3.1 前处理

几何设计草图尺寸如图3所示，通过三维软件建模，选择静力学分析模块，然后导入ANSYS的几何处理模块之中进行划分网格，材质选择系统自带的不锈钢材质（Stainless Steel）。网格划分为57 132节点，32 029个四面体网格单元。

3.2 结果分析

从ANSYS静力学等效应力分析云图中可以看出，应力较大值分布在中间区域。较小值分布在阀板沿阀杆对称两侧区域，而中间突出的圆柱应力也较小，这是因为加厚的圆柱面与拱形结构支撐抵消补偿了部分应力。这里的最大值在阀板圆柱与蝶板结合交界处；最小值位于阀板圆柱端面区域，如图4所示。经过分析比较，在理论上，该阀板的最危险工况下的等效应力，满足500℃温度铸钢304的许用应力要求。

4 结语

近年来，国家与消费者对汽车排放的要求越来越高，不但对废气排放有要求对噪声也要求。这些因素催使汽车与发动机以及排气系统技术不断发展。该文研究一种汽车自动化排气控制产品，从流体控制方面入手，改善汽车排气性能，为进一步进行产品开发提供了一定的理论基础。下面重点从以下的几个方面进行的阐述：

（1）分析传统汽车排气系统的基本原理，比较其优缺点，结合传统回压排气与直通排气的优点，引述可变阀门排气系统产品。

（2）阐述2种可变阀门排气系统的组成部分，分析其废气排放与声浪运行切换方式。

（3）提出一种排气蝶阀启闭件结构设计，并用计算机有限元分析核算其强度，得出了理想的结果。

参考文献

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