重卡排气系统增压器段排气管路设计探讨

2021-12-06曹泰峰万方军

公路与汽运 2021年6期

曹泰峰，万方军

(大运汽车股份有限公司，山西运城 044000)

随着社会的发展和技术的进步，人们对车辆排放的要求越来越高。排气系统作为重型卡车(下称重卡)动力系统的重要组成部分，其主要作用是将发动机工作时产生的废气引导排出，并降低排气时所产生的噪声和废气温度、净化尾气等。排气系统的性能是衡量汽车质量的一个重要指标，对于重卡，由于其发动机功率普遍较大，振动也较大，因而对排气系统设计提出了更高的要求。

1 排气系统简介

排气系统的一端与发动机相连，另一端通过支架与车架相连。由于受到发动机本身振动和排气激励的影响，排气管振动较大。如果排气系统和发动机发生共振，排气管会因振动过大而破损，影响其效能和使用寿命。

排气系统的振动源主要有：1)发动机机械振动。排气系统与发动机相连，发动机的振动会直接传递给排气系统。2)路面谱的随机激励。路面随机激励通过轮胎、车体和发动机等传递给排气系统，然后排气系统逆向传递给车体。3)气流冲击。高速气流经过气缸排出，直接冲击排气管而引起排气系统振动，特别是对于转弯较急的部分。气流进入排气系统后在管道内产生紊流，引起排气管道振动。

如图1所示，根据重卡排气系统的组成，可以将其分为增压器段、柔性段和后处理段。其中：增压器段是指从发动机涡轮增压器出口到柔性软管之前的管路；柔性段是指起吸收减缓排气系统振动、位移和补偿安装公差作用的金属软管；后处理段是指从柔性软管到后处理入口之间的排气管路。从排气系统的各部分振动程度及故障情况来看，增压器段的工况最恶劣。因此，主要论述增压器段排气管路的设计方法。

图1 排气系统组成

2 增压器段排气管路设计方法

2.1 增压器段排气管路设计原则

对于重卡排气系统，其增压器段排气管路的模态及振动是最关键的2个评价指标。重卡排气系统在设计之初，应尽量提高增压器段排气管的模态，避开发动机常用转速区，最大限度避免共振的发生。

设计时应遵循以下原则：1)采用铸造排气管，提高排气管刚度；2)排气制动阀布置在增压器出口，避免长悬臂结构；3)提高固定支架刚度，采用铸造工艺或框架结构；4)固定支架布置在发动机上，且靠近管路末端；5)减短增压器段排气硬管长度，柔性段布置靠近增压器；6)加长柔性段长度，增强系统减振性能。

2.2 增压器段排气管路性能要求

(1)模态。系统一阶模态频率应大于100 Hz，避开发动机常用转速区。

(2)振动烈度。排气管及支架的振动烈度应小于40 mm/s。

2.3 主要零部件的设计方法

(1)排气制动阀结构形式。如图2所示，建议选用管路与蝶阀集成的结构。

图2 排气制动阀

(2)排气管结构形式。如图3所示，建议选用铸造工艺或一次成型工艺的排气管，避免拼焊管路。

图3 排气管

(3)固定支架结构形式。如图4所示，建议选用铸造工艺或框架结构的支架，增强支架刚度。

图4 固定支架

2.4 典型排气系统增压器段排气管路布置

由于发动机增压器位置和整车布置的不同，排气系统的布置形式多种多样。下面通过对某品牌6×4牵引车采用潍柴WP10发动机的排气系统增压器段排气管路布置(见图5)的介绍，说明典型排气系统增压器段排气管路的布置。

图5 潍柴WP10发动机增压器段排气管路

如图5所示,发动机涡轮增压器位于发动机左侧中部，出气口朝前布置。由于增压器出口朝向限制，排气管路只能采用C形布置。这种走向的排气管很难采用普通的折弯工艺生产。为实现这种布置，并提高系统模态，采用铸造工艺进行设计。

增压器段布置：采用铸造式排气制动阀，阀体与排气管路铸为一体，直接布置在增压器出气口，避免长悬臂结构。与排气制动阀连接的管路为一小段铸钢管，铸钢管整体成型，避免焊接应力破坏管路；管路固定支架采用铸造工艺，通过2个支架将排气管路固定在发动机上。在设计固定支架时，注意采用可调节的长圆孔，避免产生装配应力。