劉一鳴，尚志誠

（重慶車輛檢測研究院有限公司，國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

引言

客車排氣系統(tǒng)是客車底盤一個重要的組成部分。它的主要作用是將發(fā)動機工作時產(chǎn)生的廢氣引導(dǎo)排出，并且降低排氣時所產(chǎn)生的噪聲，減少環(huán)境污染和產(chǎn)生輔助制動。它直接關(guān)系到汽車的動力性、舒適性和安全性能。本文對客車排氣系統(tǒng)布置作一簡要的探討。

1 排氣系統(tǒng)的設(shè)計計算

如圖1所示，排氣系統(tǒng)主要是由發(fā)動機排氣歧管、消聲器進氣管、消聲器、消聲器排氣尾管、排氣管路懸置和排氣輔助制動閥等組成。

圖1 排氣系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

1.1 排氣系統(tǒng)的熱量分布簡要計算

以YC6J220-30為列：

額定功率162Kw/2500r/min，排氣溫度≤600℃，排量6.5升。

在額定工況時，輸出功率P1＝162Kw，根據(jù)增壓柴油機的特性約燃燒能量的 40%轉(zhuǎn)化為有效功輸出，29.1%由廢氣排出，折合廢氣排出功率約為：

（注： 40%和29.1%取自內(nèi)燃機設(shè)計,可能與實際稍有出入[。）

尾氣從排氣歧管流到到排氣尾管排出，由于管路散熱和消聲器的熱消耗，溫度從600℃降低到200～300℃左右，根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=nRT，從T1＝600+273K到T2＝250+273K這一部分能量損失當(dāng)量：

相對應(yīng)的功率消耗為ΔP＝117.2×40%＝46.88 Kw。這些熱量都是通過排氣系統(tǒng)外圍的流動空氣散發(fā)掉。在車輛工作在高溫環(huán)境下，散熱模型簡化為面積2m2的鋼板400℃上流過 20m/s的 40℃的空氣流（空氣流速按車速折算，該處取20m/s作為參考）；

根據(jù)對流換熱原理，Cf＝0.074/(2.3×106)-1/5＝0.000395

（平流與紊流的判定由于受長度影響很大，可以直接定為紊流，計算過程省略，參數(shù)Re = 2.3×106是根據(jù)空氣性參數(shù)及已知數(shù)據(jù)計算得出，計算推導(dǎo)過程較復(fù)雜，該處結(jié)果源于軟件計算得出。）

其中，Cf-紊流局部摩擦系數(shù)，Re-雷諾數(shù)，Pr-普朗特數(shù)，h-表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，λ-導(dǎo)熱系數(shù)，Nu-努塞爾數(shù)，A-表面積。

另外還有P1=46.88-35.7=11.12 Kw的散熱量由熱輻射給空氣流以及周圍部件了。

實際情況中，因受到排氣管的長度影響，排氣管與消聲器散熱量各有不同。在采取隔熱板時，隔熱效率90%以上，基本上是可以忽略熱效應(yīng)對排氣系統(tǒng)周圍部件的影響的。然而在排氣系統(tǒng)增加隔熱板的地方并不多（采取雙層設(shè)計的排氣管相當(dāng)于增加隔熱板的情況），在沒有隔熱板的地方，因空氣熱阻在距離50mm處最大，在這個范圍外都是安全的。

1.2 排氣管路設(shè)計

排氣管的主要作用是將發(fā)動機工作過程中所產(chǎn)生的廢氣排出。由于汽車排放法規(guī)的升級，蝸輪增壓器使用條件更苛刻，排氣管不能因為自身的重量及所產(chǎn)生的慣性、彎矩和相對運動或者因其受熱膨脹產(chǎn)生形變而影響和蝸輪增壓器的正常工作，以致因為過載產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成增壓器的損壞。

設(shè)計中，在排氣管路中通常采用熱補償裝置。如圖2所示，常用的熱補償裝置一般有兩種形式：第一種是采用彈性的波紋管；另一種是撓性聯(lián)鎖式接管。這兩種方式各有所長。彈性波紋管的密封性能比較好，但是它的熱償性能較差，使用壽命不如撓性聯(lián)鎖式接管，同時它的價格也比較貴。相比之下，撓性聯(lián)鎖式接管的熱補償性能和使用壽命都好于彈性波紋管，但它的密封性能稍差。設(shè)計時，要根據(jù)具體的要求來選擇。

圖2 排氣系統(tǒng)熱補償裝置

在很多前置車的設(shè)計中，發(fā)動機排氣歧管在車輛右側(cè)時，通常排氣管路相當(dāng)長，又不允許右側(cè)排氣，管路需要從右側(cè)過渡到左邊排氣，這種情況下應(yīng)當(dāng)考慮熱膨脹對系統(tǒng)的影響：

從排氣歧管到排氣尾管在縱向長度上的膨脹量：

（碳鋼線膨脹系數(shù) k=1.2×10-6，不銹鋼線膨脹系數(shù)k=1.5×10-6）。

前置車后排氣的情況居多，排氣管長度通常是很長的，這產(chǎn)生的熱膨脹量很客觀。在設(shè)計排氣管路懸置時，應(yīng)該給予充足的裕量；否則因鋼材的彈性模量產(chǎn)生的應(yīng)力可能會產(chǎn)生破壞。

σ＝E×ε，在管長 1米壓縮 4.2mm 時產(chǎn)生的應(yīng)力為 σ＝2×106×0.0042＝8.4×103N/mm2，遠大于鋼材的極限應(yīng)力。實際情況下，因管路卡箍以及軟墊可以吸收部分應(yīng)變，在管路太長時，懸置點安裝要采用長圓孔設(shè)計，否則破壞不可避免，具體情況由布置點的不同而不同。

1.3 排氣消聲器的設(shè)計

基于舒適和環(huán)保性的要求，車輛噪聲控制至關(guān)重要，因此，排氣系統(tǒng)設(shè)計中要加強排氣系統(tǒng)的消聲能力。排氣消聲器是一種集氣流通過，與消除或減小排氣噪聲于一體的有效裝置。實現(xiàn)控制汽車噪聲的目的。

排氣系統(tǒng)設(shè)計中選取的消聲器性能對比如表1所示：

表1 消聲器性能對比

消聲器的型號和規(guī)格需根據(jù)所匹配的發(fā)動機來確定。所要匹配的發(fā)動機參數(shù)表中一般給出了發(fā)動機適用的排氣管直徑，這個直徑數(shù)據(jù)通?？梢宰鳛檫x擇消聲器的口徑參數(shù)。

消聲器的材質(zhì)應(yīng)該具備有較強的防腐蝕性能。因此在設(shè)計的過程中，應(yīng)該優(yōu)先考慮中碳鋼和不銹鋼材料，同時還要看消聲器所需要的空間大小，以及允許的背壓數(shù)值，還有有效性、經(jīng)濟性、美觀性、環(huán)保性和使用壽命等各方面的因素。

1.4 排氣管道的懸置安裝

排氣管道的懸置包括排氣管的懸置安裝和消聲器的懸置安裝兩部分。其主要作用是支承排氣系統(tǒng)的重量，并且能有效地把其重量合理地傳遞到車架上。這部分的設(shè)計要點是以下三個方面：

（1）消聲器的懸置安裝必須保證能承受車輛和發(fā)動機工作時所產(chǎn)生的振動負荷和高溫高熱負荷而不致于變形損壞。支撐夾箍的安裝位置必須保證其在工作時受熱膨脹方向有一定的補償空間，以避免因其工作時受熱膨脹而損壞，需要采用長圓孔設(shè)計。

（2）在懸置支承的設(shè)計上，要保證支架有足夠的強度和剛度，以支承排氣管和消聲器的重量，以及承受客車在運動過程中所產(chǎn)生的振動。

（3）要考慮到支承的減振性，通過支承處的吸振，減少傳遞到排氣管和消聲器上的振動，并且在排氣管的熱變形方面有一定的自由度。

1.5 隔熱板設(shè)計

橢圓型消聲器因面積較大，應(yīng)設(shè)計有隔熱板結(jié)構(gòu)；排氣管路中，在與油路、電路、塑料件距離小于50mm時，也應(yīng)該設(shè)計隔熱板，雙層排氣管是最佳的，不過成本過高，應(yīng)用較少。

部分隔熱板直接焊接于排氣管上，這種情況下應(yīng)當(dāng)注意，在管路走向方向焊接應(yīng)采用單邊焊接，雙邊焊接由于熱應(yīng)力會破壞排氣管產(chǎn)生不良后果。

另外在排氣管與燃油箱距離小于 300mm時，隔熱板的設(shè)計必須有效，加油口和通氣孔不能對著排氣口的方向，以避免引發(fā)起火危險。

1.6 排氣尾管的設(shè)計

客車排氣尾管的設(shè)計必須合理，必須保證客車排出的尾氣不至于吹到客車車身上，也不能使排出的廢氣被吸進空氣濾清器，影響發(fā)動機的工況。排氣尾管設(shè)計的合量性和美觀性將影響客車整體的設(shè)計質(zhì)量和外觀性。在設(shè)計排氣尾管的時候，為了有效地控制排出廢氣的排出方向，可以將尾管排氣口設(shè)計成“鴨嘴”形或者是朝下45°開斜口。

2 其它注意事項

客車排氣系統(tǒng)的設(shè)計除以上幾個方面外，還要特別注意以下幾點：

（1）排氣管與發(fā)動機排氣歧管之間、排氣管前后段與排氣消聲器之間如果采用法蘭盤聯(lián)接，那么法蘭盤的接合面應(yīng)平整、密封、無翹起與錯位等現(xiàn)象。法蘭聯(lián)接面必須設(shè)有耐熱彈性墊。

（2）排氣管排氣口不得指向車身的右側(cè)。

（3）排氣系統(tǒng)的布置要盡量與汽車線束相隔離，以免排氣管在工作時產(chǎn)生的高溫灼傷線束，造成客車電路故障。

（4）排氣管應(yīng)與客車側(cè)圍之間有一定的間距，以避免排氣管高溫灼傷客車油漆，影響客車的外觀質(zhì)量。

（5）客車設(shè)計的時候，一般應(yīng)考慮將排氣管與燃油箱布置在客車的不同側(cè)。當(dāng)排氣管與燃油箱布置在同一側(cè)時，排氣管與燃油箱之間的間距不得小于 300 mm，當(dāng)它們之間的間距過小的時候，在排氣管與燃油箱之間要設(shè)置有效的隔熱板；同時，燃油箱的加油口和通氣口不允許對著排氣管的開口方向，且應(yīng)距客車排氣管的出氣口端在300 mm以上，否則也應(yīng)該加設(shè)有效的隔熱裝置，以防排氣系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生的高溫灼熱燃油，引起危險。

3 結(jié)論

本文通過對排氣系統(tǒng)熱量分布的簡單計算，初步明解了排氣系統(tǒng)的熱量分布情況，確定熱安全區(qū)域，隔熱板的取舍方法；通過簡要計算熱膨脹對排氣系統(tǒng)的影響，提出了排氣系統(tǒng)懸置點設(shè)計的要素，分析了消聲器在排氣系統(tǒng)中合適位置的選擇以及其他排氣系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意的特殊情況。

參考文獻

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