郝健

摘 要：隨著機(jī)械科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們出行的交通工具也得到了飛速發(fā)展。該文研究了一種汽車自動化排氣控制產(chǎn)品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能。該文提供一種改善設(shè)計技術(shù)，可以以此來提高產(chǎn)品性能。

關(guān)鍵詞：汽車；自動化；排氣；流體控制

中圖分類號：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們出行的交通工具也得到了飛速發(fā)展。其中汽車工業(yè)的發(fā)展也突飛猛進(jìn)，世界的汽車銷售數(shù)量超過9千萬，中國的汽車銷售量接近3千萬輛，位居全球汽車銷售量前列。然而人們對汽車的舒適性能與動力性能要求也越來越高，此外，國家對汽車的排放要求也越來越高，使汽車與發(fā)動機(jī)以及排氣系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展。該文研究了一種汽車自動化排氣控制產(chǎn)品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能。越來越多的消費者以及工程設(shè)計制造廠商開始研究可變閥門排氣技術(shù)，許多改裝排氣產(chǎn)品供應(yīng)商都提供這種產(chǎn)品。這種可變閥門排氣產(chǎn)品，巧妙地結(jié)合了直通排氣與回壓排氣的優(yōu)點。在尾管部位安裝控制閥門，使駕駛者在駕駛時，自主切換成配合慢速運行的回壓排氣方式，產(chǎn)生較低聲響；或者切換成配合發(fā)動機(jī)快速運行的直通排氣方式，產(chǎn)生激昂澎湃的聲浪。該文所研究的可變閥門排氣控制產(chǎn)品中，直接執(zhí)行控制排放氣體的流體控制產(chǎn)品為蝶閥。

1 汽車排氣控制系統(tǒng)

汽車發(fā)動機(jī)包括柴油發(fā)動機(jī)、汽油發(fā)動機(jī)、天燃?xì)獍l(fā)動機(jī)等，它們都為汽車的行駛提供動力。而這些傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)在燃料轉(zhuǎn)化能量的過程中，燃料的燃燒會產(chǎn)生一些需要排除的氣體，因而涉及排氣問題。如圖1所示，排氣歧管是與發(fā)動機(jī)相連的，匯聚發(fā)動機(jī)排出來的氣體，通入排氣總管中。廢氣進(jìn)入催化器，經(jīng)過消聲器消聲，再經(jīng)排氣管流通，最后再由消聲器處理，通過尾管排到空氣中。一般的排氣系統(tǒng)由排氣歧管、催化器、消聲器、排氣管、尾管等部件組成，如圖1所示。

2 汽車排氣控制產(chǎn)品設(shè)計

該文研究的排氣控制產(chǎn)品是一種位于汽車尾管部件中的重要元件—排氣蝶閥，它所處的工況比較特殊，區(qū)別于一般的排氣閥。發(fā)動機(jī)在汽車運行的過程中，產(chǎn)生出燃燒過的廢氣，排氣性能對發(fā)動機(jī)的性能有著一定的影響。而排氣系統(tǒng)的末端處理也尤為重要。尾氣部位的環(huán)境，廢氣溫度比較高，不同于一般的流體介質(zhì)。使用排氣閥一方面可以對發(fā)動機(jī)性能起到積極作用，另一方面可以產(chǎn)生比較良好動力聽覺效果，受到很多使用者的歡迎。

2.1 傳統(tǒng)的排氣方式優(yōu)劣分析

2.1.1 回壓排氣的優(yōu)劣

傳統(tǒng)的排氣方式主要有2種：一是，回壓排氣；二是，直通排氣。首先分析回壓排氣的特點。汽車發(fā)動機(jī)在運行時，其中的氣缸排放出的氣體以脈沖的方式有序排出，經(jīng)過排氣歧管匯合到一根總的排氣管路中。然后，在排氣管中產(chǎn)生陣陣的氣浪，有序地從管路中排放出去。 回壓排氣的方式，在發(fā)動機(jī)低速運行時與其配合使用的排氣管路，使發(fā)動機(jī)排出氣體的噪聲較小。不足之處，發(fā)動機(jī)高速運行時，排氣性能將會受到影響，不能更好地發(fā)揮發(fā)動機(jī)功率。

2.1.2 直通排氣的優(yōu)劣

直通排氣設(shè)計結(jié)構(gòu)原理與回壓排氣設(shè)計結(jié)構(gòu)原理的出發(fā)點相反。更多的是配合發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)時的排氣需要。設(shè)計思路為加粗通氣管道及減少管道的彎曲部位，并去除掉排氣的尾端部分，這樣一來，廢氣可以更加迅速地排出通氣管道，以達(dá)到高效排放氣體的目標(biāo)。直通排氣的優(yōu)劣，簡而言之其優(yōu)點在于具有較高的排放廢氣能力，較好的高轉(zhuǎn)速動力輸出；不足點在于忽略了發(fā)動機(jī)低速運行的排氣回壓需求，且直通的管道結(jié)構(gòu)使得排放氣體的聲音較大。

2.2 可變閥門排氣系統(tǒng)

越來越多汽車改裝排氣產(chǎn)品制造商運用這種產(chǎn)品，可變閥門排氣控制技術(shù)受到了許多工程技術(shù)人員與消費者的歡迎。該文研究的可變閥門排氣技術(shù)，整合了直通排氣技術(shù)與回壓排氣技術(shù)的特點，巧妙地將控制蝶閥安裝在尾管部位，駕駛時，可以采取直通排氣方式，使排氣管道處產(chǎn)生激昂澎湃的聲浪；或者自行采取相配合的回壓排氣方式，使排氣管道處產(chǎn)生較低的聲音；排氣蝶閥啟閉件關(guān)閉時，排氣產(chǎn)品管線中較粗的直通排氣管道基本上沒發(fā)揮作用，整個系統(tǒng)相似于回壓排氣；排氣蝶閥啟閉件開啟時，排氣產(chǎn)品管線中較粗的排氣管發(fā)揮其作用。相對較多的管線使得排氣能力更強(qiáng)，并且澎湃聲浪也可以隨之產(chǎn)生。

氣動控制閥門排氣系統(tǒng)由真空泵、連接器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體、閥桿、閥板、信號控制模塊等零部件組成，如圖2所示。真空泵在信號控制模塊的指令輸入下，經(jīng)過執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動閥板啟閉件的開關(guān)控制排放氣體。

2.3 排氣蝶閥設(shè)計

該文研究的可變閥門排氣控制系統(tǒng)中，直接執(zhí)行控制排放氣體的元件為排氣蝶閥。排氣蝶閥的設(shè)計與常規(guī)蝶閥的設(shè)計存在的共同點，即滿足流量控制要求，不同點就是其所處的工況相對惡劣。存在火焰高溫，煙氣排放，一般的橡膠軟密封形式的蝶閥不能在這里使用。蝶閥的啟閉密封，采用金屬密封形式。蝶閥的設(shè)計計算主要涉及閥體、閥軸、閥板啟閉件。閥體的設(shè)計計算主要是最小壁厚的估算，算法（1）中p為工況壓力，σL為材質(zhì)的許用壓力，D為碟板的通徑，C為附加的裕量。而閥門為通用件，其蝶閥閥體結(jié)構(gòu)形式可以借鑒業(yè)已成型的類似產(chǎn)品。

蝶閥閥軸或閥桿是重要的傳動零件，蝶閥是角行程控制閥門，其運行過程主要受扭轉(zhuǎn)力或力矩的驅(qū)使。其計算算法主要是考慮閥桿的扭應(yīng)力，閥桿的力矩估算。W代表斷面系數(shù)值，τN是許可應(yīng)力值， ∑M是累計的扭矩值，τ為閥桿所受到的扭應(yīng)力。

閥板的最小厚度計算，考慮流體錘擊壓力p'，材質(zhì)的許用應(yīng)力σL，D蝶閥的通徑，C為附加的裕量，b為碟板的厚度。算法（1）（2）（3）用于估算排氣蝶閥中的關(guān)鍵尺寸與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。顯而易見，排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是排氣蝶閥，而排氣蝶閥的關(guān)鍵零件便是蝶板啟閉件，它直接控制排氣并與氣體發(fā)生直接接觸。

3 排氣啟閉件結(jié)構(gòu)有限元分析

對于排氣啟閉件，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究數(shù)據(jù)，這里設(shè)計一款啟閉件。汽車排氣系統(tǒng)中，在進(jìn)行啟閉件選材和計算分析時，需要考慮溫度的影響及啟閉件屈服的情況。根據(jù)某微型車排氣系統(tǒng)流場數(shù)值模擬情況推斷，尾端排氣閥門中氣體溫度不超過477℃，制造閥板的304鑄鋼材質(zhì)許用應(yīng)力不超過500 ℃的53.3 MPa，廢氣的背壓最大值為38.6 kPa 。

3.1 前處理

幾何設(shè)計草圖尺寸如圖3所示，通過三維軟件建模，選擇靜力學(xué)分析模塊，然后導(dǎo)入ANSYS的幾何處理模塊之中進(jìn)行劃分網(wǎng)格，材質(zhì)選擇系統(tǒng)自帶的不銹鋼材質(zhì)（Stainless Steel）。網(wǎng)格劃分為57 132節(jié)點，32 029個四面體網(wǎng)格單元。

3.2 結(jié)果分析

從ANSYS靜力學(xué)等效應(yīng)力分析云圖中可以看出，應(yīng)力較大值分布在中間區(qū)域。較小值分布在閥板沿閥桿對稱兩側(cè)區(qū)域，而中間突出的圓柱應(yīng)力也較小，這是因為加厚的圓柱面與拱形結(jié)構(gòu)支撐抵消補(bǔ)償了部分應(yīng)力。這里的最大值在閥板圓柱與蝶板結(jié)合交界處；最小值位于閥板圓柱端面區(qū)域，如圖4所示。經(jīng)過分析比較，在理論上，該閥板的最危險工況下的等效應(yīng)力，滿足500℃溫度鑄鋼304的許用應(yīng)力要求。

4 結(jié)語

近年來，國家與消費者對汽車排放的要求越來越高，不但對廢氣排放有要求對噪聲也要求。這些因素催使汽車與發(fā)動機(jī)以及排氣系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展。該文研究一種汽車自動化排氣控制產(chǎn)品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能，為進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)。下面重點從以下的幾個方面進(jìn)行的闡述：

（1）分析傳統(tǒng)汽車排氣系統(tǒng)的基本原理，比較其優(yōu)缺點，結(jié)合傳統(tǒng)回壓排氣與直通排氣的優(yōu)點，引述可變閥門排氣系統(tǒng)產(chǎn)品。

（2）闡述2種可變閥門排氣系統(tǒng)的組成部分，分析其廢氣排放與聲浪運行切換方式。

（3）提出一種排氣蝶閥啟閉件結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用計算機(jī)有限元分析核算其強(qiáng)度，得出了理想的結(jié)果。

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