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        一種汽車自動化排氣控制產(chǎn)品的技術(shù)研究

        2019-05-21 04:53:14郝健
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年6期
        關(guān)鍵詞:自動化汽車

        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。

        參考文獻(xiàn)

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        [7]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

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