排气系统设计专题培训课件.ppt

一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29排气系统排气系统设计设计一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page2主要内容与适用范围 1排气消声系统的组成及功用2设计应用3排气消声系统的设计开发流程 4n CONTENTS目录目录总结5一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page 31.1 主题 适用于所有装汽油或柴油发动机的M1类车的排气消声系统设计。与汽车发动机相匹配的排气消声系统的系统匹配，零部件设计以及开发的流程等。1.2 适用范围一、一、主要内容与适用范围主要内容与适用范围一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page4主要内容与适用范围 1排气消声系统的组成及功用2设计应用3排气消声系统的设计开发流程 4n CONTENTS目录目录总结5一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page5二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 2.1 排气系统功用 排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置、隔热部件、弹性吊块等。一般地，排气系统具有以下一些功用：（1）引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；（2）由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声,因此在排气系统装有排气消声器来降低排气噪声；（3）降低排气污染物CO,HC,NOX等的含量，达到排气净化的作用；一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page6二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 2.2 典型的排气消声系统组成如图所示：一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page72.2 典型的排气消声系统如图所示：二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page82.2 典型的排气消声系统如图所示：二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page92.2 排气系统组成 消声器 辅助消声器：一般内装吸声材料，消除500Hz以上排气噪声二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page102.2 排气系统组成 消声器 主消声器：抗性消声结构为主，消除80500Hz的排气噪声二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page112.2 排气系统组成 催化器 功能：排放控制为主，消声为辅二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page122.2 排气系统组成 解耦装置是排气系统减振降噪的一个重要部件，同时也是提高排气系统使用寿命的重要部件。它把由发动机引起的振动及扭转进行吸收，从而降低排气系统的振动传递，同时改善排气系统的受力，提高使用寿命。它所吸收的振动主要来自以下三个方面：1.减少或吸收由于载荷变化、路况所引起的运动；2.减少由于发动机惯性力所引起的振动；3.隔离传到排气系统的发动机产生的结构噪声；我们常见的解耦单元有两种形式：波纹管和球形连接。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page132.2 排气系统组成 波纹管典型的波纹管如图所示:悬挂系统分为两种，一种是断耦式，另一种是半断耦式。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page142.2 排气系统组成 断耦式，就是采用柔性极高的波纹管（如采用0.25mm/层2 层的波纹管结构或者波纹管相当长）将发动机与排气系统的振动和晃动完全阻隔开。断耦式的波纹管不起承载作用，所以波纹管后段的排气系统需设计前后左右上下六方向位移皆有极好限制作用的悬挂。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page152.2 排气系统组成 半断耦式，就是采用强度较大的承载式波纹管（如采用 0.4mm/层2 或 3层的波纹管结构），发动机的振动和晃动有部分传递到排气系统。采用半断耦式的排气系统，吊环一般设计的偏软，并且对前后位移的限制作用不是很明显。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page162.2 球形连接 球形连接具有空间小的特点，同时能很好的起到补偿作用，现越来越被广泛采用。对于球形连接的设计，必须满足以下的技术要求;1.在49kPa（0.5 Kgf/cm）压力下，漏气量小0.79L/min。2.在振动角为 6，振动频率为 2.5Hz，所受振动力为980 98N，温度为700 10C的条件下，完成振动次数为 100*104 次。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page172.2 橡胶吊块1.将排气系统与车身相连；承担排气系统的自重，并限制排气系统在各个方向上的自由度和晃动；2.尽可能的将排气系统的振动隔离，使之尽可能少的传递到车身上。一般地，橡胶吊环采用材料为EPDM。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page182.2 消声器材料选择 由于汽油燃烧后产生NOx,硫化物，水等，冷却后将形成酸，并部分积蓄在消声器内，对排气系统容易产生腐蚀，因此，排气管、消声器端盖、内部隔板、内部消声管以及消声器筒体内层最常用的材料是SUH 409 和 SUH 436，为了更好的保证消声器的使用寿命，最好在后消声器端盖上设计放水孔，以便把生成的酸性溶液及时排出。二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page19二、二、排气系统的组成及功用排气系统的组成及功用 2.2 隔热部件 如果需要，根据具体位置选取隔热装置，一般采用镀铝隔热板，其性能达到的要求为隔热板两边的温差达到 150。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page20主要内容与适用范围 1排气消声系统的组成及功用2设计应用3排气消声系统的设计开发流程 4n CONTENTS目录目录总结5一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page21三、设计应用三、设计应用3.1 设计规则和输入:（1）排气系统能很好的将废气顺畅排出，满足发动机的排气背压，功率损失比的要求。（2）排气系统设计能满足现行法规要求，具体如下：QC/T 5793 汽车匀速行使车内噪声测量方法 GB161701996 汽车定置噪声限制 QC/T 6311999 汽车排气消声器技术条件 QC/T 6301999 汽车排气消声器性能试验方法 GB14952002 汽车加速行使车外噪声限值及测量方法 QC/T 5893 汽车加速行使车外噪声测量方法 GB18352 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 GB14365-93 声学 机动车辆定置噪声测量方法 GB/T 4759-95 内燃机排气消声器测量方法 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page22三、设计应用三、设计应用3.1 设计规则和输入:（3）排气系统零部件必须能经受1000的高温要求以及气流冲击，并保证排气系统可靠性达到10万公里或者三年(先到者为准)的要求，并要求在三包期内插入损失不得减少6dB(A)以上，功率损失不得增加3%以上。（4）排气系统必须满足顾客对噪声的要求，在整个频率范围内应有足够的消声量，同时力求避免产生气流再生噪声。（5）消声器在满足消声量的前提下要体积小，重量轻，便于安装和维修，有一个较好的价格性能比。除消声器几何尺寸和管路走向应符合装车的要求外，消声器的尾管应美观大方，表面装饰应与车的总体造型相协调。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page23三、设计应用三、设计应用3.2 设计参数的设定:排气背压 排气背压指发动机装上整套排气系统后，按QC/T 524-1999 设定测点测得的压强(离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游75mm处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁齐平，误差不大于0.2kPa)。排气背压越高，排气阻力越大，充气效率也就越低，发动机功率、扭矩损失也越大。一般来说，考虑到发动机的功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体的排气背压要求。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page24三、设计应用三、设计应用3.2 设计参数的设定:n 对低排量自然吸气发动机，排气背压一般设定在 305kPa。n 对增压发动机，排气背压一般设定在 4010kPa。排气背压一般取值范围一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page25三、设计应用三、设计应用3.2 设计参数的设定:传递损失 一般认为消声器的压力损失由两部分构成：一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失，两者都是由于流体运动时克服粘性切应力作功引起的。局部阻力损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变的地方，大小取决于局部结构型式、管道直径和气流速度，与消声器截面扩张比有关。沿程阻力损失发生在消声器管道壁面，其大小取决于管壁粗糙度及气流速度的大小，而管道直径和气流速度是密切相关的，所以管径的选取至关重要。所以，通常排气系统应该尽可能地设计成简单的走向通常排气系统应该尽可能地设计成简单的走向，而避免过而避免过度弯曲的形状。度弯曲的形状。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page26三、设计应用三、设计应用3.2 设计参数的设定:插入损失 消声器的插入损失为装置消声器前后，通过排气口辐射声功率级(或者声压级)之差。DL1-L2，对于D值，由于各发动机的噪声水平以及整车类型不同，所以插入损失的目标值也不同。QC/T 6311999汽车排气消声器技术条件规定28dB，JB/T 5081-91中小功率柴油机声器技术条件规定功率损失在小于5%时，插入损失25dB。我们要求在发动机各个转速下的插入损失均大于32dB。与传递损失只考虑消音元件本身不同，插入损失考虑一个系统。也就是说除了消音元件本身外，插入损失还包括了声源和出声口(如进气口和排气尾管)的声学特征，因此这种方法是描述整个系统消音效果的最佳表达方式。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page27三、设计应用三、设计应用3.2 设计参数的设定:一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page283.3 振动 排气系统一端与发动机相连，一端通过挂钩与车体相连。发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会幅射出去，在车内产生噪声，所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的最重要的目标之一。排气系统的振动源主要有四个：发动机的机械振动、发动机的气流冲击、声波激励和车体的振动，车体的振动传递方向与前面三种相反，车体振动会通过挂钩传递到排气系统，这种传递会逆向传递到发动机，从而加大了发动机的振动。三、设计应用三、设计应用一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page293.3 振动 为了控制排气系统的振动，在进行排气系统设计时要注意以下几点：1.要避免与整车固有频率范围重合，应尽量做到差距越大越好，一般地，车身固有频率在25Hz34Hz之间，因此排气系统振动频率不能设计在这个范围内。2.在设计排气系统时，要使得其模态越少越好。如果模态太多，那么系统某些频率很容易被激励起来，振动容易被传递到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，而尽量避免弯曲的形状。3.合理选择挂钩的位置，且挂钩的刚度要满足下面的要求：支架频率发动机最大转速发动机的汽缸数目/1204.波纹管和橡胶吊块的设计对排气系统的振动控制至关重要。三、设计应用三、设计应用一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page303.3 振动 三、设计应用三、设计应用一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page313.3 振动 三、设计应用三、设计应用一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page32主要内容与适用范围 1排气消声系统的组成及功用2设计应用3排气消声系统的设计开发流程 4n CONTENTS目录目录总结5一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page33四、四、排气消声系统的设计开发流程 4.1 排气系统布置 对一个完整的排气系统，从前到后，一般布置次序是：预催化器、解耦单元（波纹管）、主催化器、前消声器、后消声器。排气管用于连接以上不同部件。排气管分段以及连接方式主要根据安装和维修方便确定。如果解耦单元采用球面法兰，一般不把球面法兰布置在催化器之前。对于满足欧及以下排放标准的排气系统，由于欧标准不涉及冷启动阶段的排放限制，所以一般可不采用预催化器而只采用一个主催化器。对于满足欧及以上排放标准的排气系统，一般在排气歧管出口处布置预催化器（即CCC，Closed Couple Catalyst）或者在预催化器前的排气管段采取良好的保温措施。主催化器一般布置在车身底板下，所以又叫底板下催化器（Under Floor Catalyst）。一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page344.1 排气系统布置 消声器有一级、二级、三级之分。二级消声应用最多，SUV、跑车等追求动力性的车辆一般才采用一级消声器。对于二级消声，我们将其分别称为前消声器和后消声器。根据声学原理，消声器摆放在不同的位置，将产生不同的消声效果，一般地，推荐如下的消声器摆放位置：四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page354.1 排气系统布置 排气系统与各相邻部件地间隙关系（推荐）见图：四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page364.1 排气系统布置 系统间隙 各相邻部件耐温在150以下的越远离排气系统越好，相对产生运动部件最少保证与排气系统的间隙大于25mm，同时要保证最小离地间隙符合整车布置要求。四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page374.1 排气系统布置吊钩位置的选取 排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则：（1）吊钩应该位于振动的节点上；（2）吊钩应该在纵向能够延伸；（3）吊耳应该位于车身结构的刚性处。对于排气系统吊钩位置的选取必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各阶模态分析来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处的刚性。四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page384.1 排气系统布置吊钩位置的选取 四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page394.1 排气系统布置 氧传感器孔的布置 有时氧传感器孔需要布置在前管总成或前消声器总成上，由电控部门确认氧传感器孔的位置区域，根据装车空间垂直管面布置氧传感器孔(如下图所示)，垂直布置能使氧传感器更多地接触尾气，比较真实、敏捷地反映出尾气中氧离子的浓度信息，从而使ECU能够更好的进行理论空燃比的反馈控制，改善排放。尽量不要倾斜布置，氧传感器螺母倾斜会造成排放结果不稳定四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page404.1 排气系统布置 氧传感器孔的布置 四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page414.1 消声容积的确定 消声容积指排气系统所有消声器的容积之和。消声器的容积决定了其消声量，因此容积确定的正确与否，将直接影响到整车的噪声水平。一般要达到理想的消音效果，消音容积要是发动机汽缸体积的10倍左右。由于消声器的容积主要根据发动机的最大功率和扭矩决定，我们通常采用以下公式：四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page424.2消声容积的确定 根据不同车型对噪声的要求水平，K可选0.100.20之间不同的值。图为消声器容积与发动机功率之间的关系。我们尽量将消声器的容积控制在红线附件，不能超出蓝线范围。四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page434.3 排气系统 通常讲，消音容积越大，消音效果就越好，当然其背压也就越大，功率损失增加。但是当消音容积增加到一定的时候，其消音效果的增加慢慢趋缓，如下图所示。四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page444.4 管径的选取 为获得良好的噪声和低的背压，在排气管和消声器内的排气流速应分别低于 0.35c和 0.25c（c声速），我们可根据此要求来计算排气管的最小管径。假设某发动机最大排气流量为m(kg/h)，排气温度为 T(K)，压力为 P(Pa)，在温度 T和气流密度为（kg/m3），声速为c（m/s）。则排气管最小流通面积Smin为:四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page454.4 消声器的截面形状 消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选择如图的规则 四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page464.4 消声器的截面形状 消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选择如图的规则 四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page474.5 消声器内部结构 消声器内部结构的设计是一个很复杂的课题。按消声器的消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器三类。阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频都有较好的消声效果。在实际噪声控制工程中，噪声以宽频带居多，通常将阻性和抗性两种结构消声器组合起来使用，以控制高强度的宽频带噪声。目前的汽车消声器的设计中，主要结构采用抗性消声原理，而在其中某些结构则采用阻性原理，而这些阻性消音器也往往是与抗性消音器做成一体而成为阻抗复合消音器。四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page484.5 消声器内部结构 四、四、排气消声系统的设计开发流程 一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page49一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page50一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page51一路有我华晨汽车一路有我华晨汽车编者：编制时间：2011/12/29Page 52