排气系统设计指南Word格式.docx
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3.4消声器
3.4.1消声器的截面形状
3.4.2消声器内部结构
3.5净化装置
3.6补偿器
3.6.1波纹管
3.6.2球形连接
3.7橡胶吊环
3.8隔热部件
3.9材料选择
3.9.1排气管、消声器内组件
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3.9.2消声器外壳体
四、排气消声系统的设计开发流程
五、参考文献列表
第4页共22页
、主题与适用范围
本指南规定了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。
本指南适用于奇瑞所有装汽油或柴油发动机的M1类车的排气消声系统设计
二、排气消声系统的总成说明及功用
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,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;
注:
在本指南中,我们将只介绍排气管和排气消声装置的详细设计,对排气歧管的详细设计具体见发动机设计科编制的排气歧管设计指南,对于排气净化装置的详细设计具体见电控科编制的排气净化设计指南。
典型的排气消声系统如图1所示:
排气管排气净化装置副消声器主消声器
图1
三、设计应用
1、设计规则和输入
1.1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。
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1.2排气系统设计能满足现行中华人民共和国法规要求,具体如下:
QC/T57-93汽车匀速行使车内噪声测量方法
GB16170—1996汽车定置噪声限制
QC/T631—1999汽车排气消声器技术条件
QC/T630—1999汽车排气消声器性能试验方法GB1495—2002汽车加速行使车外噪声限值及测量方法
QC/T58—93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汽车定置噪声限制及其测量方法
1.3排气系统零部件必须能经受1000r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。
1.4排气系统必须满足顾客对噪声的要求。
2、设计参数的设定
尺寸和重量需根据产品所要达到的性能要求以及底盘空间位置来确定,但是在满足性能要求的基础上,做到尽量小为最好。
排气背压指发动机装上整套排气系统后,按QC/T524设定测点测得的压强。
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。
对自然吸气发动机,排气背压一般设定在30±
5kPa。
对增压发动机,排气背压一般设定在40土10kPa。
对于我公司开发的AVL发动机,具体的数值见表一
表一:
发动机型号
排气背压目标值
1.6LCBRVVT
<
350mbar@ratedspeed
1.6LLowCost
2.0LTCIGDI
500mbar@ratedspeed
2.0LTCIMPI
2.0LCBRVVT
2.0LLowCost
3.0LV6CBRVVT
2.4LV6CBRVVT
第6页共22页
4.0LV8CBRVVT
1.3LCBRVVT
1.3LLowCost
1.0LCBRVVT
0.8LCBRVVT
1.9LTCIHSDI
300mbar@ratedspeed
1.9LTCHSDI
1.9LNAHSDI
250mbar@ratedspeed
1.3LTCIHSDI
2.9LTCIHSDI
消声器的功率损失比是发动机在标定工况下,使用消声器前后的发动机功率的差值和没有使用消声器时功率值的百分比。
Y=[(Pi—P2)/Pi]x100%
对于丫值,QC/T631—1999《汽车排气消声器技术条件》规定为<8%,我们一般设定为<5%。
根据尾气排放标准的要求,一般要求排气系统对发动机排气的净化率(净化前后排气的污染物HC、CO、NOx含量之比)要求在90%以上。
(具体内容见电控科编制《三元催化器设计指南》)
汽车加速行驶车外噪声需满足现行中华人民共和国的法规规定要求,其具体测量方法和限值见GB1495—2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》和QC/T58—93《汽车加速行使车外噪声测量方法》。
汽车加速行使车外噪声是一个整车噪声衡量标准,影响汽车加速行使车外噪声的因素主要有三个:
发动机本体噪声,进气系统噪声和排气系统噪声。
各系统在满足各自的要求的基础上尽量做到更好的噪声水平。
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之差。
D=L1-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/T631—1999《汽车排气消声器技术条件》规定为>28dB,我们要
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求在发动机各个转速下的插入损失均大于30dB。
262传递函数
排气系统传递函数是指空气介质传播所引起的声功率的差值,主要是评价消
声器的消声效果。
具体测量方法如下:
图2
排气系统由排气管,副消声器、主消声器组成,如果有三元催化器,则应该同时带上
激励体声源(能发出频率为20Hz—20000Hz的声源)放置于排气管的入口端,并用橡胶管与排气管相连。
参考麦克风放置与前端橡胶管上,并在内部接受体声源发出的声功率级
接收麦克风放置于消声器的尾部,接收经过排气系统传递后的声功率级
两个麦克风所测数值的差值即为排气系统的传递函数的值。
对于传递函数的目标值,根据整车对噪声水平的要求,其设定值也不相同,一般的,我们设定按图3:
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dBA
图3
图中红线为传递损失的限值,在每个频率下的传递函数的值均在红线下部
根据整车的噪声水平和发动机的类型不同,可对该红线位置进行调整。
排气系统尾管噪声是衡量排气系统消声效果的一个主要性能指标。
尾管噪声的测量方法见图4:
平面视图
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1、在急加速和急减速的情况下,整车载荷为70KgX2,按上述方法进行测量的尾管噪声见图5:
当发动机转速为1000-2000rpm时,噪声值为82dB(A),当发动机转速为5000rpm时,噪声值为92dB(A),当发动机转速为6000rpm时,噪声值为97dB(A)。
1000200050D06000(rpm)
图5
3、在急加速和急减速的情况下,整车载荷为70KgX2,按上述方法进行测量
的二阶尾管噪声见图6,四阶尾管噪声见图7,六阶尾管噪声见图8,八阶尾管噪声见图9。
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芦压(dB)级别11。
100
90
70
1000
2000
30004000
5000BOOO(rpnn)
发动机转数
图7
声压(dB)级别
S0
60
10002000300040005000
6000(rpnn)
图8
80
1000200D
3C004000
50006000(rprn)
00旳1d压别A级
第11页共22页
对于以上尾管噪声曲线,可以根据不同车型所要达到的噪声水平的不同
进行调整
排气系统由于受到排气流的剧烈冲击,产生强烈振动,因此隔振是降低振动噪声很重要的一方面,本部分内容将在吊钩位置的选择和橡胶吊环的选择上进行介绍。
同时,在进行排气系统设计时,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25Hz-34Hz之间,因此排气系统振
动频率不能设计在这个范围内。
3系统及零部件的设计
3.1、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、补偿器(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。
如果补偿器采用球面法兰,一般不把球面法兰布置在催化器之前。
对于满足欧u及以下排放标准的排气系统,由于欧u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。
对于满足欧川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,
ClosedCoupleCatalys)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(UnderFloorCatalyst)。
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(见图10):
主消声器
副消声器
1L
^5^?
^上汽集团奇瑞汽车有限公司
第12页共22页
各相邻部件耐温在150C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
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(见图12)来确定排气系统上的最佳吊钩位置,根据此位置来确定
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3.2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。
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:
Vm=kxP
Vm=消声器的容量(L)K=0.14p=输出功率(Ps)
根据不同车型对噪声的要求水平,K可选0.10〜0.20之间不同的值。
图13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。
图13
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和下气流密度为p(kg/m3),声速为c(m/s)。
则排气管最小流通面积Smax为:
Smax=m/900cp。
排气管最小内径为d=\4Smax/n。
3.4、消声器
消声器一般要求有大的消声量和消声频率范围,小的排气阻力(即排气背压)
和良好的耐久性(3年或者10万公里无异常)。
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
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择如图14的规则
录优方案J较好方案
可荷方案*不可行方案4
图14
342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。
阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料,部分的吸收管道中传播的声能,类似电路中的电阻的作用。
这类消声器的特性是在中、高频范围内有良好的消声效果。
抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔内发生反射或干涉,从而降低所输出的声能。
抗性消声器的消声频带较窄,在中、低频消声效果较好,高频较差。
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。
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。
典型如图15所示
第15页共22页
丄辿
图15
3.5、净化装置
具体见电控科编制排气净化设计指南
3.6、补偿器
补偿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。
我们常见的补偿器有两种形式:
波纹管和球形连接。
典型的波纹管如图16所示:
悬挂系统分为两种,一种是断耦式,另一种是半断耦式。
断耦式,就是采用柔性极高的波纹管(如采用0.25mm/层X2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。
比如我公司生产的B11轿车就是一个典型的断耦式
排气悬挂系统。
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X2或3层
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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。
比如我公司生产的A11,A15轿车就是采用这种形式的悬挂系统。
图16
362球形连接
球形连接的零件图纸见图17(球形密封垫),图18(螺栓),图19(弹簧)
L7±
0l1
DETA}LAREAA
©
MAX^16
RO.45E
1O±
0・2
20*
HSzajL
MlOxI.25-29
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图18
⑥
#1*0A
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图19
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49kPa0.5Kgf/cm2.压力下,漏气量小于0.79L/min。
2、在振动角为6,振动频率为2.5Hz,所受振动力为98098N,温度为
70010C的条件下,完成振动次数为100104次。
图20所示为汽车排气系统常用橡胶吊环。
第18页共22页
Y
X
橡胶吊环有如下作用:
1、将排气系统与车身相连
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<鉴于此,一般地,橡胶吊环采用材料为EPDM,其特性选择见表二
表二:
振动条件1W土0.05mm
1W±
O.40mm
方向
Z
静态弹性系数
8.6
1.6
2”4
1.6
2.4
弹性动态系数
见附图21、22
振动条件
1W±
0.40mm
・Y向:
6.7N/m
X向:
3.4N/m
10100
频率
505数系性弹
P方向Z方向
c方向x方向
R方向丫方向
对数(P方向)
图21
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图22
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150C。
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SUH409和SUH409L
SUH409的主要成分含量:
C%w0.08Si%<
1.00Mn%<
1.00P%<
0.040S%<
0.03
Cr:
10.50-11.45Ti:
6C%-0.75
SUH409L的主要成分含量:
C%<
0.03Si%<
10.50~11.45Ti:
SUH409的机械性能:
抗拉强度》360N/mm2
屈服强度》175N/mm2
第20页共22页
伸长率》22%
SUH409和SUH409L类似于ISO的1Ti,美国AISI的409,德国的X6CrTi12
考虑到耐腐蚀性的要求比内层低,以及重量和经济性,消声器筒体外层一
般采用镀铝板SAID-80.
四.排气消声系统的设计开发流程
步骤
责任方
交付物
交付时间
用途
设计输入
发动机数据
奇瑞
数据
底盘数据(底盘通道走向)
厂家资源需求(发动机、整车等)
厂家所需资源
技术要求(背压、噪声、可靠性)
边界条件(比如边界模型)
催化器数据(催化器对系统的背压、噪声影响)
系统预开发
系统背压分析
厂家
分析报告(Flow
master之类软件分
析)
根据设计方案,预见性的分析系统的背压值。
若无分析软件,请外委其他公司做
系统布置
三维数模
(UG/Catia/Proe)
噪声预开发
消声方案以及方
案分析报告
根据经验设计首套消声方案
消声系统开发
1a样件设计
设计方案报告
1a样件制作
手工样件2套
1a样件试验
试验报告
背压测试、噪声测试以及频谱图
确定排
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- 排气 系统 设计 指南