汽车排气系统的结构优化

摘 要：对主消声器和二级三元催化器进行针对性的结构优化，并详细分析优化前后的流场特性。优化后的排气背压平均下降了约25%，最大排气背压由原来的74.8KPa下降到53.2KPa。优化后的发动机额定工况点功率最大提升约15%，燃油消耗率最大降幅约16%。

关键词：排气系统;计算流体力学;流场特性;排气背压;结构优化

1 汽车排气系统组成及特點

汽车排气系统主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆。汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车在使用过程中由于供油系统、点火系统等故障，发动机过热、回火，造成三元催化转化器载体烧结、剥落，排气阻力增大;由于燃油或润滑油使用原因，造成催化器中毒、活性下降，催化转化效率受到影响，三元催化器内产生硫、磷络合物和沉积物，进而使汽车性能恶化，造成动力性能下降、燃油消耗增加、排放恶化等。汽车排气系统汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源。由于汽车噪声源中没有一个是完全密封的（有的仅是部分的被密封起来），因此汽车整车所辐射的噪声就决定于各声源的声级、特性和它们的相互作用。汽车噪声源大致可分为发动机噪声和底盘噪声，主要与发动机转速、汽车车速有关。发动机噪声是汽车的主要噪声源。发动机噪声又可分为空气动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声。空气动力性噪声主要包括进、排气和风扇噪声。这是由于进气、排气和风扇旋转时引起了空气的振动而产生的噪声，这部分噪声直接向周围的空气中辐射。在没有进排气消声器时，排气噪声是发动机的最大噪声源，进气噪声次之。风扇噪声特别在风冷内燃机上也往往是主要的噪声源之一。燃烧噪声和机械噪声很难严格区分。

2 对二级三元催化器的结构优化

优化前的二级三元催化器内部的流场特性，气体的速度矢量分布及内部气压分布。由此可知，气体从横截面积较小的排气管流入横截面积较大的二级三元催化器，因气流存在惯性而使得气流不可能随着管道的形状突然扩大，这就造成了在流束和管壁拐角处形成了局部漩涡。另外，由于管道形状突然改变，气流速度重新分布，引起气体微团的前后碰撞，增加压力的损失。

对二级三元催化器的进口扩张管进行优化，减小扩张管的张角。优化后二级三元催化器内部的流场特性。根据以上可见，优化后气体的流束更加集中，已无明显的漩涡现象;内部气压分布更加均匀，且产生的排气背压由原来的11.9MPa下降为6.7MPa。

3 对主消声器的结构优化

优化前主消声器内部的流场特性，由气体速度矢量分布可知，在进气内插管末端和出气内插管端口处有局部漩涡，造成了气流能量的损失。在出气内插管端口处，气体流速突然变大，形成了射流;在隔板上消声孔处产生了气流的喷注，造成了能量损失并产生了噪声。由右侧的内部气压分布可知，在出气内插管的端口处由于气流截面积的突然收缩，在贴近管壁处形成了两个低压区。

4 排气背压的优化

转速5000r/min时排气系统的排气背压，虽然背压贡献量还是集中在三元催化器和消声器上，但与优化前相比总的排气背压已由原来的74.8MPa下降为53.2MPa。优化前后各工况下的总排气背压的对比可知，在各工况下优化后的总排气背压都小于优化前，且随着转速的增加其差值也呈现出增大的趋势。优化后总排气背压的平均降幅约为25%，可谓优化效果显著。

5 优化后对发动机性能的影响

优化前后的发动机在不同工况下的功率对比，当发动机的转速在1000～3300r/min范围内时，优化前后发动机的功率几乎没有差异;当发动机的转速在3300～5700r/min范围内时，优化后发动机的功率要大于优化前，且随着转速的增大而呈现出增大的趋势，发动机的功率最大提升约15%。

优化前后的发动机在不同工况下的燃油消耗率对比，当发动机的转速在2000～4000 r/min范围内时，优化后的发动机燃油消耗率有明显的改善，较优化前的最大降幅约16%。

6 结语

对主消声器的结构进行了优化：缩短了进气内插管和出气内插管的长度，将出气内插管的入口改为喇叭状，适当增大隔板上消声孔的开孔面积;对二级三元催化器的结构进行了优化：减小扩张管的张角。优化后排气背压平均下降了25%，最大排气背压由原来的74.8MPa下降到53.2MPa;发动机的动率提升约15%，燃油消耗率最大降幅为16%。

参考文献：

[1]Ingenuin，G&M.Rybicki.Modelling and simulation of gas dynamics in an exhaust pipe[J].Applied Mathematical Modelling，2017，37（05）：2747-2746.

[2]B.Albriet，K.N.Sartelet&S.Lacour&B.Carissimo，et al. modelling aerosol number distributions from a vehicle exhaust with an aerosol CFD model[J].Atmospheric Environment， 2017，44（08）：1126-1137.

[3]石岩，舒歌群，毕凤荣.基于计算流体动力学的内燃机排气消声器声学特性仿真[J].振动工程学报，2018，24（02）：205-209.

[4]张智辉，陈军，王树宗等.消声器内部流场的数值模拟[J].振动与冲击，2016，25（06）：21-24.

[5]李以农，路明，郑蕾等.汽车排气消声器内部流场及温度场的数值计算[J].重庆大学学报，2018，31（10）：1094-1097.

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