发动机排气系统与后处理装置071228

处理装置、消声器的设计至关重要。 排气后处理装置是采用催化转化器或微粒捕集器来控制排气中的有害物质的排放。 排气总管是发动机排气歧管和消声器之间的连接管，消声器的功能是降低排气噪 声。 消声器的结构是由膨胀室和吸音材料组成，高压排气在狭窄的排气总管高速通过， 进入消声器的膨胀室减压，同时利用吸音材料降低排气噪声。吸音材料使用过多虽能降 低排气噪声，但同时也增加了排气阻力。双模式消声器可较好的解决这个问题（三菱 GTO汽车）。双模式消声器利用切换装置在低速时（此时排气阻力不大）让废气通过2个 消声器，在高速时让废气通过1个消声器，进而降低排气的压力损失。。
2.1 氧化催化转化器 DOC —— 用于降低SOF、HC和CO排放
采用DOC的目的主要是降低微粒排放。尽管因柴油机排气温度低，使得微 粒中的碳烟难以氧化，但氧化催化剂可以转化可溶性有机组分(S OF)中的大部分 碳氢化合物，从而得到微粒排放降低的效果。同时，也可使本来已不成问题的 HC和CO排放进一步降低。氧化催化剂通常是以陶瓷蜂窝体或金属蜂窝体为载 体、其上涂覆氧化物涂层和活性金属成分而构成。常用的活性金属组分有贵金属 铂Pt、钯Pd等。 氧化催化剂的基本要求：在一个宽的温度范围内起作用(即宽的温度窗口)； 具有高选择性能，有效氧化SOF、 CO 、未燃的HC ，但不氧化S02，后者将给 排气增加硫化物颗粒。 氧化催化剂的效果取决于催化剂的配方，即涂层组成。
1 排气系统的构成
1.1 发动机排气系统 1.1.1 发动机排气系统构成
由排气歧管、排气弯管和密封垫片等组成。其中排气歧管的设计至关重要。废气从 气缸盖排气道排出，流经各缸的排气歧管进入排气弯管后端。 增压器装在排气歧管上。 涡轮增压器利用排出的废气能量对进气进行增压，以提高 增压器装在排气 空气充量的密度，从而可以增加喷油泵的供油量，提高了发动机的功率和扭矩。
发动机排气系统与后处理装置
陈 劼
2007-12-28
目
1 排气系统的构成 1.1 发动机排气系统 1.2 整车排气系统
录
2 柴油机排气后处理装置 2.1 氧化催化转化器 DOC 2.2 微粒捕集器 DPF 2.3 尿素选用性NOx催化还原 SCR 3 汽油机排气后处理装置 4 排气系统压力损失与排气背压 4.1 排气系统背压的测量 4.2 排气系统主要零件及总成的压力损失 4.3 排气系统的背压要求
金属蜂窝体
金属蜂窝体
陶瓷蜂窝体
LowerPressureDrop 背压损失小 Larger Inner Surface 内表面积大 SmallerVolumeat Same Efficiency 相同转化率下体积小 BetterLight Off 起燃性能好 HigherEmergency Temperature 耐高温 Temperatures
4 min Cold stage motoring
Cycle start
Time
Cycle end
1.1. 3 发动机排气管的材料
排气歧管、排气弯管需要耐高温，排气歧管、排气弯管的材料一般采用耐高热、温度 梯度差较小的合金 铸铁材料，主要是合金球墨铸铁和合金蠕墨铸铁。不锈钢排气管因其通 道表面光滑、重量轻，有利于排气顺畅通过，一般高性能的轿车发动机多半采用不锈钢排 气管，但不锈钢排气管加工工艺难度大。 • 化学成份（%）Chemical Composition（%） 机械性能Mechanical Performance
Maximum power
Cycle start
Engi ne spee d
Time Maximum power பைடு நூலகம்ngine speed
Cycle end
Motored engine speed, engine on idle fuelling
200 Hours 1200 Cycles Durability temperatures 100°C coolant / 125°C oil 2 worst cases: low torque for fixings loosening / high torque for manifold stresses 6 min Hot absorbing stage
≥550 ≥370 500N/mm2
≥5% ≥10 5%
• 适用产品
名称 GGV SiMo4.5蠕墨铸铁 GGG SiMo51球墨铸铁 GGG NiSiGr35.3.2高镍 粤氏体球墨铸铁 高镍铸铁 简称 目前适用于的产品 一汽大众、捷达2V、天津夏利、上海大众026、 江淮6532GC IVECO、大柴52D、30D、70D、D003 帕萨特2.0T、1.8T，金杯1.8T
陶瓷蜂窝载体或金属蜂窝载体比较
整体式载体有陶瓷载体和金属载体之分，陶瓷载体通常用堇青石（5SiO2/2Al2O3/2MgO）制 成，具有在高温下强度高，热变形小，孔密度高、壁薄，排气压力损失小，反应区域大、成本低等 优点。但此类载体导热性不佳，升温较慢，影响了催化剂的转化性能。另外，陶瓷材料的机械强度 低，抗冲击破坏能力低。金属载体克服了陶瓷载体的不足，而且比陶瓷载体壁薄，几何表面积和孔 密度大，提高了催化转化器的转化效率，减小了背压损失。导热性能比陶瓷好的多，且热容量小， 可以缩短预热时间。不足之处是催化剂的载持能力差，高温时催化剂易脱落，载体会产生变形。
1.1. 2 排气歧管结构设计
为使各缸的排气互不干涉，不出现排气回流，应尽可能地利用排气惯性 提高排气效率。排气歧管设计时，在布置空间充分的理想情况下，应遵循以 下几项原则： • • • • • 每缸排气歧管尽可能长（各缸排气压力稳定） 每缸排气歧管尽可能独立（独立的排气歧管可排除各缸排气相互干涉） 各缸排气歧管尽可能等长（各缸排气压力均匀） 排气歧管的通道表面光滑（较低的排气阻力，防止排气紊流） 排气歧管末端设计，四缸汽油机一般将1和4缸、 2和3缸排气歧管在末端汇 合成双排口的设计，以进一步提高排气效率，同时功率也略有提高。而四缸 柴油机一般将1、4、 2、3缸排气歧管在末端汇合成单排口的设计。 设计人员中流行一种说法：“ 螃蟹脚状的排气歧管最好 ”。排气管因为需 要耐高温（汽油机900℃；柴油机800℃ ），其失效模式是热变形和热应力 裂纹，需要CAE分析及专门的排气管热冲击试验。
1.2.2 排气系统的结构设计
排气系统的消声器等主要部件，主要起到降噪作用，它既要满足车辆噪声的要 求，又要满足排气阻力的要求，还要满足消耗功率尽可能少的要求。 • 消声器的容积应根据发动机最大排气流量来确定。 • 由于发动机与排气管之间有相对位移，消声器与排气管件要用浮动式支架固定，即消声 器通过橡胶软垫固定到车架上，以减少车架与发动机之间的相对位移造成对增压器排气口 的附加弯矩。增压器排气出口法兰端安装面最大静弯矩应小于15N·m。 • 排气管路的安装应保证不会因其自重、热膨胀及相关的各种运动而使排气岐管或增压器 承受附加应力。排气管路与发动机排气口之间的连接，应用柔性的金属波纹管连接，以消 除或减少增压器出口处所承受的附加应力，并使发动机的振动与车架的变形互相隔离，有 利于发动机的隔振和提高可靠性。 • 排气弯管，应有可靠的支撑与发动机相连，以避免排气管路对增压器产生附加应力。 • 排出的高温气体，甚至火焰容易引起火灾。各管件的连接必须密封牢靠，紧固件要有可 靠的防松措施，防止管件和接口泄漏，防止因振动而引起接口松脱，消声器前排气管与发 动机的连接，宜用双螺母防松，禁止用弹簧垫片。 • 排气管路应尽可能直，总布置需要管路弯曲时，弯道的曲率半径也应尽可能大。 • 要有隔热措施 。
1.2.4 颗粒物排放物与催化转化器
柴油机的颗粒物排放物由碳烟（Soot，直径10～80μm）、可溶有机物（SOF）、和 硫化物SOX组成。碳烟是在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而成以碳为主 的固态小颗粒，直径在10～50um范围，在其周围分布有复杂的有机物或金属物质，占整个 颗粒物排放物的50%~80%。可溶有机物主要来自未燃的燃油和机油。机油对可溶有机物生 成的影响比例高达60%~70%。硫化物主要来自燃料中的硫份。柴油中含硫的98%燃烧生成 SO2，经催化器氧化后变为S03，然后与排气中的水分化合生成硫酸盐，后者将给排气增加 0.04～0.05g/kWh的硫化物颗粒。而且硫酸盐颗粒在催化剂表面覆盖后会缩短催化器的有效 使用寿命。同时，硫也是催化剂中毒劣化的原因之一。
评价排气歧管的试验方法
•
排气管热冲击试验
FORD 排气管热冲击试验规范
Manif old surfa ce temp eratu re Upper limit Target surface temperature Lower limit Load [%]: to keep surface temperature at target, +/- 10°C Fans ON 6 min Hot absorbing stage 4 min Cold stage motoring
• 性能对比
抗拉强度 延伸率 铸造性能 高温疲劳强度 抗氧化性能和导热性能，耐热性 能、耐腐蚀性能 硅钼球铁>蠕铁>高镍铸铁 高镍铸铁>硅钼球铁>蠕铁 蠕铁> 硅钼球铁>高镍铸铁 高镍铸铁>蠕铁>硅钼球铁 高镍铸铁>蠕铁>硅钼球铁
1.2 整车排气系统
1.2.1 整车排气系统的构成
由排气后处理装置、整车排气总管、消声器、密封垫片等组成。其中排气后
牌号Brand C Si Mn S P Mo 硬度Hardness 抗拉强度 Tensile strength ≥300N/mm2 延伸率 Elong ation ≥3~8%
HB195~245 GGV SiMo4.5 GGG SiMo51 GGG NiSiGr35.3.2 硅钼合金IronSilicon Molybdenum Alloyed 3.0~3.6 3.2~3.8 2.0~2.4 3.0～3.8 3.9~4.3 4.0~5.0 2.5~3.0 3.5～5.0 ≤0.3 ≤0.0 7 0.08 0.7 ≤0.02 ≤0.02 ≤0.01 0.02 ≤0.07 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.04 0.4~0.7 0.75~ 1.20 Ni=3.4~3.6 Gr=1.5~2.5 HB200~250 HB130~170 HB192～262