客車排氣系統布置

劉一鳴，尚志誠

（重慶車輛檢測研究院有限公司，國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

引言

客車排氣系統是客車底盤一個重要的組成部分。它的主要作用是將發動機工作時產生的廢氣引導排出，并且降低排氣時所產生的噪聲，減少環境污染和產生輔助制動。它直接關系到汽車的動力性、舒適性和安全性能。本文對客車排氣系統布置作一簡要的探討。

1 排氣系統的設計計算

如圖1所示，排氣系統主要是由發動機排氣歧管、消聲器進氣管、消聲器、消聲器排氣尾管、排氣管路懸置和排氣輔助制動閥等組成。

圖1 排氣系統布置結構

1.1 排氣系統的熱量分布簡要計算

以YC6J220-30為列：

額定功率162Kw/2500r/min，排氣溫度≤600℃，排量6.5升。

在額定工況時，輸出功率P1＝162Kw，根據增壓柴油機的特性約燃燒能量的 40%轉化為有效功輸出，29.1%由廢氣排出，折合廢氣排出功率約為：

（注： 40%和29.1%取自內燃機設計,可能與實際稍有出入[。）

尾氣從排氣歧管流到到排氣尾管排出，由于管路散熱和消聲器的熱消耗，溫度從600℃降低到200～300℃左右，根據氣體狀態方程PV=nRT，從T1＝600+273K到T2＝250+273K這一部分能量損失當量：

相對應的功率消耗為ΔP＝117.2×40%＝46.88 Kw。這些熱量都是通過排氣系統外圍的流動空氣散發掉。在車輛工作在高溫環境下，散熱模型簡化為面積2m2的鋼板400℃上流過 20m/s的 40℃的空氣流（空氣流速按車速折算，該處取20m/s作為參考）；

根據對流換熱原理，Cf＝0.074/(2.3×106)-1/5＝0.000395

（平流與紊流的判定由于受長度影響很大，可以直接定為紊流，計算過程省略，參數Re = 2.3×106是根據空氣性參數及已知數據計算得出，計算推導過程較復雜，該處結果源于軟件計算得出。）

其中，Cf-紊流局部摩擦系數，Re-雷諾數，Pr-普朗特數，h-表面傳熱系數，λ-導熱系數，Nu-努塞爾數，A-表面積。

另外還有P1=46.88-35.7=11.12 Kw的散熱量由熱輻射給空氣流以及周圍部件了。

實際情況中，因受到排氣管的長度影響，排氣管與消聲器散熱量各有不同。在采取隔熱板時，隔熱效率90%以上，基本上是可以忽略熱效應對排氣系統周圍部件的影響的。然而在排氣系統增加隔熱板的地方并不多（采取雙層設計的排氣管相當于增加隔熱板的情況），在沒有隔熱板的地方，因空氣熱阻在距離50mm處最大，在這個范圍外都是安全的。

1.2 排氣管路設計

排氣管的主要作用是將發動機工作過程中所產生的廢氣排出。由于汽車排放法規的升級，蝸輪增壓器使用條件更苛刻，排氣管不能因為自身的重量及所產生的慣性、彎矩和相對運動或者因其受熱膨脹產生形變而影響和蝸輪增壓器的正常工作，以致因為過載產生附加應力，造成增壓器的損壞。

設計中，在排氣管路中通常采用熱補償裝置。如圖2所示，常用的熱補償裝置一般有兩種形式：第一種是采用彈性的波紋管；另一種是撓性聯鎖式接管。這兩種方式各有所長。彈性波紋管的密封性能比較好，但是它的熱償性能較差，使用壽命不如撓性聯鎖式接管，同時它的價格也比較貴。相比之下，撓性聯鎖式接管的熱補償性能和使用壽命都好于彈性波紋管，但它的密封性能稍差。設計時，要根據具體的要求來選擇。

圖2 排氣系統熱補償裝置

在很多前置車的設計中，發動機排氣歧管在車輛右側時，通常排氣管路相當長，又不允許右側排氣，管路需要從右側過渡到左邊排氣，這種情況下應當考慮熱膨脹對系統的影響：

從排氣歧管到排氣尾管在縱向長度上的膨脹量：

（碳鋼線膨脹系數 k=1.2×10-6，不銹鋼線膨脹系數k=1.5×10-6）。

前置車后排氣的情況居多，排氣管長度通常是很長的，這產生的熱膨脹量很客觀。在設計排氣管路懸置時，應該給予充足的裕量；否則因鋼材的彈性模量產生的應力可能會產生破壞。

σ＝E×ε，在管長 1米壓縮 4.2mm 時產生的應力為 σ＝2×106×0.0042＝8.4×103N/mm2，遠大于鋼材的極限應力。實際情況下，因管路卡箍以及軟墊可以吸收部分應變，在管路太長時，懸置點安裝要采用長圓孔設計，否則破壞不可避免，具體情況由布置點的不同而不同。

1.3 排氣消聲器的設計

基于舒適和環保性的要求，車輛噪聲控制至關重要，因此，排氣系統設計中要加強排氣系統的消聲能力。排氣消聲器是一種集氣流通過，與消除或減小排氣噪聲于一體的有效裝置。實現控制汽車噪聲的目的。

排氣系統設計中選取的消聲器性能對比如表1所示：

表1 消聲器性能對比

消聲器的型號和規格需根據所匹配的發動機來確定。所要匹配的發動機參數表中一般給出了發動機適用的排氣管直徑，這個直徑數據通常可以作為選擇消聲器的口徑參數。

消聲器的材質應該具備有較強的防腐蝕性能。因此在設計的過程中，應該優先考慮中碳鋼和不銹鋼材料，同時還要看消聲器所需要的空間大小，以及允許的背壓數值，還有有效性、經濟性、美觀性、環保性和使用壽命等各方面的因素。

1.4 排氣管道的懸置安裝

排氣管道的懸置包括排氣管的懸置安裝和消聲器的懸置安裝兩部分。其主要作用是支承排氣系統的重量，并且能有效地把其重量合理地傳遞到車架上。這部分的設計要點是以下三個方面：

（1）消聲器的懸置安裝必須保證能承受車輛和發動機工作時所產生的振動負荷和高溫高熱負荷而不致于變形損壞。支撐夾箍的安裝位置必須保證其在工作時受熱膨脹方向有一定的補償空間，以避免因其工作時受熱膨脹而損壞，需要采用長圓孔設計。

（2）在懸置支承的設計上，要保證支架有足夠的強度和剛度，以支承排氣管和消聲器的重量，以及承受客車在運動過程中所產生的振動。

（3）要考慮到支承的減振性，通過支承處的吸振，減少傳遞到排氣管和消聲器上的振動，并且在排氣管的熱變形方面有一定的自由度。

1.5 隔熱板設計

橢圓型消聲器因面積較大，應設計有隔熱板結構；排氣管路中，在與油路、電路、塑料件距離小于50mm時，也應該設計隔熱板，雙層排氣管是最佳的，不過成本過高，應用較少。

部分隔熱板直接焊接于排氣管上，這種情況下應當注意，在管路走向方向焊接應采用單邊焊接，雙邊焊接由于熱應力會破壞排氣管產生不良后果。

另外在排氣管與燃油箱距離小于 300mm時，隔熱板的設計必須有效，加油口和通氣孔不能對著排氣口的方向，以避免引發起火危險。

1.6 排氣尾管的設計

客車排氣尾管的設計必須合理，必須保證客車排出的尾氣不至于吹到客車車身上，也不能使排出的廢氣被吸進空氣濾清器，影響發動機的工況。排氣尾管設計的合量性和美觀性將影響客車整體的設計質量和外觀性。在設計排氣尾管的時候，為了有效地控制排出廢氣的排出方向，可以將尾管排氣口設計成“鴨嘴”形或者是朝下45°開斜口。

2 其它注意事項

客車排氣系統的設計除以上幾個方面外，還要特別注意以下幾點：

（1）排氣管與發動機排氣歧管之間、排氣管前后段與排氣消聲器之間如果采用法蘭盤聯接，那么法蘭盤的接合面應平整、密封、無翹起與錯位等現象。法蘭聯接面必須設有耐熱彈性墊。

（2）排氣管排氣口不得指向車身的右側。

（3）排氣系統的布置要盡量與汽車線束相隔離，以免排氣管在工作時產生的高溫灼傷線束，造成客車電路故障。

（4）排氣管應與客車側圍之間有一定的間距，以避免排氣管高溫灼傷客車油漆，影響客車的外觀質量。

（5）客車設計的時候，一般應考慮將排氣管與燃油箱布置在客車的不同側。當排氣管與燃油箱布置在同一側時，排氣管與燃油箱之間的間距不得小于 300 mm，當它們之間的間距過小的時候，在排氣管與燃油箱之間要設置有效的隔熱板；同時，燃油箱的加油口和通氣口不允許對著排氣管的開口方向，且應距客車排氣管的出氣口端在300 mm以上，否則也應該加設有效的隔熱裝置，以防排氣系統在工作時產生的高溫灼熱燃油，引起危險。

3 結論

本文通過對排氣系統熱量分布的簡單計算，初步明解了排氣系統的熱量分布情況，確定熱安全區域，隔熱板的取舍方法；通過簡要計算熱膨脹對排氣系統的影響，提出了排氣系統懸置點設計的要素，分析了消聲器在排氣系統中合適位置的選擇以及其他排氣系統設計中應當注意的特殊情況。

參考文獻

[1] 汽車工程設計手冊編輯委員會編.汽車工程設計手冊:設計篇.北京:人民交通出版社,2001.

[2] 柴油機設計手冊編輯委員會編.柴油機設計手冊.北京:中國農業機械出版社,1984.

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[4] 林輝江.內燃機排氣消聲器主要參數的選擇.內燃機.2001(4).