后處理系統排氣管路保溫性能應用研究

張金全　焦延　梅行勇

摘 要：通過對重型柴油商用車排氣系統散熱原理介紹，結合金屬、非金屬材料及空氣散熱系數的對比，對新型的雙層保溫排氣管從結構上和工藝上進行了分析，并對保溫性能進行了CFD仿真分析，為整車應用做好技術儲備并達到提高后處理系統保溫性能的目的。關鍵詞：散熱原理;雙層保溫排氣管;保溫性能中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）08-111-03

Abstract： Through the heavy duty diesel commercial vehicles exhaust system cooling principle is introduced，?combined with metal，?non-metallic materials and air contrast coefficient of heat transfer，?the new type of double insulation pipe are analyzed from the structure and process， the CFD simulation is carried out and the heat preservation performance analysis，?for the vehicle application technical reserces and reach the purpose of improving heat preservation performance exhaust system.Keywords： The cooling principle; Double insulated exhaust pipe; Heat preservation performanceCLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）08-111-03

1 概述

隨著我國重型柴油商用車排放水平的逐步升級，目前已實施的國六排放標準作為全世界最嚴苛的排放法規，對柴油機尾氣排放后處理系統的保溫性能要求越來越高，對后處理系統管路沿程的溫度損失要求越來越低，進一步降低發動機增壓器出氣口到尾氣后處理器進氣口的溫度損失，以提升后處理器內部的反應溫度，成為當前時期研究是重要課題之一。

2 重型商用車排氣系統保溫原因分析

第一，隨著排放法規升級，對NOX污染物限值的進一步加嚴，對于采用選擇性催化還原（SCR）技術路線的后處理系統來講，必然要求SCR反應效率的提升，SCR系統內部的還原反應是在一定的溫度及催化劑條件下進行，內部溫度越適宜，反應越充分，尾氣處理效率越高，污染物排放值越低;

第二，后處理系統內部DPF再生的要求，內部溫度越高，其被動再生效率越高，越不容易積累碳煙，主動再生周期越長，對車輛燃油消耗量越低，其經濟性更好;

第三，隨著后處理系統內部溫度的提高，對車輛周邊件的影響越來越嚴重，有數據顯示，后處理器內部溫度最高可達到900℃以上，這對車輛后處理系統周邊件是極其嚴峻的考驗，所以對后處理系統的隔熱保溫性能提出了更高的要求。

綜合以上原因分析，為了滿足更加嚴苛的排放標準，最大限度降低車輛污染物排放量，降低后處理系統熱量損失，提高后處理系統保溫性能是一項勢在必行的工作。

3 重型柴油商用車排氣系統散熱原理[1]

分析重型商用柴油車排氣系統熱量傳遞和散失原理，對于設計新結構排氣系統，提高排氣系統保溫能力，最大限度發揮后處理器性能，有著至關重要的作用。

排氣系統內部高溫氣流熱量傳遞過程是能量轉移的過程，就是物體所具有的熱能從高到低的轉移過程，而熱傳遞的主要方式有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。以下是對三種熱傳遞方式的介紹：

（1）熱傳導

熱傳導的指物體各部分沒有相對的移動時，僅僅由其內部的微觀粒子的相

互運動來傳遞熱量，利用傅里葉定律能夠對熱傳導過程進行描述，其規律如下：

式中q表示熱流密度，λ單位為W/m2;表示導熱系數，單位為W/（m·K）;“-”號表示熱量流向溫度降低的方向。

（2）熱對流

流體各部分之間因為自身的流動引起的相對位移，冷、熱流體之間熱量的

傳遞的過程稱為熱對流。通常情況下，熱對流可以分為自然對流和強制對流兩種。利用牛頓冷卻公式可以計算對流換熱的換熱量，計算公式如下：

式中h表示對流換熱系數;?T表示壁面和流體的溫度差。其中，流體的物理性質、對流換熱表面的形狀、面積的大小，流體的速度等在對流換熱過程中都會對對流換熱系數產生較大的影響。

（3）熱輻射

任何物體都會對外輻射電磁波，電磁波被物體吸收并轉化為熱能的過程稱

為熱輻射，熱輻射與物體的溫度有很大關系，溫度越高，平均輻射的熱能也就越高。與熱傳導和熱對流不同，熱輻射在其傳熱過程中不需要任何中間介質，所以在真空環境下熱輻射的效率最高。可以用斯忒藩-玻爾茲曼公式來描述熱輻射的每個物體之間的凈熱量傳遞，計算公式如下：

式中，ε表示輻射率（黑度）;σ表示斯忒藩-玻爾茲曼常數;A1表示輻射面1的面積;F12表示輻射面1到輻射面2的形狀系數;T1表示輻射面1的絕對溫度，T2表示輻射面2的絕對溫度。

在尾氣排出過程中，三種熱量傳遞方式都會出現，普通單層排氣管散熱方式主要為熱對流和熱傳導，熱對流是發生在排氣流與排氣管內壁之間的熱量傳導;熱傳導發生在排氣管管體內外壁之間，由于金屬是最好的導熱體，碳鋼排氣管導熱系數46.4W/（m·K），因此通過導熱途徑散失的熱量很大;金屬管的導熱系數大，散熱的速度較快，如果采用導熱系數小的材料，對排氣管的保溫性能會有改善，但導熱系數小的材料在力學性能及可靠性上遠不如金屬材料。因此，對于高排放標準的排氣系統，通常采用內層金屬管加外層包裹導熱系數較小的非金屬材料包裹層來滿足排氣系統對性能和可靠性方面的要求。

4 重型柴油商用車排氣管非金屬包裹材料

目前，國內各主機廠重型商用車上國Ⅴ、京Ⅴ階段排放標準常用的保溫排氣管主要以非金屬保溫材料為保溫層、采用金屬外層包裹，其中常用保溫材料主要有陶瓷纖維、納米纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，外部金屬包裹層固定方法主要有鉚釘鉚接、鋼帶纏繞等方式。

非金屬包裹材料雖具有一定的保溫效果，也可大幅度降低排氣管表面溫度，但存在排氣管管徑增加影響整車布置、保溫效果不佳、生產制造效率低、美觀性差、加工成本高及對人體有害等問題。非金屬保溫材料雖具有一定的局限性，但是綜合考慮成本及使用性能，仍為目前市場的主流選擇，常見的非金屬保溫材料如下圖1-圖4所示：

5 重型柴油商用車雙層保溫排氣管

5.1 雙層保溫排氣管結構

一般而言，金屬、非金屬、空氣的導熱系數依次降低，如果采用空氣層隔絕車輛尾氣與外部環境的接觸，對排氣管的保溫性能會有很大的提升，因此就產生了雙層金屬保溫排氣管。該種排氣管采用內高壓液壓模具一次成型，分內外兩層，內層為厚度約1mm的304不銹鋼，外層為厚度約0.8mm的304不銹鋼，內外層中間為3mm-5mm的空氣層，排氣管兩端采用不銹鋼接管與管體進行焊接，結構如圖5，具有以下特點：

（1）外形美觀，管體無焊縫;

（2）結構緊湊，排氣管徑較小;

（3）模具高壓一次成型，生產制造誤差小，生產效率高，可靠性好;

（4）保溫性能良好，提高DPF被動再生效率及NOX轉化效率;

（5）延長DPF主動再生周期，降低油耗，提高車輛運營效率，降低用戶運營成本。

5.2 雙層保溫排氣管工藝

工藝方面，一次沖壓成型工藝，避免了焊接處因周期性振動而產生的疲勞開裂問題，排氣管設計過程中不再受固定折彎半徑的限制，折彎過程中排氣管折彎內外處材料全部參與變徑，能大大降低排氣管折彎處某一點的應力集中，管體局部減薄率更小（≤20%）;同時閉環一次成型，能更好的適應整車布置要求;制造精度高，抗彎模量大，不易變形，能有效降低對撓性軟管撓度的依賴，降低對相鄰部件的影響程度，進一步減小制造誤差，對降低撓性軟管故障率，提高周邊件壽命有一定貢獻[2]。

內外層不銹鋼管，外層管表面設計加強筋，與內層管外表面形成沿管軸線的密閉環形或其它異形空間，在利用支架約束的位置采用抱箍式設計，支架與管體接觸部位，雙層管緊密貼合以保證強度，管外層形成凹筋以提高總成強度;同時，相比傳統排氣管可降低20%-40%的重量，大幅降低整車自重，有利于進一步提升整車經濟性和動力性。

性能方面，改善流場降噪，變截面和曲面結構適應流場需求，完全避免了排氣管管體存在焊縫的可能，優化了流場特性，同時雙層中空結構可降低氣流對排氣管沖擊產生的噪音。

5.3 保溫性能仿真分析

根據某重型商用車搭載大馬力發動機車型排氣管的管徑及結構等參數，分別計算分析了同一款車型匹配兩種不同結構排氣管的的保溫效果，計算參數如上表1。

排氣管三維模型結構如下圖6、7所示，CFD分析溫度采集面如下圖8所示：

溫度計算結果如下表2、表3：

通過仿真分析，在-7℃條件下雙層保溫排氣管相比包裹排氣管溫降減小8.1%;在38℃條件下雙層保溫排氣管相比包裹排氣管溫降減小12.3%，由此可知，環境溫度越高，雙層保溫排氣管保溫性能越好，從而能夠有效提高后處理器內部化學反應溫度，進而達到充分反應的目的。

6 結論

本文從排氣系統熱傳遞原理切入，逐步分析了排氣氣流在排氣管中熱量散失的原理，散熱方式，并從導熱性能方面定性的分析了金屬、非金屬材料及空氣導熱系數的差異，進而提出了雙層中空保溫排氣管的結構原理、成型工藝及其保溫性能，通過分析可知，雙層保溫排氣管相對傳統普通排氣管溫降平均減小10%左右，這大大提升了后處理器內部反應溫度，有效降低了排放風險，為排放達標提供了更有利的條件。下一步工作將繼續圍繞雙層保溫排氣管的保溫性能試驗、技術推廣、整車應用開展研究，為該技術批量應用做好技術儲備。

參考文獻

[1] 呂秀斌.車用渦輪增壓器表面溫度場分析與防爆改造[D].太原：太原理工大學，2013.

[2] 崔立迪.SCR系統關鍵制造技術研究及結構件的優化[D].濟南：濟南大學，2016.