重卡排氣管路保溫性能研究

曹泰峰，萬方軍

(大運汽車股份有限公司，山西 運城 044000)

隨著中國經濟的快速發展，重卡銷量不斷增加，2019年銷量突破117萬輛，約占世界重卡銷量的50%。另一方面，汽車排放法規不斷升級，主要體現在對汽車尾氣中CO、NOx等有害物質含量的要求越來越嚴格。

重卡發動機尾氣主要通過后處理器進行凈化。一般尾氣處理通過化學反應來實現，而化學反應需在一定溫度下才能進行。排氣管路主要負責將尾氣由發動機渦輪增壓器輸送至后處理器，進入后處理器的尾氣溫度主要受排氣管保溫性能的影響。為保持后處理器所需進氣溫度，需對排氣管路增加保溫結構。目前，排氣管路的保溫方式主要是在排氣管外壁包裹保溫材料，以減少管路溫度流失。但市場上保溫材料種類繁多，性能與價格參差不齊，包裹方式也多種多樣。因此，研究排氣管路的保溫材料與包裹方式成為整車開發及設計優化的重要內容之一。該文從保溫材料、保溫包裹工藝、CAE仿真分析及實車試驗等方面研究排氣管路保溫結構設計。

1 排氣管保溫設計要求

為滿足整車排放要求，對渦輪增壓器出口至后處理進口的排氣管路溫降提出如下要求：國五車型排氣管路溫降小于30 ℃；國六車型排氣管路溫降小于20 ℃。為保障排氣溫度能滿足溫降要求，排氣系統管路保溫設計應遵循以下原則：

(1)排氣管最短原則。后處理器盡量靠近渦輪增壓器布置，確保排氣管路總長度盡量短，減少管路溫度流失。

(2)保溫包裹。在排氣管外表面包裹保溫材料，盡量減少排氣管路與外界的熱交換造成溫度損失。

2 排氣管保溫設計

排氣管保溫設計作為重卡設計的一個全新項目，應從保溫材料選擇、保溫結構設計等方面進行研究。排氣管的保溫性能與所選保溫材料的性能有很大關系，而保溫材料的保溫性能主要取決于材料密度、比熱容和導熱率等。

2.1 常用保溫材料

常用保溫材料包括高硅氧玻璃纖維、玄武巖纖維、普通玻璃纖維和陶瓷纖維等。

2.1.1 高硅氧玻璃纖維針刺氈

高硅氧玻璃纖維是一種耐熱、柔軟的特種晶體纖維織物(見圖1)，其SiO2含量達96%以上，具有優秀的耐熱特性，能長期在850 ℃環境下使用，瞬間耐熱溫度可達1 400 ℃。其熱導率為0.42～0.54 W/(m·K)。

圖1 高硅氧玻璃纖維針刺氈

2.1.2 玄武巖纖維針刺氈

玄武巖纖維是玄武巖石料在高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維(見圖2)，它具有優秀的耐熱特性，能長期在760 ℃環境下使用，瞬間耐熱溫度可達1 000 ℃。其導熱系數為0.04 W/(m·K)。

圖2 玄武巖纖維針刺氈

2.1.3 玻璃纖維針刺氈

玻璃纖維針刺氈是以玻璃纖維為原料，用刺針對梳理后的短切玻璃氈進行針刺，用機械方法使氈層之間限位臂糾纏，氈網得以牢固的保溫隔熱材料(見圖3)。其耐溫性在640 ℃左右，導熱系數為0.45～0.54 W/(m·K)。

圖3 玻璃纖維針刺氈

2.1.4 陶瓷纖維毯

陶瓷纖維毯又稱硅酸鋁纖維毯，因其主要成分為氧化鋁，而氧化鋁又是瓷器的主要成分而得名(見圖4)。它不含有機結合劑，在高溫、低溫情況下均具有良好的可造性和穩定性。其耐溫性在700 ℃左右，導熱系數為0.132 W/(m·K)。

圖4 陶瓷纖維毯

綜上，從材料耐溫及導熱系數綜合對比，玄武巖纖維和陶瓷纖維的性能優于其他2種材料。

2.2 常用保溫結構

重卡排氣系統管路走向復雜，排氣管保溫結構種類多樣，生產制造工藝也不盡相同。常用保溫結構主要有保溫棉、不銹鋼薄板焊接包裹、不銹鋼模具管包裹、鋁箔保溫結構和硅膠布纏繞5種。

2.2.1 保溫棉

如圖5所示，在排氣管外層包裹一層棉衣結構的保溫材料，通過卡箍緊固。其優點是適用性較好，可用于不同位置的排氣管路包裹，且成本較低、重量較輕；缺點是外形不美觀，且裝配費時費力，裝配一致性較差。其保溫性能與材料厚度相關，厚度越大保溫效果越好。該結構適用于產量較小且對外觀要求不高的產品。

圖5 保溫棉

2.2.2 不銹鋼薄板焊接包裹

如圖6所示，在排氣管外層包裹隔熱材料后，用不銹鋼花紋板焊接包裹。其優點是保溫層與排氣管整體成型，外形美觀；缺點是制作工藝復雜，生產效率較低。其保溫效果與保溫棉結構相當，適用于管路較短且產量較大的產品。

圖6 不銹鋼花紋板焊接包裹

2.2.3 不銹鋼薄板焊接包裹

如圖7所示，在排氣管外層包裹隔熱材料后，最外層用不銹鋼模具管包裹固定。其優點是模具成型，外形美觀；缺點是模具通用性差，且開模成本較高。其保溫效果與前2種相當，適用于產量較大且類型單一的產品。

圖7 不銹鋼模具管包裹

2.2.4 鋁箔保溫結構

如圖8所示，在排氣管外層包裹隔熱材料后，最外層用鋁箔紙包裹固定。其優點是鋁箔紙容易裁剪，可適應不同走向的排氣管路包裹，通用性較好；缺點是外層鋁箔易受碰撞變形，且變形后無法恢復，影響外觀效果。其保溫效果與不銹鋼包裹相當。

圖8 鋁箔保溫結構

2.2.5 硅膠布纏繞

如圖9所示，排氣管外層包裹隔熱材料后，最外層用硅膠布纏繞。其優點是適應性較好，可用于不同位置的排氣管路包裹；缺點是外觀不美觀，耐候性較差。

圖9 硅膠布纏繞

綜上，5種保溫結構的保溫效果基本相當。方案設計時，應從外觀、質量、成本及裝配方便性等方面綜合考慮，選出最合適的結構。

2.3 典型排氣系統管路保溫設計

在進行具體車型設計時，需根據整車布置、邊界條件、管路通過路徑等條件，在滿足保溫性能的前提下，選擇合適的排氣管保溫包裹方案。

以匹配濰柴12 L國五柴油發動機的牽引車排氣系統為例，發動機渦輪增壓器布置在整車右側，后處理器布置在整車左側(見圖10)。為滿足排放法規要求，提高后處理器進氣溫度，需對排氣管路進行保溫包裹。

圖10 匹配濰柴12 L國五柴油發動機的牽引車排氣系統布置方案

排氣系統第1、3段排氣管為普通碳鋼管，第2段為不銹鋼伸縮軟管。伸縮軟管的作用在于吸收發動機振動，保證管路性能，如果在外層加裝保溫材料，會影響其伸縮性能。為保障其伸縮性能，不進行保溫包裹。設計第1、3段排氣管保溫結構時，根據發動機溫降要求、排氣管布置路徑等條件，選擇適合的保溫材料及包裹工藝。

3 仿真分析方法

在設計匹配新的車型時，為滿足保溫性能要求，可通過CAE仿真分析對設計方案進行優化。下面通過對匹配濰柴12 L發動機的牽引車排氣管路不同保溫方案的對比分析，介紹保溫性能的CAE分析方法。

3.1 保溫方案

圖11為該車排氣管包裹保溫材料前后方案。

圖11 排氣管包裹保溫材料前后方案

3.1.1 保溫材料性能對比分析

材料厚度均為10 mm時，對同一管路采用4種不同保溫材料進行仿真對比分析，確定不同材料的保溫效果。

3.1.2 不同厚度保溫性能對比分析

保溫材料相同，采用5、10、15 mm 3種厚度進行對比分析，確定厚度與保溫效果的關系。保溫材料均為玄武巖纖維。

3.2 邊界條件

表1為發動機額定功率狀態下渦輪增壓器出口的排氣溫度及流量，表2為隔熱罩材料屬性。

表1 邊界條件

表2 隔熱罩材料屬性

3.3 有限元模型

對渦輪增壓器出口至后處理器進口之前的排氣管路進行分析，運用流體軟件對排氣系統進行網格劃分，建立有限元分析模型(見圖12)。

3.4 分析結果

3.4.1 不同保溫材料性能分析結果

材料厚度均為10 mm時，同一管路采用不同材料的保溫性能分析結果見表3。由表3可知：玄武巖纖維和陶瓷纖維的保溫效果基本相當，優于其他2種材料。

表3 不同保溫材料性能分析結果 ℃

3.4.2 不同厚度保溫性能分析結果

保溫材料相同，厚度分別為5、10、15 mm時保溫性能分析結果見表4。由表4可知：排氣管加裝保溫材料后，保溫效果明顯；保溫材料厚度越大，保溫效果越好。車型設計時，應根據設計邊界及保溫要求等選擇適合的保溫材料厚度。

表4 不同保溫材料厚度時保溫性能分析結果 ℃

4 試驗測試

樣車完成裝車后，在相同環境溫度、發動機工況和路況條件下，對同一排氣管路加裝不同保溫結構，測試其保溫性能，驗證設計方案的優劣。

圖13為匹配濰柴12 L國五柴油機的牽引車排氣管路保溫結構，其中第2段排氣管為金屬伸縮軟管，未進行保溫包裹。原方案為普通排氣管，排氣管外壁不包裹保溫材料；方案1為在原方案的基礎上，排氣管外層包裹保溫棉，并用扎帶捆扎打緊；方案2為在原方案的基礎上，排氣管外壁包裹保溫材料，保溫材料外層采用不銹鋼花紋薄板焊接；方案3為在原方案的基礎上，排氣管外壁包裹保溫材料，保溫材料外層采用硅膠布纏繞包裹。方案1～3保溫材料厚度均為10 mm。

圖13 匹配濰柴12 L國五柴油機的牽引車排氣管路保溫結構設計方案

如圖14所示，在增壓器出口和后處理進口處安裝溫度傳感器，傳感器插入排氣管中部，測量氣流溫度。測量結果見表5。

圖14 溫度測點布置

表5 溫度測試結果 ℃

由表5可知：排氣管外層包裹隔熱材料后，管路溫降明顯，保溫效果較好；方案1溫降為39.2 ℃，方案2溫降為34.4 ℃，方案3溫降為45.4 ℃，方案2保溫效果略優于方案1、方案3。保溫材料及厚度相同的情況下，保溫效果基本相當。外層包裹密封效果越好，保溫效果越好。

5 結語

對于重卡排氣系統，排氣管路保溫結構設計質量至關重要，會直接影響整車排氣能否滿足排放要求。應通過仿真分析、試驗測試等完善排氣管路保溫結構設計方案，在滿足整車排放要求的前提下，選擇合適的材料、合適的厚度，盡可能降低排氣管路的保溫成本。