汽車排氣管用玄武巖纖維隔熱保溫性能研究

王 彬，易忠新，趙克秦，樓狄明,胡怡帆

(1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000；2.同濟大學汽車學院，上海 201804；3.南昌同巖新材科技有限公司,江西 南昌 330052)

0 概述

隨著低碳化步伐的日益加快，我國向世界人民鄭重承諾的“30-60雙碳目標”，向已有的傳統汽車行業技術提出更高的要求，也為相關行業帶來重大發展機遇[1]。

此外，隨著國六的排放標準實施，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[2-4]。此外，若排氣溫度過低，SCR裝置會產生尿素溶液結晶等問題[5]。所以為了提高后處理裝置的催化效率，需要在排氣管路外包覆高性能保溫材料，減少排氣管路熱量損失，從而提升整車排放性能。

排氣管隔熱保溫同時，除了降低其溫度對周圍部件的影響，延緩部件的熱老化及損失，同時也可以保持一定的排氣壓力。

目前傳統市場多采用陶瓷纖維氈、玻璃纖維氈等材料與金屬鋁箔材料復合作為罩衣，包覆在排氣管上，但隨著技術要求不斷提高，需要進行新材料的研發進一步提升排氣管的隔熱保溫性能。

耐火隔熱玄武巖纖維復合氈是以玄武巖纖維為主要材料，通過針刺、熱粘合或縫編而成具有一定厚度的單層、多層復合而成的纖維氈[6]。玄武巖纖維的軟化點為960℃，最高使用溫度可達到860℃[7]。因此可以作為鋼結構、管道或汽車高溫部件的熱防護和隔熱材料,可以作為汽車排氣管保溫材料。

目前針對玄武巖纖維復合材料在汽車排氣熱管理領域的研究還比較少，趙克秦等人[8]基于冷態WHTC循環研究了包裹玄武巖纖維氈的排氣管的溫升特性以及對排放的影響，發現了玄武巖纖維材料有良好的保溫性能，在發動機冷啟動階段能極大改善排放性能。然而在排氣管等部件對周邊零件的熱害影響也是汽車領域關注的一個重點，因此還需要研究材料的隔熱性能。

本文基于穩定熱源臺架以及整車轉鼓臺架，試驗比較了不同材料、不同包裹形式的汽車排氣管的保溫隔熱性能。

1 研究方案

本文基于穩定熱源臺架及整車轉鼓臺架，對汽車排氣管包覆不同編織形式保溫材料(玄武巖套、玄武巖纏繞帶、玄武巖氈、玻璃纖維氈)的保溫隔熱效果展開試驗。

1.1 試驗材料

試驗排氣管樣件采用相同容重(120kg/m3)與厚度(5mm)的玄武巖套(簡稱“玄套”)、玄武巖纏繞帶(簡稱“玄帶”)、玄武巖氈(簡稱“玄氈”)、玻璃纖維氈(簡稱“玻氈”)等四種不同包覆樣件。

1.2 穩定熱源臺架

1.2.1 試驗裝置

穩定熱源臺架通過保持一定的排氣流量及排氣溫度，可以測試各排氣溫度及流量下排氣管的溫升情況及穩定后內外表面的溫度，模擬排氣管在不同工況下的隔熱保溫性能。

1.2.2 試驗方案

穩定熱源臺架試驗通過控制入口進氣溫度控制在650℃，保持300kg/h的排氣流量，分別使用同等厚度的玻璃纖維氈與玄武巖纖維氈包裹排氣管，測試排氣管的內部溫度與外部溫度，比較玻璃纖維氈與玄武巖纖維氈的保溫性能與隔熱性能，圖1為排氣管溫度傳感器布置圖。

1.3 整機臺架

1.3.1 試驗裝置

試驗車輛使用福田奧鈴貨運車，發動機采用云內D30TCIF1。表1所示為臺架試驗柴油機參數。

表1 臺架試驗柴油機參數

1.3.2 試驗工況及方案

整車臺架轉鼓試驗采用C-WTVC循環(中國重型商用車瞬態循環)，共計1800s，分為三個階段，分別是市區循環工況(0～900s)，公路循環工況(900～1368s)，高速循環(1368～1800s)。

將排氣管分別包覆玄武巖纖維和玻璃纖維，玻璃纖維采用氈式的編織方式，玄武巖纖維使用套式、纏繞帶式和氈式三種不同的編織方式，測試循環工況下柴油機出口端溫度T1與后處理系統進口端的溫度T2，研究整個排氣系統的保溫特性。

2 試驗結果分析

2.1 穩定熱源臺架試驗結果

2.1.1 不同材料保溫性能對比

圖2為試驗管路包覆擁有同一厚度與容重的不同保溫材料(玄武巖纖維氈、玻璃纖維氈)的內部測點溫度。可以看出兩種材料包覆的排氣管內部測點溫度趨勢相同，在540℃-620℃區間波動變化，大體上玄武巖纖維氈包覆的排氣管內部溫度高于玻璃纖維氈。

圖3為排氣管內部測點的平均溫度，通過比較平均溫度的高低可以直觀比較兩種材料的保溫性能。由圖3可知，玄武巖纖維氈包覆的排氣管內部測點的平均溫度相比較于玻璃纖維氈高4℃，說明玄武巖纖維氈的保溫性能優于玻璃纖維氈。

2.1.2 不同材料隔熱性能對比

圖4為排氣管內外壁測點的平均溫度及溫降，通過內外壁溫度作差來反映兩種材料的隔熱性能。由圖4可知，玄武巖纖維氈包覆的排氣管內壁的平均溫度比玻璃纖維氈高，與上文結論相同，說明玄武巖纖維氈的保溫性能優于玻璃纖維氈。而玄武巖纖維氈包覆的排氣管的外壁溫度低于玻璃纖維氈，溫降比玻璃纖維氈高15℃，因此玄武巖纖維氈的隔熱性能也優于玻璃纖維氈。

2.2 整車轉鼓臺架試驗結果

2.2.1 不同材料及包覆形式保溫性能對比

圖5為整車轉鼓試驗中各試驗管路入口段第一溫度測點T1的溫度變化曲線。從試驗結果來看，由不同材料以及和不同包裹方式影響了整條管路的散熱，包括前端T1部分。玄武巖纖維氈和玻璃纖維氈的管道保溫效果好，散熱慢，加速溫度熱量累積程度高，內部排氣溫度高。

圖6為整車轉鼓試驗中各試驗管路末段第二溫度測點T2的溫度變化曲線。從試驗結果來看，玄武巖纖維氈T2后處理前溫度較高，保溫性能遠優于玄武巖套與玄武巖纏繞帶。

圖7為整車轉鼓試驗中各循環區間(市區循環、公路循環、高速循環)不同材料及包覆形式的平均溫降。由圖可知，從不同的材料來看，玄武巖纖維氈溫降在不同循環均最小，整個循環的平均溫降比玻璃纖維氈低1.2℃，保溫性能優于玻璃纖維。從不同包覆形式來看，氈形式的玄武巖保溫材料保溫性能優于玄武巖套與玄武巖纏繞帶，整個循環的平均溫降比玄武巖套與玄武巖纏繞帶分別低3.9℃、5.1℃。

3 結論

(1)基于穩定熱源臺架試驗，玄武巖纖維氈保溫隔熱性能均優于玻璃纖維氈，內部平均溫度比玻璃纖維氈包裹的高4℃，內外壁溫降比玻璃纖維氈包裹的高15℃。

(2)基于整車轉鼓試驗，玄武巖纖維保溫性能優于玻璃纖維，包裹玄武巖纖維氈排氣管入口與后處理入口溫度最高，整個循環溫降最低，平均溫降比玻璃纖維氈低1.2℃。

(3)氈形式的玄武巖保溫材料保溫性能優于玄武巖套與玄武巖纏繞帶，整個循環的平均溫降比玄武巖套與玄武巖纏繞帶分別低3.9℃、5.1℃。