【正文】 相關法規(guī)要求的程度。它的主要作用是將發(fā)動機工作時產(chǎn)生的廢氣排出，并且降低排 氣時所產(chǎn)生的噪聲，減少環(huán)境污染和產(chǎn)生輔助制動。另外，它對發(fā)動機的使用壽命也會產(chǎn)生重要影響。根據(jù)車種的不同，有的安裝了數(shù)個催化轉換器，有的安裝了副消音器?？蛙嚺艢庀到y(tǒng)主要用于輕型車、微型車和客車，摩托車等機動車輛。排氣歧管與發(fā)動機的匹配由發(fā)動機廠完成。發(fā)動機在工作過程中所產(chǎn)生的廢氣通洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 過排氣歧管進入排氣管。 圖 21 排氣系統(tǒng) 的組成 2）前排氣管 排氣管的主要作用是將發(fā) 動機工作過程中所產(chǎn)生的廢氣排除。所以設計時要在其滿足其剛度、強度的前提條件下，要盡量使排氣管的質量減輕，其材料可以選薄壁中碳鋼鋼板或者不銹鋼鋼板。但是從另一方面來看，這樣做又會影響排氣歧管連接法蘭的運動自由度。常用的熱補償裝置一一般有兩種形式：一種是采用彈性的波紋管；另一種是撓性連鎖式接管。彈性波紋管的的密封性能比較好，但它的熱補償性較差，使用壽命不長，而且它的價格相比也較貴，相比之下，撓性連鎖式洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 接管的熱補償性和使用壽命都好于彈性波紋管 ,但它的密封新不太好。 3） 催化 反應 器 為減少汽車排出的廢氣對空氣的污染，安裝了被稱作 “催化轉換器 ”的排氣凈 化系統(tǒng)。對 于催化載體，在使用了鐵素體系不銹鋼箔材制作的金屬 載體。金 屬載體由采用不銹鋼鋼箔制作的蜂窩狀型芯和采用不銹鋼鋼板制作的外殼構成。外殼要求 具有高溫強度、耐高溫鹽害性加工性。它是控制氣流噪聲的一種主要方法。也就是說，其插入損失要大，功率損失要小?？紤]到柴油機排氣噪聲中高頻程（ 250Hz～ 400Hz）上的噪聲最高，所以，對消聲效果要求較高的消聲器可以在內(nèi)腔襯以吸聲材料。因此，需合理選擇消聲器的形式和主要參數(shù)。末端管設計的合理性和美觀性將影響客車整體的設計質量和外觀性。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 汽車排氣系統(tǒng)設計中的材料分析及其選擇 1）排氣歧管 汽車排氣歧管使用的氏球墨鑄鐵，但隨著發(fā)動機性能的提高，排氣溫度會上升，且由于對減輕零部件重量的需要，因此不銹鋼的使用量正不斷增加。奧氏體系不銹鋼的高溫強度好，但容易發(fā)生氧化皮剝落，因此在抗氧化 性方面不如鐵素體系不銹鋼。熱膨脹系數(shù)小的鐵素體系不銹鋼在熱疲勞特性方面是有利的。 初期為 適應 排氣溫 度為 800℃左右 的需 要， 使用的 是 YUS409D（ 11CrTI）。再后來，由于在高溫特 性 的基 礎 上又 對 經(jīng)濟 性 提出 了 要求 ， 于 是開 發(fā) 了優(yōu) 化 成分 的YUS450MS（ ）。 新日鐵生產(chǎn)的排氣歧管材料（ YUS450MS 和 YUS190EM）的特征在于NbTi的混合添加。根據(jù)合金元素對鐵素體系不銹鋼在 950℃時 %屈服強度的影響可知， Nb、Mo、 W 和 Ta 有助于提高屈服強度，尤其是添加少量的 Nb，效果 更好。但是， Nb 在高溫下長時間使用過程中會析出碳化物和萊夫斯相，固溶 Nb 會隨著時間推移而下降，高溫強度也會下降。根據(jù) Nb 單獨添加鋼和 NbTi混合添加鋼在900℃時的 %屈服強度隨 900℃時效變化的曲線可知， NbTi 混合添加鋼伴隨時效的強度下降小。具有高溫強度的 14Cr 系 Nb 單獨添加鋼和 NbTi混合添加鋼在約束率 變化后熱疲勞試驗的結果表明，在 100%約束的情況下， NbTi 混合洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 添加鋼有時高溫強度低，熱疲勞壽命比 Nb 單獨添加鋼的短?？梢哉J為這是由于當約束率降低時，熱疲勞強度在總體上會提高，由于延長在高溫下的保持時間，如果是在采用上述 NbTi 混合添加鋼，它能通過添加 Ti 抑制 Nb 碳化物的析出，使高溫下熱疲勞強度下降變小的緣故。 作為今后的發(fā)展趨勢是，排氣溫度將繼續(xù)升高，因此需要高溫度和熱疲勞特性更好的材料。 2）前管 前管使用的材料有 SHU409L、 SUS436L（ 17Cr1MoLC， N）， SUS430J1L等鐵素體系不銹鋼，但在采用中空雙重時，還有的使用奧氏體系不銹鋼作內(nèi)管。尤其是，由于排氣溫度的高溫化和管子的薄壁化，可以認為將采用高溫性能更好的鋼種。具有代表性的鋼種是 Fe20Cr5Al 合金。今后對抗氧化性的要求將會進一步提高。 4） 主消聲 器 各種不銹鋼耐冷凝水腐蝕性的比較結果表明，在有鹽化物共存的條件下，容易發(fā)生點腐蝕。作為內(nèi)外面都處于嚴酷腐蝕環(huán)境下的主消音器用材料，以往使用的是熱浸鍍鋁鋼板和SUS410L 及 YUS409D，但目前正采用耐蝕性更高的不銹鋼予以替代。 其后，隨著實際消音器用材料在腐蝕環(huán)境下評價的發(fā)展，提出了 各種與之相應的不銹鋼評價試驗法。采用這種方法能對接近實際環(huán)境下的消音器用材料耐蝕性進行評價。該鋼的特征是通過優(yōu)化 Cr 和 Mo 的添加量，抑制了決定消音器壽命的點腐蝕的發(fā)生和擴大，另外為固定碳化物，不選擇添加 Nb，而是選擇添加 Ti，因此采用高效率的普通鋼生產(chǎn)工序（采用串列式軋機冷軋 連續(xù)退火 酸洗）就能生產(chǎn)出。 最近，由于降低成本的需要，正重新看待實際消音器的腐蝕環(huán)境，隨之液正在進行相應的材料選擇，有的已開始使用 YUS432（ ）。 5）排氣尾管 由于末端管的使用溫度低，因此從材料的性能來看，使用鍍鋁鋼板就可以了，但是，從圖案性的方面來看，有的使用 SUS409L 和 SUS430 系等高純度鐵素體系不銹鋼，有的則使用奧氏體系的 SUS304 不銹鋼。 汽車排氣系統(tǒng)的聲學分析 排氣系統(tǒng)噪聲發(fā)生機理 發(fā)動機的排氣過程按照排氣氣流的流速可分為自由（或稱超臨界）排期階段和強制（或稱亞臨界）排氣階段。壓力波在氣缸內(nèi)發(fā)生多次反射，產(chǎn)生強烈的噪聲。排氣噪聲一般包含以下成分：基頻排氣噪聲、氣柱共振噪聲、渦流噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、紊流噪聲等。對同一臺發(fā)動機來說，影響排氣噪聲最大的因素是發(fā)動機的傳遞和負荷。由相關數(shù)據(jù)顯示，當轉速增加一倍時，排氣噪聲增加 12—14dB；不同的排氣系統(tǒng)對噪聲級隨轉速變化的影響不大。 由相關數(shù)據(jù)顯示，幾種不同的發(fā)動機在 轉速增加一倍時，空負荷的排氣噪聲增加 10— 14dB，二全負荷時的排氣噪聲僅增加 5— 9dB。 綜合試驗數(shù)據(jù)得出排氣噪聲與發(fā)動機轉速、平均有效壓力、發(fā)動機排量的關系如下： 四沖程汽油機： L=28lgn+20lgPe+15lgVh+K1 四沖程柴油機： L=25lgn+20lgPe+13lgVh+K2 式中， n 為發(fā)動機轉速， r/min； Pe 為平均有效壓力， kgf/ cm2。 K K2 為與發(fā)動機結構有關的常 數(shù)。②二沖程機通常轉速較高，單位時間內(nèi)平均換氣量比四沖程機多，排氣次數(shù)也多一倍，因此產(chǎn)生的氣流聲和渦流聲大，頻率也高。 柴油機一般比汽油機的排氣噪聲大，這是因為：①柴油機工作時，最高洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 爆發(fā)壓力和壓力增長率均比汽油機的高，因此，同等功率相比，柴油機排氣噪聲較大。 3) 渦輪增壓對排氣噪聲的影響 采用渦輪增壓后，由于氣門開啟瞬間所產(chǎn)生的噪聲通過渦輪機之后，其能量將有很大衰減，再自渦輪機排氣口排出時噪聲將明顯降低。 降低排氣噪聲的主要方法 1) 從噪聲源本身采取措施 這需要從噪聲源機理分析入手，采取相應的對策，但這些措施往往又要涉及到排氣系統(tǒng)，如凸輪軸、氣門機構以及氣缸蓋的設計，而這 些又要影響到內(nèi)燃機其他方面的性能，因而需要綜合考慮并進行大量的試驗研究。 2) 從噪聲源外圍采取措施 噪聲減振措施包括采用消聲器和控制由發(fā)動機排氣歧管傳來地機械振動，這些措施的采用不影響發(fā)動機的性能，又比較容易實現(xiàn)，其中最主要、最有效、最簡單的是采用排氣消聲器。將軟彈性管裝在排氣歧管和前排氣管之間，以便隔離由排氣歧管傳來的振動 ② 用消聲器消聲 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 現(xiàn)在用得最普遍的方法是安裝消聲器消聲，消聲器消聲與其它消聲方法相比更具有針對性，它可針對峰值頻段制定消聲策略，其實際效果 也隨著消聲器設計技術的發(fā)展而最為顯著，這也正是本文所研究的主要內(nèi)容。由于兩個管道的的長度差值等于汽車所發(fā)出的聲波 圖 31 汽車消聲器 波長的一半，使得兩列聲波在疊加時發(fā)生干涉時相互抵消而 減弱聲強，使聲音減小，從而起到消音的效果。把吸聲材料固定在氣流通道的內(nèi)壁上或按照一定方式在管道中排列，就構成了阻性消聲器。阻性消聲器就好象電學上的純電阻電路，吸聲材料類似于電阻。阻性消聲器對中高頻消聲效果好、對低頻消聲效果較差。小室中的空氣體積相當于電學上的電容，稱為聲順。當包含有各種頻率成分的聲波進入第一個短管時，只有在第一個網(wǎng)孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網(wǎng)孔到達第二個短管口，而另外一些頻率的聲波則不可能通過網(wǎng)孔．只能在小室中來回反射，因此，我們稱這種對聲波有濾波功能的結構為聲學濾波器?？剐韵暺鬟m用于消除中、低頻噪聲。 微穿孔板消聲器 一般是用厚度小于 1mm 的純金屬薄板制作，在薄板上用孔徑小于 1mm 的鉆頭穿孔，穿孔率為 1%一 3%。小孔消聲器的結構是一根末端封閉的直管，管壁上鉆有很多小孔。 有源消聲器的基本原理是在原來的聲場中，利用電子設備再產(chǎn)生一個與原來的聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在一定范圍內(nèi)與原來的聲場相抵消。 汽車排氣消聲器分析設計方法 排氣噪聲的頻率特性 內(nèi)燃機工作時，廢氣以脈沖的形式從排氣縫隙中噴出，產(chǎn)生能量很高、頻譜很復雜的噪聲。內(nèi)燃機的排氣噪聲一方面通過氣道內(nèi)的氣體傳播，另一方面激勵氣道壁振動，產(chǎn)生二次噪聲。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 汽車的排氣噪聲呈明顯的低頻性，能量主要集中在基頻及其倍頻的范圍內(nèi)；中頻范圍主要是排氣管內(nèi)氣柱震蕩的固有噪聲；高頻范圍內(nèi)主要包括燃燒噪聲和氣流通過其口的空氣動力噪聲，頻率在 I000Hz 以上，并且隨氣流速度增加，頻率顯著提高。 內(nèi)燃機周期性燃燒過程和進、排氣門開閉時所產(chǎn)生的低頻脈動沖擊噪聲的基頻及其諧波頻率： kNif ?60? （ 31） 式中 N 為內(nèi)燃機主軸轉速； i 為氣缸數(shù) 。 消聲器的設計指標的確定 由于汽車排氣消聲器需要在不同負荷、不同轉速下工 作，這就要求排氣消聲器在不同溫度、流速下，在寬頻帶范圍具有較高的消聲值，較低的功率損失 .重要的是選擇合理的設計指標 .國際上評價汽車噪聲通常采用以一定工況加速或勻速行駛時產(chǎn)生的 A 計權整車噪聲級作為評價量 .汽車噪聲是一個典型的綜合噪聲源，包括排氣噪聲、發(fā)動機噪聲、車體振動噪聲等 .排氣消聲器的功能僅是降低排氣噪聲 .消聲量過大，犧牲發(fā)動機功率和增加成本，并不能進一步降低整車噪聲 ..反之， 消聲器的消聲量過小， 排氣噪聲仍是主要噪聲源，達不到降低整車噪聲的目的 .消聲器的合理設計指標取決于車輛類型和其它噪源的強度 .針對 我國汽車噪聲的現(xiàn)狀，表 所列各類消聲器推薦設計指標是合理可行的。 從對汽車排氣消聲器的要求來看，采用抗性消聲器最為合適，因為它是全金屬結構，機構簡單、能耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊 ，成本低、壽命長。 本文設計的消聲器為擴張式和共振式組合的抗性消聲器。消聲器進、出口管的直徑不得小于內(nèi)燃機排氣管出口或排 氣道口的直徑，否則將因排氣背壓增高，引起功率損失增加，同時易產(chǎn)生高速氣流而高速氣流容易激發(fā)再生噪聲，從而影響消聲器的實際消聲效果；消聲器進、出口管的直徑也不宜過大，否則將會降低擴張比 m，從而降低消聲器的消聲量。 初步選擇進氣管氣流平均流速，再根據(jù)如下公式確定排氣管截面積 0S 01 30 snvGv c?? （ 32） 式中 v 為 排氣流速； 1G 為 取決于排氣溫度的系數(shù)，通常取 1～ 2 之洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 19 間； n 為 內(nèi)燃機轉速； cv 為 內(nèi)燃機總排量；τ 為 沖程數(shù)； 0S 為 排氣管截面積 。 01 4d s?? （ 33） 綜合比較內(nèi)燃機排氣管出口或排氣道口的直徑和上述公式計算確定的結果，最終確定消聲器的進、出口直徑。因為容積增大，有助于降低下限失效頻率，增加消聲效果，減小阻力損，增大對脈動氣流的緩沖作用 。但是消聲器尺寸的大小，要受其安裝位置、生產(chǎn)成本等的約束。 為了估算消聲器容積 Ve 的大小 ,一般有一下三種計算公式。 ② 美國 Ne1Son 公司推薦的經(jīng)驗公式如下來進行估算： TNnQVV he 1000? (35) 式中， hV 為 發(fā)動機排量 (L)。 T 為 發(fā)動機沖程數(shù) 。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 20 Q 為 常數(shù)，根據(jù)不同的消聲要求可取 5~6 ③ 消聲器容積： ?? KKKKCKV ntie ? (36) 式中 C為 經(jīng)驗常數(shù) ,根據(jù)消聲器所要達到的指標而定 : A 類消聲器 消聲量≥