毕业设计论文_排气系统的分析与设计(编辑修改稿)

毕业设计论文_排气系统的分析与设计(编辑修改稿)内容摘要：

SUS436L（ 17Cr1MoLC， N）， SUS430J1L等铁素体系不锈钢，但在采用中空双重时，还有的使用奥氏体系不锈钢作内管。 作为今后的发展趋势，低成本、抗氧化性和热疲劳特性好的铁素体系不锈 钢毫无疑问将成为主流。 尤其是，由于排气温度的高温化和管子的薄壁化，可以认为将采用高温性能更好的钢种。 3）催化转换器 对于催化转换器用箔材的要求是抗氧化性要好，因此使用了 FeCrAl系铁素体不锈钢。 具有代表性的钢种是 Fe20Cr5Al 合金。 为提高氧化皮膜的密封性，还有的添加了少量 Hf、 Y、 Ce 等稀土类金属元素（ REM）。 今后对抗氧化性的要求将会进一步提高。 对于催化转换器的外壳，大部分是使用 SUS430（ 17Cr）系不锈钢，但随着排气温度的升高，目前还有的正在使用 SUS430J1L 或 SUS429 系等高 温特性更好的铁素体系不锈钢。 4） 主消声 器 各种不锈钢耐冷凝水腐蚀性的比较结果表明，在有盐化物共存的条件下，容易发生点腐蚀。 为抑制在这种环境下发生点腐蚀，有效的办法是添洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 加 Cr 和 Mo，基于这一点考虑，目前正在加快材料的开发。 作为内外面都处于严酷腐蚀环境下的主消音器用材料，以往使用的是热浸镀铝钢板和SUS410L 及 YUS409D，但目前正采用耐蚀性更高的不锈钢予以替代。 最初采用的是高 Cr、耐蚀性好的 YUS180 和减少 Si 含量、提高加工性的 YUS180S。 其后，随着实际消音器用材料在腐蚀环境下评价的发展，提出了 各种与之相应的不锈钢评价试验法。 新日铁提出了半浸渍加热循环试验法（下称 NSC试验法）。 采用这种方法能对接近实际环境下的消音器用材料耐蚀性进行评价。 结果可知，添加 Cr 和 Mo 能有效地抑制不锈钢在冷凝液中发生局部腐蚀，于是开发了 YUS436S（ ）。 该钢的特征是通过优化 Cr 和 Mo 的添加量，抑制了决定消音器寿命的点腐蚀的发生和扩大，另外为固定碳化物，不选择添加 Nb，而是选择添加 Ti，因此采用高效率的普通钢生产工序（采用串列式轧机冷轧 连续退火 酸洗）就能生产出。 目前，YUS436S 正被广泛用 作排气系统用零部件。 最近，由于降低成本的需要，正重新看待实际消音器的腐蚀环境，随之液正在进行相应的材料选择，有的已开始使用 YUS432（ ）。 出于美观和防腐的需要，有的外壳或末端板采取镀铝处理。 5）排气尾管 由于末端管的使用温度低，因此从材料的性能来看，使用镀铝钢板就可以了，但是，从图案性的方面来看，有的使用 SUS409L 和 SUS430 系等高纯度铁素体系不锈钢，有的则使用奥氏体系的 SUS304 不锈钢。 在对图案有特别要求的情况下，还有的使用镀 Cr不锈钢钢管或热浸镀铝不锈钢钢管。 汽车排气系统的声学分析 排气系统噪声发生机理 发动机的排气过程按照排气气流的流速可分为自由（或称超临界）排期阶段和强制（或称亚临界）排气阶段。 当排气门开启时，高温高压的排气由气缸内已接近当地声速的流速排入排气管中，在排气门附近发生压力剧变，形成强烈的压力扰动波。 压力波在气缸内发生多次反射，产生强烈的噪声。 影响排气噪声的主要因素有：气缸压力、排气门直径、发动机排洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 量以及排气门开启特性等。 排气噪声一般包含以下成分：基频排气噪声、气柱共振噪声、涡流噪声、废气喷注和冲击噪声、紊流噪声等。 影响排气噪声的主要因素 1)发动机转速和负荷对排气噪声的影响 影响排气噪声的主要因素是：气缸压力、排气门直径、法定及排量以及排气门开启特性等。 对同一台发动机来说，影响排气噪声最大的因素是发动机的传递和负荷。 以一台 4 缸、 2 升的柴油机，在空负荷、不同排气系统时的排气噪声与传递作比较。 由相关数据显示，当转速增加一倍时，排气噪声增加 12—14dB；不同的排气系统对噪声级随转速变化的影响不大。 由于排气压力与发动好几负荷密切相关，因此，排气噪声在空负荷 和全负荷时差别较大。 由相关数据显示，几种不同的发动机在 转速增加一倍时，空负荷的排气噪声增加 10— 14dB，二全负荷时的排气噪声仅增加 5— 9dB。 这就说明 发动机在全负荷时，各转速下的排气压力变化是不大的。 综合试验数据得出排气噪声与发动机转速、平均有效压力、发动机排量的关系如下： 四冲程汽油机： L=28lgn+20lgPe+15lgVh+K1 四冲程柴油机： L=25lgn+20lgPe+13lgVh+K2 式中， n 为发动机转速， r/min； Pe 为平均有效压力， kgf/ cm2。 Vh 为发动机排量， l。 K K2 为与发动机结构有关的常 数。 2)不同类型发动机排气噪声的比较 同等功率的二冲程机比四冲程机的排气噪声大，主要原因是：①二冲程机为了充分换气，一般比四冲程机排气开始时刻早，因而排气开始时气缸压力较高，故排气噪声大些。 ②二冲程机通常转速较高，单位时间内平均换气量比四冲程机多，排气次数也多一倍，因此产生的气流声和涡流声大，频率也高。 ③为了保证扫气效果，二冲程发动机不宜采用结构复杂的消声器。 柴油机一般比汽油机的排气噪声大，这是因为：①柴油机工作时，最高洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 爆发压力和压力增长率均比汽油机的高，因此，同等功率相比，柴油机排气噪声较大。 ②同一功率的发动机，往往汽油机的缸数较多，因而改善了排气系统中的气流脉动。 3) 涡轮增压对排气噪声的影响 采用涡轮增压后，由于气门开启瞬间所产生的噪声通过涡轮机之后，其能量将有很大衰减，再自涡轮机排气口排出时噪声将明显降低。 这是非增压四冲程机明显的低频部分的基频噪声消失了，而涡轮机本身所具有的高频涡流噪声仍然具有较高的噪声。 降低排气噪声的主要方法 1) 从噪声源本身采取措施 这需要从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，但这些措施往往又要涉及到排气系统，如凸轮轴、气门机构以及气缸盖的设计，而这 些又要影响到内燃机其他方面的性能，因而需要综合考虑并进行大量的试验研究。 主要工作集中在不改变发动机性能和排气系统不做大的改变的情况下，采取一些措施来降低声源噪声“诸如：改变排气歧管的布置，使吹过管口的气流方向与该管的轴线方向夹角保持在最不易策动该管发生共振的角度范围内；合理设计各支管的长度，使管的声共振频率错开，使各排气支管管口及各管之间连接处都有较大的过渡圆角，减小界面突变，避免管口存在尖锐的边缘，以减弱声共振作用；提高排气门杆、气门歧管和排气道内壁面的光洁度，以减小紊流附面层中的涡流强度；在保证排气门刚 度和强度的条件下，尽可能地减小排气门杆直径，等等。 2) 从噪声源外围采取措施 噪声减振措施包括采用消声器和控制由发动机排气歧管传来地机械振动，这些措施的采用不影响发动机的性能，又比较容易实现，其中最主要、最有效、最简单的是采用排气消声器。 ① 隔离排气歧管传递的振动 隔振是一种有效的降低噪声的方法。 将软弹性管装在排气歧管和前排气管之间，以便隔离由排气歧管传来的振动 ② 用消声器消声 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 现在用得最普遍的方法是安装消声器消声，消声器消声与其它消声方法相比更具有针对性，它可针对峰值频段制定消声策略，其实际效果 也随着消声器设计技术的发展而最为显著，这也正是本文所研究的主要内容。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 第 3 章 汽车排气系统消声器的开发设计 消声器的基础理论 消声器的基本工作原理 汽车消音器的原理就是其排气管是由两个长度不同的管道构成，这两个管道先分开再交汇。 由于两个管道的的长度差值等于汽车所发出的声波 图 31 汽车消声器 波长的一半，使得两列声波在叠加时发生干涉时相互抵消而 减弱声强，使声音减小，从而起到消音的效果。 消声器的分类及结构形式 阻性消声器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。 把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。 当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。 阻性消声器就好象电学上的纯电阻电路，吸声材料类似于电阻。 因此，人们就把这种消声器称为阻性消声器。 阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。 抗性消声器是由突变界面的管和室组合而成的 ，好象是一个声学滤波器，与电学滤波器相似，每一个带管的小室是滤波器的一个网孔，管中的空气质量相当于电学上的电感和电阻，称为声质量和声阻。 小室中的空气体积相当于电学上的电容，称为声顺。 与电学滤波器类似，每一个带管的洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 小室都有自己的固有频率。 当包含有各种频率成分的声波进入第一个短管时，只有在第一个网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔到达第二个短管口，而另外一些频率的声波则不可能通过网孔．只能在小室中来回反射，因此，我们称这种对声波有滤波功能的结构为声学滤波器。 选取适当的管和室进行组合．就可以滤掉某些频率成 分的噪声，从而达到消声的目的。 抗性消声器适用于消除中、低频噪声。 把阻性结构和抗性结构按照一定的方式组合起来，就构成了 阻抗复合式消声器。 微穿孔板消声器 一般是用厚度小于 1mm 的纯金属薄板制作，在薄板上用孔径小于 1mm 的钻头穿孔，穿孔率为 1%一 3%。 选择不同的穿孔率和板厚不同的腔深， 就可以控制消声器的频谱性能，使其在需要的频率范围内获得良好的消声效果。 小孔消声器的结构是一根末端封闭的直管，管壁上钻有很多小孔。 小孔消声器的原理是以喷气噪声的频谱为依据的，如果保持喷口的总面积不变而用很多小喷口来代替，当气流经过小孔时、喷气噪声的频谱就会移向高频或 超高频，使频谱中的可听声成分明显降低，从而减少对人的干扰和伤害。 有源消声器的基本原理是在原来的声场中，利用电子设备再产生一个与原来的声压大小相等、相位相反的声波，使其在一定范围内与原来的声场相抵消。 这种消声器是一套仪器装置，主要由传声器、放大器、相 移装置、功率放大器和 扬声器 等组成。 汽车排气消声器分析设计方法 排气噪声的频率特性 内燃机工作时，废气以脉冲的形式从排气缝隙中喷出，产生能量很高、频谱很复杂的噪声。 这种噪声呈现出明显的宽频带特征，随着内燃机结构、种类以及内燃机转速等的不同，将会有不同形状的频谱。 内燃机的排气噪声一方面通过气道内的气体传播，另一方面激励气道壁振动，产生二次噪声。 排气噪声的组成主要分为：低频脉动噪声、排 气管道内的气柱噪声 、气缸的赫尔姆霍茨共振噪声、高速气流在通过排气门环隙及曲折的管道时所产生的喷注噪声、涡流噪声以及排气系统在管内压力波激励下所产生的再生噪声形成连续性高频噪声。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 汽车的排气噪声呈明显的低频性，能量主要集中在基频及其倍频的范围内；中频范围主要是排气管内气柱震荡的固有噪声；高频范围内主要包括燃烧噪声和气流通过其口的空气动力噪声，频率在 I000Hz 以上，并且随气流速度增加，频率显著提高。 大量实验表明，排气噪声的强弱与内燃机的类型、排量、功率、转速、平均有效压力和排气口的面积直接相关，且气噪声 随排量、转速、功率、平均有效压力的增加而提高。 内燃机周期性燃烧过程和进、排气门开闭时所产生的低频脉动冲击噪声的基频及其谐波频率： kNif 60 （ 31） 式中 N 为内燃机主轴转速； i 为气缸数。 k 为谐波序数；τ为冲程系数，对于二冲程 τ =1 ，四冲程τ = 2。 消声器的设计指标的确定 由于汽车排气消声器需要在不同负荷、不同转速下工 作，这就要求排气消声器在不同温度、流速下，在宽频带范围具有较高的消声值，较低的功率损失 .重要的是选择合理的设计指标 .国际上评价汽车噪声通常采用以一定工况加速或匀速行驶时产生的 A 计权整车噪声级作为评价量 .汽车噪声是一个典型的综合噪声源，包括排气噪声、发动机噪声、车体振动噪声等 .排气消声器的功能仅是降低排气噪声 .消声量过大，牺牲发动机功率和增加成本，并不能进一步降低整车噪声 ..反之， 消声器的消声量过小， 排气噪声仍是主要噪声源，达不到降低整车噪声的目的 .消声器的合理设计指标取决于车辆类型和其它噪源的强度 .针对 我国汽车噪声的现状，表 所列各类消声器推荐设计指标是合理可行的。 表 各类消声器推荐设计指标 车辆类型 插入损失 (A) 功率损失比 .% 摩托车 20~25 5 载重汽车 20~25 5 工程车辆 15~30 5 大中型客车 25~30 5 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 小轿车 30~40 5 消声器结构 的确定 消声器的结构类型的确定 按照消声机理不同，可将消声器分为阻性消声器、 抗性。