发动机排气系统设计准则.docx
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发动机排气系统设计准则
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Q/SLK
上海申龙客车有限公司企业标准
发动机排气系统设计准则
上海申龙客车有限公司发布
目次
前言…………………………………………………………………………………………………II
1范围………………………………………………………………………………………………1
2规范性引用文件…………………………………………………………………………………1
3符号、代号、术语及其定义……………………………………………………………………1
4设计准则……………………………………………………………………………………………1
5底盘总布置设计要求………………………………………………………………………………1
6模块化设计要求…………………………………………………………………………………1
7标准化结构、零部件………………………………………………………………………………1
8数据表达要求………………………………………………………………………………………1
9部件（材料）选用要求……………………………………………………………………………1
10设计计算…………………………………………………………………………………………1
11设计评审要求……………………………………………………………………………………1
12装车质量特性……………………………………………………………………………………1
13输出图样和文件的明细…………………………………………………………………………1
14制图要求…………………………………………………………………………………………1
前言
本标准由上海申龙客车有限公司提出。
本标准由上海申龙客车有限公司技术中心归口。
本标准起草单位：
上海申龙客车有限公司技术中心。
本标准主要起草人：
发动机排气系设计准则
11 范围
本标准规定客车产品发动机排气系统的设计、试验及评审规范；
本标准适用于客车产品发动机排气系统设计过程控制、试验标准的确定及设计效果的评审验收；
本标准不适用于非客车类产品的排气系统设计及应用规范。
12 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
QC/T630-93汽车排气消声器性能试验方法
13 符号、代号、术语及其定义
3．1排气消声器
排气消声器为具有吸声衬里或特殊形式的气流管道，可有效地降低气流噪声的装置。
3．2插入损失
消声器的插入损失为装置泊声器前后，通过排气口辐射声功率级之差。
符号：
D，单位；dB。
3．3功率损失比
消声器的功率损失比是内燃机在标定工况下，使用消声器前后的功率差值和没有使用消声器时功
率值的百分比。
符号γ。
3．4诽气背压
按Qc／T524设置排气背压测量点（离发动机排气管出口或祸轮增压器出口75mm处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁干齐），当分50银消算器劝带空瞥时，测点处纳相对压力值之差。
符号：
AP，单位：
kPa。
ΔP＝Pex2-Pex1．
式中；ΔP——排气背压，kPa；
Pex1——带消声器时测点的相对压力，kPa；
Pex2——不带消声5E（印带空管）时测点的相对压力，kPa。
14 设计准则
14.1 应满足的安全、环保和其它法规要求及国际惯例
（汽车排气消声器性能试验方法）之规定；
14.2 应满足的功能要求
在保证发动机最佳性能的同时，把所有排气安全地运离发动机并安静、顺畅地排到大气中去。
排气系统必须把排气噪声削减到符合法令、标准或工业上公认的要求水平；
14.3 应达到的性能要求
需安装排气制动装置时，排气制动阀不超过发动机允许的最大背压；
排气系统应能够防止路面积水，雨水或者冲洗用水进入发动机或增压器；
满足发动机的使用条件，需要经受500～800℃高温排气；
选用部件的使用寿命必须满足国家及行业标准；
排气顺畅，在发动机额定负荷和转速工况下，排气系统产生的排气背压不得大于发动机技术参数表上规定的限值。
排气系不得出现漏气现象
14.4 设计输入、输出要求
总布置图纸评审完毕、设计任务分解后开始进行排气系总成的设计，在设计的过程中，需要不断根据其它总成的要求进行逐步完善。
在底盘总布置、发动机安装位置及车架型式确定的基础上开始设计，设计服务于底盘、整车布置及性能设计。
14.5 设计过程的节点控制要求
本着先易后难、逐步深入的原则，发动机排气系设计节点按照如下方式：
整车总布置→底盘总布置→发动机排气系匹配计算→排气系匹配计算评审→消声器设计→排气管路设计→其它附件设计→各部件的连接及安装设计→各模块设计评审验收→试验检测→试验评审
15 布置要求
15.1 连接到发动机排气歧管或增压器上的附件不得由于重量、运动或热膨胀等原因而对排气歧管和增压器施加过大的应力，同时也不得限制弹性发动机悬置系统所要求的形变；
15.2 保证排气系统与客车操作区、乘客区的密封（可采用通风式隔热板），防止热辐射和噪声的干扰；
15.3 发动机产生的废气应合理地排出，不得污染发动机进气，不得影响冷却系的冷却能力，造成对发动机及其附件的额外损坏或引起冷却系统过载；
15.4 排气管和消声器等高温的外露零部件，要确保和周边零部件有足够的间隔，以避免引起火灾：
与客车车身木质零部件的间隔应大于100mm；
与电线束的间隔应大于150mm；
与发动机悬置橡胶软垫、水箱悬量橡胶软垫、消声器悬置橡胶软垫等的间隔应大于100mm；
与起动机、怠速提速装置、电动停油装置等电器设备的间隔应大于200mm；
与燃油、机油滤清器及管路的间隔应大于200mm；
如果受结构限制不能确保上述间隔的地方，应设置隔热板进行隔热，设置有效的隔热板后，与隔热板的间隔应大于35mm。
15.5 高压油泵、喷油器、燃油机油滤清器、燃油机油管件及接头、机油标尺管口、呼吸器管口的正下方不允许布置消声器和排气管等高温外露零部件，以免因燃油、机油滴漏引起火灾，如果因结构限制需要布置时，必须设置有效的挡板。
16 结构设计要求
16.1 模块化设计要求
消声器的选择
排气消声器是排气系统的主要部件，主要起到降噪作用，它既要满足车辆噪声的要求，又要满足排气阻力的要求，还要满足消耗功率尽可能少的要求。
排气消声器的容积应根据发动机最大排气流量来确定。
选择消声器需要注意的因素有：
结构允许的空间
在空间允许情况下消声器的体积及容量尽可能大。
消声的水平
发动机排气噪音消减得越低越好。
至少应满足国家相关部门对客车产品噪声规定（主要是客车产品得等级评定标准）的最低要求。
排气背压水平
排气背压影响排气系工作时消耗的功率。
在满足消减噪声的基础上，排气背压尽可能小。
消声器的种类
根据消声机理可以把它们分为六种主要的类型：
阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器和有源消声器。
客车产品根据目前情况应选用阻抗复合式消声器。
消声器的形状
根据消声器的形状可以分为：
圆柱型、长方型、异型。
由于圆柱型消声器具有比较明显的抑制振动的倾向、结构简单等特点。
客车产品消声器应选用圆柱型（特殊情况也可选用椭圆截面的柱型）。
消声器的级数
为了加强消声效果，可将消声器从单级分为多级消声器。
多级消声器即是用具有不同特点的消声器组合。
目前我公司客车产品应选用单级消声器。
排气管路的设计
排气管路包括增压器出口与消声器之间的管路以及消声器之后的管路，其主要功用是将发动机产生的废气安全并顺畅地排至车外。
排气管路设计时需要注意的因素主要有：
为减小排气阻力，排气管路应尽可能直，对于客车，总布置需要管路弯曲时，弯道的曲率半径也应尽可能大。
增压器涡轮机出口应设计为一直的管件，圆锥形扩压角不大于10°；
排气管应远离进气口，否则无论是静止还是行驶状态，如果发动机排出的废气被吸入空滤器，空滤器将很快污染失效；
通常在进口管中的一段增加伸缩节式波纹管使整个排气系统呈挠性联接，从而起到减振降噪、方便安装和延长排气消声系统寿命的作用，伸缩节式波纹管，安装时不可出现弯曲和拉伸现象，设计时将其看成时刚性的；
管路的设计应该和流体管路相靠近。
在管路的设计中。
应尽可能的不使用突变管，应尽可能使用变径管，渐变管。
在尾气排出通过的管路中不能出现管径变小的现象，防止排气回流的形成；
水进入增压器会损坏轴承和密封圈，如果进入了发动机气缸内，对发动机的损坏更大。
为了防止路面积水、雨水以及冲洗用水进入，通常可在排气管路中设置一个位置最低的点，以便流水，水平放置的消声器也可以起到这个作用；
固定及连接部件设计
常用的连接方式有：
法兰连接，插入式卡箍连接，止口连接。
止口式通常是用来连接增压器，插入式通常用在消声器的进出口连接，法兰式的连接使用比较广泛，可以用在整个管路的任何地方，而且连接的强度和可靠程度比其他两种连接都要高。
插入式连接应该顺着气流方向，采用小管插入大管的方式，且管子内外径为等直径为宜，内外径之差不应大于1mm。
法兰连接中两法兰之间必须使用密封垫来密封，另外法兰连接也可以做成活动式的。
同时由于排气系的工作温差大，紧固力易下降，所以初始轴向力的设定是重要的。
排气管螺栓布置原则首先要保证密封性，另一方面要允许法兰面相对滑移。
一般采用双螺母或锁片锁紧。
固定和支撑
排气制动必须具有附件支撑，且必须安装于柔性连接上端。
增压器出口管必须具有和发动机连接的支撑，如果发动机本身带有排气弯头，则没有必要再进行固定。
消声器的固定方法很多，常用的是卡箍式固定，这种固定方式简单、可靠、灵活。
消声器和固定件的连接必须是柔性的，因为消声本身是高频振动的。
16.2 标准化结构、零部件
客车排气系管路中排气管尺寸
发动机排量（L）
排气管直径（mm）
<6
76
6-10
102
10-14
127
>14
127或152
采用浮动支撑时，推荐采用13mm厚的橡胶软垫来缓解排气系统的变形量。
17 材料选用要求
17.1 直径小于等于90mm的管子推荐使用，Q235/1.2钢板卷焊管；
17.2 直径大于90mm的管子推荐使用Q235/1.5的钢板卷焊管；
17.3 管路中法兰连接时，密封垫应为耐高温石棉板或者多层耐热金属衬垫（推荐多层耐热金属衬垫）；
18 设计计算
排气系统需要计算的环节较少，主要有消声器的计算和整个管路排气背压的计算两方面。
消声器的计算主要包括消声量及其主要尺寸的计算和确定，管路的排气背压的计算主要包括消声器的排气阻力和管路部分的排气阻力。
18.1 消声器的计算：
消声量计算：
消声量首先要确定降低排气噪声的目标值，即由发动机排气噪声大小、频谱特性和消声器所匹配车辆的噪声标准限值之间的差值来决定消声器消声量的大小。
假设声源特性属线性声源，声衰减量L为：
L=10lg（R2/R1）
式中：
R1—消声器出口处噪声限值点到声源点距离；
R2—整车噪声限值测点到声源点距离；
L=10lg（R2/R1）＝10lg（7.5/0.5）＝11.6（dB）
消声器出口噪声限值：
Lm＝L+La＝11.6+85＝96.6（dB）
所装配发动机排气声压级为Le＝120dB，故可得到消声器的消声量Ld为：
Ld≥Le-Lm＝120-96.6＝23.4（dB）
消声器容积的计算：
传统消声器容积计算公式一般是按照美国NELSON公司的标准：
式中：
V---消声器容积；
n---发动机额定转速，r/min；
i---缸数；
τ--冲程数；
Vst--发动机排量，L;
Q---修正系数，一般取2～6（对消声效果要求越高，Q值越大）
从公式可见，消声器容积与与发动机的排量成正比，因此，也可以采用以下的经验公式：
V＝（A1+A2+A3）×Vst
式中：
A1----插入损失修正系数；
A2----增压机型修正系数；
A3----汽车适应系数，此三个参数的选择可参照下表：
参数名称
参数数值
适应范围
备注
A1
1
插入损失<16dB
对插入损失的要求越高，此参数的数值也应越大，即消声器的容积也越大。
2
插入损失为16～22dB
3
插入损失>22dB
A2
1
匹配自然吸气式发动机
增压发动机的吸入空气量大，排气量也大，对消声器的容积要求也越大。
3
匹配增压发动机
A3
0
重型车
小型车对插入损失要求高，此参数的数值也应越大，即消声器的容积也越大。
1
中型车
2
轻型车
消声器进口直径:
选择消声器进口直径时要避免因进气直径过小而引起整个排气管的截面突变，同时，进气处气流流速不宜过大。
估算进口直径Di的公式为：
上式中：
Q----进口处排气流量，L/s；
Vmax---允许最大气流流速，m/s；（通常取100m/s）
进口处排气流量可以通过发动机进气流量Qi公式估算：
Qi＝0.03Vst×n×φc
式中：
φc----充量系数，一般取0.86
对我们目前常用的增压发动机而言，通常可应用以下公式进行计算：
上式中：
φ----增压比；
n-----额定转速
Vst---发动机排量
排气流量计算公式：
Q＝（Tb+273）φQi/（Ts+273）
上式中：
Tb----进口处排气温度；（发动机厂家提供）
Ts----进气温度；（发动机厂家提供）
φ----取0.98
消声器直径:
首先确定扩张比M：
消声器截面积与消声器进口截面积之比称为扩张比（M）。
对消声器插入损失要求越大，扩张比选择值越大，参数选择见下表：
车型
重型车
中型车
轻型车、轿车
M
6-7
9-10
12-15
然后根据上面确定的消声器进口直径Di，直接算出圆形消声器直径Dm：
消声器长度:
当消声器容积V、消声器直径Dm确定后，可直接计算长度L
L＝1.27×1.06×V/Dm
另外，根据我公司设计消声器的经验来看，消声器的长度应满足如下关系：
3消声器出口直径:
由于当排气气流速度超过一定限值，气流所产生的再生噪声将大大减小消声量。
一般控制气流速度的原则是：
消声器出口管径应不小于进气管直径。
客车产品消声器进出口直径应保持一致。
18.2 排气背压的计算：
对排气背压的计算是为了保证排气系统的阻力不超过发动机参数表上所要求的阻力值。
排气背压主要由两部分组成，一是消声器产生的阻力，其阻力性能只能由生产厂家提供；一是管路产生的阻力。
由于排气过程中温度和压力均不是恒定的，所以要对此过程进行详细准确的计算是十分困难的，通常是根据经验公式或图表进行计算。
下图为排气阻力计算的经验图表，可以用来进行设计初期的计算。
以下举例说明：
发动机的排气流量为2000cfm（ft3/min）
排气系统的不同部位
排气背压（in.Hg，英寸汞柱）
消声器
0.75
12ft.的6’’直管：
12×0.0067
0.0804
1.5ft的6’’柔性管：
1.5×0.0067×2
0.0201
4个6’’的90°弯头：
（16×6×4）/12×0.0067
0.2144
2个6’’的45°弯头：
（9×6×2）/12×0.0067
0.0603
总计
1.125
单位换算
3.809kPa
19 设计评审要求
19.1 评审的时机和方法
设计完成后，针对总成设计布置型式、匹配计算进行评审
19.2 评审的项目和依据
排气系统的评审标准是用于在产品开发初期，确定排气系统结构设计合理性的评价标准。
结构设计的评审：
消声器、排气管件与车架之间的固定方式是否为浮动连接；
排气管路与发动机排气口或增压器出口之间的连接是否为浮动连接；此段管路是否没有任何其他的支承而直接连在增压器出口上；
排气管路中是否有一个位置最低的点，以便流水；
排气管和消声器等高温的外露零部件，与周边的零部件是否有足够间隔空间；
高压油泵、喷油器、燃油机油滤清器、燃油机油管件及接头、机油标尺管口、呼吸器管口等部件是否在消声器和排气管等高温外露零部件的上方；
计算结果的评审：
排气系统消声量要求dB（A），消声器插入损失dB（A）；
是否符合要求。
消声器容积计算结果，实际选用消声器的容积；
是否符合要求。
消声器直径计算结果，实际选用消声器的直径；
是否符合要求。
消声器长度计算结果，实际选用消声器的长度；
是否符合要求。
试验结果的评审：
全负荷试验过程中，排气阻力kPa，发动机参数表所要求的排气阻力kPa；
是否符合要求。
全负荷试验过程中，排气温度℃，发动机参数表所要求的排气温度℃；
是否符合要求。
排气制动装置启动时的排气阻力kPa，发动机参数表所要求的排气阻力kPa；
是否符合要求。
110 装车质量特性
为了保证发动机的动力性和燃油经济性的充分发挥，排气系统应的排气背压和排气温度应达到所设计的要求。
排气系统的阻力即使经过计算，最终也应用试验方法来验证。
110.1 试验设备与仪器：
用于对车辆加载的设备：
动力吸收车或底盘测功机，如果没有以上设备可以在10km以上的长坡上进行，如果没有足够的长坡则需将车加至满载，以最高车速行驶，并尽可能地开启车上的各种设备以加大发动机的负荷。
测试仪器：
转速计（用于测发动机的转速）；
数字温度计（用于测环境温度和排气温度，量程应在200－1000℃）；
气压计（用于测环境气压）；
压力计（用于测排气阻力，应能耐高温，量程应在0－15kPa）；
110.2 试验方法：
传感器的安装：
温度计和压力计的传感器应安装在排气歧管（自然吸气发动机）或增压器废气涡轮端（涡轮增压发动机）出口的法兰盘后50-75mm的直管处，在测点处钻两个Φ3孔（孔的直径应略大于热电偶的直径，以便热电偶可以插入管路中），为了保证测量精度，管路内部孔口处应光滑无毛刺，在孔外分别焊接两个带内螺纹短管，其长度约20mm以能保证密封，内螺纹应与热电偶用于连接的外螺纹相同。
数字温度计热电偶应为可密封的插入式的带螺纹接头，并将热电偶调整至排气管路的中心。
压力计不须插入管路内部，只须保证密封即可。
测试步骤：
预先测量试验时外部的气温和气压；
如果测试过程中，对增压器进气后的压力也进行测试，则可以根据此压力值来判断发动机是否达到全负荷，如果与发动机参数表中全负荷工况下的增压后进气压力值相差在0.75kPa之内，即可视为发动机在全负荷状态下运行。
维持整车全负荷运行10min以上，测量在全负荷状态下排气系统的排气阻力及排气温度，同时测量在发动机最高转速时，排气制动装置启动时的排气压力。
测试记录
外部的气温℃，外部大气压Pa；
测试过程中增压后进气压力kPa，发动机参数表要求的增压后进气压力kPa；
全负荷运行10min后，排气阻力kPa，排气温度℃，排气制动装置启动时的排气阻力kPa。
110.3 评价标准：
试验结果应与发动机技术参数表中的要求进行对比，如果达到要求，表明排气系统的结构设计合理。
111 设计输出图样和文件的明细
111.1 消声器安装图
111.2 排气管路布置图
111.3 其它零部件图
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