汽车排气系统的结构优化
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摘 要 对主消声器和二级三元催化器进行针对性的结构优化，并详细分析优化前后的流场特性。优化后的排气背压平均下降了约25%，最大排氣背压由原来的74.8KPa下降到53.2KPa。优化后的发动机额定工况点功率最大提升约15%，燃油消耗率最大降幅约16%。
关键词 排气系统 计算流体力学 流场特性 排气背压 结构优化
中图分类号：U464 文献标识码：A
1对二级三元催化器的结构优化
图1是优化前的二级三元催化器内部的流场特性图，左侧为气体的速度矢量分布图，右侧为内部气压分布图。由两图知，气体从横截面积较小的排气管流入横截面积较大的二级三元催化器，因气流存在惯性而使得气流不可能随着管道的形状突然扩大，这就造成了在流束和管壁拐角处形成了局部漩涡。另外，由于管道形状突然改变，气流速度重新分布，引起气体微团的前后碰撞，增加压力的损失。
对二级三元催化器的进口扩张管进行优化，减小扩张管的张角。图2是优化后二级三元催化器内部的流场特性图。由图可见，优化后气体的流束更加集中，已无明显的漩涡现象;内部气压分布更加均匀，且产生的排气背压由原来的11.9MPa下降为6.7MPa。
2对主消声器的结构优化
图3是优化前主消声器内部的流场特性，由左侧的气体速度矢量分布图可知，在进气内插管末端和出气内插管端口处有局部漩涡，造成了气流能量的损失。在出气内插管端口处，气体流速突然变大，形成了射流;在隔板上消声孔处产生了气流的喷注，造成了能量损失并产生了噪声。由右侧的内部气压分布图可知，在出气内插管的端口处由于气流截面积的突然收缩，在贴近管壁处形成了两个低压区。
在满足主消声器的消声性能的前提下，增大隔板上消声孔的开孔面积，降低喷注气流;缩短进气内插管和出气内插管的长度，避免形成局部漩涡;将出气内插管的入口处改为喇叭形入口，实现气流的平缓过渡，消除气体的射流和低压区的现象。图4是优化后主消声器内部的流场特性图，可见优化效果十分明显，主消声器产生的排气背压由原来的30.2MPa，下降为14.4MPa。
3排气背压的优化
图5为转速5000r/min时排气系统的排气背压的分布图，虽然背压贡献量还是集中在三元催化器和消声器上，但与优化前相比总的排气背压已由原来的74.8MPa下降为53.2MPa。由图6优化前后各工况下的总排气背压的对比图可知，在各工况下优化后的总排气背压都小于优化前，且随着转速的增加其差值也呈现出增大的趋势。优化后总排气背压的平均降幅约为25%，可谓优化效果显著。
4优化后对发动机性能的影响
图7为优化前后的发动机在不同工况下的功率对比图，当发动机的转速在1000～3300r/min范围内时，优化前后发动机的功率几乎没有差异;当发动机的转速在3300～5700r/min范围内时，优化后发动机的功率要大于优化前，且随着转速的增大而呈现出增大的趋势，发动机的功率最大提升约15%。
图8为优化前后的发动机在不同工况下的燃油消耗率对比图，当发动机的转速在2000～4000 r/min范围内时，优化后的发动机燃油消耗率有明显的改善，较优化前的最大降幅约16%。
5结论
对主消声器的结构进行了优化：缩短了进气内插管和出气内插管的长度，将出气内插管的入口改为喇叭状，适当增大隔板上消声孔的开孔面积;对二级三元催化器的结构进行了优化：减小扩张管的张角。优化后排气背压平均下降了25%，最大排气背压由原来的74.8MPa下降到53.2MPa;发动机的动率提升约15%，燃油消耗率最大降幅为16%。
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