排气系统设计作业指导书
编制：日期：
审核：日期：
批准：日期：
发布日期：年 月 日 实施日期：年 月 日
前言
为使本中心排气系统设计规范化，参考国内外汽车设计的技术规范，结合公司标准和已开发车型的经验，编制本作业指导书。意在对本公司设计人员在设计过程中起到一种指导操作的作用，让一些相关设计经验不够丰富的员工有所依据，提高设计的效率和成效。本作业指导书将在本中心所有车型开发设计中贯彻，并在实践中进一步提高完善。
本标准于2011年XX月XX日起实施。
本标准由研究院第五中心提出。
本标准由技术标准分院负责归口管理。
本标准主要起草人：赵永刚
目录
1 排气系概述 (4)
1.1 排气系简介 (4)
1.2 排气系统的发展方向 (4)
1.3 排气系构成 (5)
1.4 主要零部件介绍 (5)
2 排气系的设计流程及要求 (10)
2.1 排气系的主要设计流程 (10)
2.2 排气系的设计要求 (12)
2.3相关设计标准 (13)
3 排气系的设计过程 (14)
3.1标杆车及平台化对比分析 (14)
3.2 系统匹配计算及开发方案确认 (17)
3.3系统总成的设计 (17)
3.4拆装性DMU校核 (20)
3.5技术文件的编制 (23)
4 设计问题横展 (23)
4.1周边件间隙问题 (23)
4.2最小离地间隙 (23)
4.3紧固件安装 (24)
4.4排气背压偏大 (24)
5 参考文献 (24)
1排气系概述
1.1 排气系简介
排气系统主要作用是将发动机在运行过程产生的废气转化成对环境相对无污染的气体排放到大气，同时降低排气噪音。
1.2 排气系统的发展方向
随着人们可持续发展观的建立和对环境的关注，各国法规对于汽车排放的要求越来越严格，同时对于噪声降低和废热循环利用也日益关注。
表1 欧盟排放法规发展趋势
注：欧5a排放标准 = 不包括已修订的柴油机微粒、颗粒数量标准和采用生物燃料的灵
活燃料车辆低温排放试验的测量程序；
欧6a 排放标准 = 不包括已修订的柴油机微粒、颗粒数量标准和采用生物燃料的灵活燃料车辆低温排放试验的测量程序；
欧5＋OBD 标准 = 包括宽松的使用性能系数(IUPR)，汽油车NOX 监控和加严的柴油机颗粒极限值；
欧6－OBD 标准 = 宽松的柴油机OBD 极限值，不包括使用性能系数（IUPR）； 欧6－加IUPR OBD = 包括宽松的柴油机OBD 极限值和宽松的使用性能系数(IUPR)。
1.3 排气系构成
排气系的构成主要由三元催化器、消声器、颗粒捕集器（仅对柴油机排气系统）、氧传感器（仅对汽油机排气系统）、排气管、隔热板、排气吊挂、排气尾管装饰罩（可选配）、密封垫圈以及一些紧固件等构成。下面以JZ08和KZ16车型为例，分别介绍汽油机和柴油机排气系构成。
图1 汽油机（JZ08）排气系统
图2 柴油机（KZ16）排气系统
1.4 主要零部件介绍 1.4.1
三元催化器 1.4.1.1三元催化器原理
三元催化器是将发动机燃烧后排出的有害气体转化为无害气体后排向大气
主消声器
的装置。其反应机理为：
HC + CO + NOx
H
2
O + CO
2
+ N
2
1.4.1.2三元催化器构成
三元催化器宏观上由壳体、隔热减震层、载体等组成。
壳体一般用奥氏体耐高温不锈钢制造，其形状和体积根据发动机排量及总布
置要求决定：对于回转体壳体一般采用旋压方式生产，此方式无需焊接，不易漏
气，生产率较高；非回转体壳体一般采用冲压后焊接方式生产。壳体两端一般具
有与排气管路对接的锥体，为使气流在催化载体内平均分布，最大限度的利用催
化体积，壳体有一定的锥度设计要求，便于气流的流动降低气流的压降。壳体表
面一般需要加隔热装置，一方面防止催化器高温对周边零部件形成不利影响，另
一方面防止高温壳体受到路面积水飞溅形成激冷损坏或机械撞击损坏。另外，壳
体要求注明产品型号信息。
减震隔热层一般采用的是复合耐热材料，由膨胀云母（45%-60%）和硅酸铝
陶瓷纤维（30%-45%）用丙烯晴粘接而成。衬层的端面用玻璃纤维加强，以免被
高温排气气流冲坏。此种衬层首次受热后体积明显膨胀（800度膨胀一倍）,冷
却时仅部分收缩，残余膨胀量可达50%，此种特性保证载体在壳体内固定牢靠。
此外，减震隔热层还具有保温隔热，加快起燃速度，减小热辐射的作用。
载体为达到净化尾气的效果，并保持产品的工艺性、可靠性、经济性，要求载体具有以下性质：
1.）微观表面积：载体必须保证多孔性，能够使气体及催化剂迅速的迅速的
扩散;
2.）形状及体积：载体必须使气体能顺利通过，要求有足够的横截面积、长
度和反应时间;
3.）力学性能：能够可靠的承受受封装的预应力和随车的震动；
4.）耐热性：能够有效抵抗发动机排气的高温和变工况的热冲击；
5.）热膨胀:载体在受热后热膨胀要尽可能的小，以减小热膨胀产生的应力
和激冷破碎；
6.）低热容量：载体的热容量要尽可能小，减少热工况 的排放量。
1.4.1.3催化效率与空燃比
催化器对HC和CO的氧化反应在空燃比大于14.5以上达到最佳，而对NOx
的还原反应在空燃比小于14.8时达到最佳，兼顾两方面，三元催化器的综合转
化效率在14.6-14.7的空燃比之间.
1.4.2氧传感器
1.4.
2.1氧传感器作用
氧传感器主要有两个作用：
的含量，以此判断空燃比的情况，并将此
1.）氧传感器用来检测排气中O
2
信号反馈给ECU，形成闭环控制；
2.）通过检测二级三元催化器后的氧的含量，来检测三元催化器的工作正
常性，如三元催化器工作不正常或坏掉，电喷系统点亮OBD故障指示
灯，提醒驾驶员及时维修。
1.4.
2.2氧传感器分类
氧传感器主要也分为两大类：
1.）窄域式氧传感器：氧化锆式和氧化钛式
氧传感器分为氧化锆式和氧化钛式，其机理如下：
氧化锆式氧传感器应用最为广泛。其元件是专用陶瓷（ZrO
）固体电解质，
2
基本原理钯的存在是利用其催化原理加大锆管两侧氧的浓度差，使之产生更大的电动势（锆管输出电动势与温度有关，一般要求400度以上才能正常工作）。氧化锆式氧传感器结构如图：
图3 氧化锆式氧传感器结构示意图
图4 氧化锆式氧传感器作用环境
图5 氧化锆式氧传感器作用原理
氧化钛(TiO2)型则是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。在某个温度以上钛与氧的结合微弱，在氧气极少的情况下就必须放弃氧气，因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。相反的，若氧气较多，则形成高电阻的状态。就像水温度传感器一样，有着电阻高低的变化，这时只要供给一参考电压，即可由电压来可知冷却水的温度。假设计算机供给氧传感器5V的参考电压，当混合比浓时电阻低所得到电压较高(将近5V)，若混合比较稀时电阻高所得到的电压较低(将近0V)，因此由电阻的变化即可得知当时混合比的状况，不过近来的车型为了使氧化钛型氧传感器有着与氧化锆型相同的变化，即将参考电压改成1V，所以其电压即成了0~1V的范围内。另外由于高温下电阻容易产生变化，因此氧化钛型氧传感器会设一温度补偿电路，以反应温度高低所产生误差。
氧化钛式氧传感器属于电阻型氧传感器，其导电性随排气中氧含量的不同而发生变化，并且在理论空燃比附近产生突变。
图5 氧化钛式氧传感器与空燃比的关系
2.）宽域式氧传感器：工作原理同窄域式，指示检测范围比窄域式广，
全温度范围检测，控制更加精确，更好的提高燃油经济性，是未来氧传感器的发展方向。
1.4.3消声器
1.4.3.1消声器功能及原理
消声器是将发动机燃烧后的废气向大气排出过程中能有效降低排气气流噪
声的整体部件。其基本原理是：消耗废气流的能量，并平衡气流压力波动，从而最终降低排气噪声。
图6 消声器结构
1.4.3.2消声器分类
消声器的主要种类分为阻性消声结构、抗性消声结构、阻抗复合消声结构、扩散消声结构。
阻性消声器：利用声阻进行消声。一般是利用多孔吸声材料来制作阻性消声器，当声波通过敷设有吸声材料的管道时，声波将激发多孔吸声材料中众多小孔内空气分子的振动，由于摩擦阻力和粘滞力的作用，使得一部分声能转化为热能耗散掉，从而达到消声目的。大部分的副消音器采用此结构。
抗性消声器：抗性消声器主要是利用声抗的大小来消声的，利用各种不同形状的管道和腔室进行适当的组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。 常用于汽车消声器设计的技术：扩张室式、共振腔、干涉等 。
阻抗复合型消声器：阻性消声器对中、高频噪声的消声效果好，而抗性消声器则适于消除低、中频噪声。将阻性、抗性两种结构的消声器复合起来使用获得宽频带的降噪效果。不同方式的组合，可设计出不同结构形式的阻抗复合消声器。一般情况下，是抗性部分放在前面(入口端)，阻性部分放在后面。大部分主消音器采用此结构。
1.4.4排气尾管
排气尾管泛指经排气系统将气体排放到大气的管路。另外排气尾管的形式影响着排气背压和排气噪音。在一些中高端车型，通常在尾管装配尾管装饰罩，并且做成双排气管或多排气管。其实现形式也有多种：
1.）对于排量较低的车型，通常由尾管分叉成两根尾管或直接由消声器分流成两根尾管；
2.）对于高排量的车型，或汽缸布置采用V型结构的发动机，通常做成
双消声器，再分别根据需要布置尾管。 2排气系的设计流程及要求
2.1排气系的主要设计流程
2.2 排气系的设计要求
排气系统需满足目标市场所需的排放要求，国家标准的噪声要求及发动机所需的背压要求，详细参照2.3所列法规项。
2.2.1 对管路的要求
1.）在任何情况下，排气总管出口处背压不得大于30kPa，为减小排气阻力，排气管路应尽可能直，排气管的内径应不小于发动机排气口内径，如总布置需要管路弯曲时，弯管的曲率半径通常为R80mm；
2.）排气管路的安装应保证不会因其自重、热膨胀及相关的各种运动而使排气岐管承受附加应力；
3.）排气管路与发动机排气口之间的连接，建议采用球面法兰盘弹簧压接连接，来承受出口处的附加应力；
4.）排气出口方向应避开燃油箱；排气口应保证雨、雪或洗车时飞溅的水不能进入排气管和消声器。
2.2.2 排气系统悬挂
1.）应进行排气系统振动模态节点位置和共振频率的计算，以及悬挂系统的模态频率计算；
2.）合理选择悬挂的数量、位置和结构，并对悬挂的刚度与阻尼进行匹配和优化的计算；
3.）排气系统悬挂的设计,需通过NVH性能测试来最终确定。
2.2.3 排气系统的防火注意事项
1.）排气系统都是高温部件和管件，其布置设计与安装对车辆的火灾事故关
系很大，必须有完善的防火措施。
2.）排气系统各管件的连接必须密封牢靠，紧固件要有可靠的防松措施，防止管件和接口泄漏，防止因发动机、支架的振动而引起接口松脱，因排出的高温气体，甚至火焰、火星都容易引起火灾。前排气管与发动机的连接，建议球面法兰盘弹簧压接连接，禁止用弹簧垫片。
3.）为防止排气系统各部件及管路释放的热量返回到发动机舱，造成各种零部件的热变形甚至火灾，应充分考虑设计隔热措施，通常在排气系统周围增加隔热罩以防止其热辐射对周边件的影响。
2.2.4 排气系统与周边零部件的间隔
排气系统是高温的外露零部件，要确保和周边零部件有足够的间隔：
1.）与线束的间隔应大于200 mm；
2.）与发动机悬置橡胶软垫、排气系统悬挂橡胶软垫等的间隔应大于100 mm；
3.）与起动机、发电机等电器设备的间隔应大于200 mm；
4.）与燃油、机油滤清器及其管路的间隔应大于200 mm；
5.）与卧式换挡汽式的换挡拉锁间隙要大于30mm；
6.）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35 mm。
2.2.5 排气后处理装置
为降低排气中有害气体的污染，汽油机和柴油机均装有排气后处理装置，它们布置在排气系统的管路中，柴油机氧化催化转化器的容积是发动机排量的0.9～1.0倍、微粒捕集器的容积为发动机排量的1.4～1.8倍；汽油机三效催化转化器的容积为发动机排量的0.5～0.8倍。
2.2.6 排气管、最小离地间隙与催化器的保护
一般，在整车布置中的最小离地间隙出现在排气管的位置，参照标杆车，最小离地间隙在满载的时候大于总布置要求值，当催化器、消声器等零部件与最小离地间隙接近的时候，通常在其前面焊接一块保护板。
2.3相关设计标准
QC/T 631-2009 汽车排气消声器总成技术条件和试验方法
GB/T 18377-2001 汽油车用催化转化器的技术要求和试验方法
QTJI DP.03.146—2010 排气系统设计标准
3排气系的设计过程
以JZ08为例简介设计过程
3.1标杆车及平台化对比分析
3.1.1设计输入
根据《新车设计开发项目协议书-JZ08车型设计开发》，按照双方确认的设计依据和要求，标杆车选用本田思域，发动机选用GW4G15汽油机。设计需要输入的参数及与标杆车参数对比如下：
车型 JZ08 本田CIVIC
发动机型号 GW4G15 R18A1
总排量（ml） 1497 1.799
最大功率（kW/r/min） 77/6000 103/6300
最大扭矩（Nm/r/min） 138/4200 174/4300
气缸数 4 4
冲程数 4 4
表2 JZ08与标杆车动力总成参数对比
3.1.2设计构想
3.1.2.1标杆车及平台化概况
JZ08车型发动机采用GW4G15总成及零部件，排放要求达到欧Ⅳ水平，参照以往成熟车型，炫丽S16排气系统符合借用条件。为了节约成本，充分考虑零部件的平台化，现对排气系统借用S16三元催化器、主副消声器可行性情况进行分析。
表3 JZ08与标杆车及长城公司成熟产品排气数据对比
3.1.2.2平台化分析
1.三元催化器外型及尺寸分析：JZ08标杆车采用一级三元催化，催化器由发动机带。S16采用两极三元催化，除发动机带外，另有一三元催化器可布置在标杆车中排气管处，如下图与标杆车点云的安装位置。通过尺寸测量，三元催化器至隔热板距离符合总布置间隙要求。（注：蓝色为标杆车点云状态，黄色为S16布置状态，下同）
图 7 S16催化器与本田CIVIC点云对比1
图8 S16催化器与本田CIVIC点云对比2
2.副消声器外型及尺寸分析：如下图，S16副消声器直径120mm小于标杆车副消声器直径146mm，其到隔热板间隙符合要求，长度方向亦无干涉，副消声器符合借用条件。
图9 S16副消与本田CIVIC点云对比
3.主消声器外型及尺寸分析： 如下图，S16主消声器椭圆直径210mmx166mm 小于标杆车主消声器椭圆直径240mmx170mm，其与隔热板及周边零件尺寸无干涉，符合借用要求
图10 S16副消与本田CIVIC点云对比
3.1.2.3分析结论
经分析，S16三元催化器，主副消声器主体部分均满足设计要求。因此JZ08排气系统的开发方案为：增加后三元催化器，采用S16三元催化器、主副消声器主体部分，排气管路走向、排气吊挂位置、方式参考标杆车，修改吊挂与借用主
体部分之间连接结构，达到设计要求。
3.2 系统匹配计算及开发方案确认
根据《发动机排气系统设计计算报告》，对消声器进行匹配计算，得出：
车型 JZ08
消声器总容积(L) 14.8
前消声器容积(L) /长(mm) 4.3/475
后消声器容积(L) /长(mm) 10.5/403
前消声器扩张比 6.42
后消声器扩张比 18.2
表4 计算结果
根据计算，本车所采用消声器的容积总数大于发动机排量的9倍，接近一般推荐数值10，这有利于提高插入损失，降低功率损失。后消声器扩张比为18.2，大于一般推荐数值（12 ～15），有利消声效果。
根据计算参数，确认二次开发件清单及开发方式
根据计算参数及制作的初步数模，完善性能描述书，与供应商进行交流。
3.3系统总成的设计
3.3.1三元催化器
1.）三元催化器是一个“法规件”，其设计之初，首先确认本车销售范围，据此来确认排气应符合的法规。
2.）其位置选取参照标杆车，根据总布置要求进行布置。三元催化器的容积可根据本公司现有产品考虑平台化，对于JZ08，根据动力总成排量，一级三元催化器由动力总成附带，二级三元催化器平台S16，其位置参考标杆车走向及S16位置布置到前地板中通道前排气管上。
3.）设计时应该注意，一级催化器和二级催化器之间距离应小于500mm。
3.3.2消声器
1.）根据计算报告计算结果，对主副消声器的容积进行分配，根据公司现有产品，考虑是否可以平台化，对于JZ08根据发动机排量，平台借用Y16主副消声器。
2.）消声器在设计时，由于发动机排气经过三元催化器的反应会产生水蒸气，在车辆熄火后冷却下来会产生水滴，对消声器产生锈蚀，可在消声器最低点加滴水孔。此问题还可和供应商进行交流，比较先进的供应商现在有这样一种解决方案：
图11 消声器内部吸水方案
3.3.3悬挂的设计
3.3.3.1吊挂点的选取
排气系统悬挂系统对于整车NVH影响很大，设计时应参照本作业指导书中2.2.2中对悬挂点设计的要求，设计过程为：
1.）基本吊挂点可以参照标杆车位置逆向选取
2.）由于增加了后三元催化器，考虑到催化器等重量件周围需有吊挂支撑的情况，在前排气管位置增加一吊挂点，吊挂形式根据前期车型选取两个双孔吊挂成角度悬挂方式，经分析满足设计要求，结果如下；
图10 振型示意图WITH MASS 图11 节点位置示意图WITH MASS
3.）吊挂点的位置，需通过NVH 性能测试来最终确定。 3.3.3.2吊挂橡胶块的选取
在吊挂的布置上，我们参考标杆车的布置方式，根据在发动机端输入激震，而在后保险杠处震动较小的震动趋势。在前排气管中段及副消声器前部，参照S08车型，用两个成度角布置双孔吊挂，限制左右方向的摆动，在主消声器后和副消声器后部，采用三孔吊挂。
图12 双孔吊挂 图13 三孔吊挂
3.3.4排气管设计
初始设计逆向标杆车走向，在标杆车基础上，根据周边件的间隙对走向进行调整， 具体参照本作业指导书中对2.2.1中对排气管的要求，对管路进行设计。值得指出的是：排气管在选取管径时应与供应商进行交流选择供应商常用的的管径，参照消声器的截面积对插入损伤比的要求进行设计，设计弯管半径一般为R80.
3.3.5 隔热板设计
1.）隔热板的设计一般采用逆向设计，根据硬点位置进行修改，在设计时，应注意：催化器、消声器等距离周边件较近的位置，应满足整车间隙要求中对排气管周边件间隙的要求；
2．）隔热板通常为厚度0.5-1mm的铝箔，应适当增加其上加强筋的数量，增加隔热板的强度。
3.3.6紧固件选取
1.）排气系统标准件由于震动对强度的要求，通常处于车前部和后部的标准件选取带弹簧的紧固件对排气管进行挠性连接，这样既减轻了排气管由于吊挂在运动过程中的对于本身焊点强度的要求，同时有效消除排气管的震动对发动机排气歧管的扭矩，处于整车中部位置的标准件采用刚性连接。
2. 排气系统标准件由于其高温及工作环境的要求，其表面处理方式采用达克罗且耐高温处理。
3.4拆装性DMU校核
3.4.1“前排气管带三元催化器总成”装配可行性分析
a) 紧固件：1203015-V08 螺栓(M10×1.25)
b) 数量：共2个
c) 选用工具：手动定扭矩扳手+长接杆
d) 工具外形数据：S＝13、套筒外径d＝19、套筒长度L＝40
图14 “前排气管带三元催化器总成”安装示意