张金全　焦延　梅行勇

摘 要：通过对重型柴油商用车排气系统散热原理介绍，结合金属、非金属材料及空气散热系数的对比，对新型的双层保温排气管从结构上和工艺上进行了分析，并对保温性能进行了CFD仿真分析，为整车应用做好技术储备并达到提高后处理系统保温性能的目的。关键词：散热原理;双层保温排气管;保温性能中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）08-111-03

Abstract： Through the heavy duty diesel commercial vehicles exhaust system cooling principle is introduced， combined with metal， non-metallic materials and air contrast coefficient of heat transfer， the new type of double insulation pipe are analyzed from the structure and process， the CFD simulation is carried out and the heat preservation performance analysis， for the vehicle application technical reserces and reach the purpose of improving heat preservation performance exhaust system.Keywords： The cooling principle; Double insulated exhaust pipe; Heat preservation performanceCLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）08-111-03

1 概述

随着我国重型柴油商用车排放水平的逐步升级，目前已实施的国六排放标准作为全世界最严苛的排放法规，对柴油机尾气排放后处理系统的保温性能要求越来越高，对后处理系统管路沿程的温度损失要求越来越低，进一步降低发动机增压器出气口到尾气后处理器进气口的温度损失，以提升后处理器内部的反应温度，成为当前时期研究是重要课题之一。

2 重型商用车排气系统保温原因分析

第一，随着排放法规升级，对NOX污染物限值的进一步加严，对于采用选择性催化还原（SCR）技术路线的后处理系统来讲，必然要求SCR反应效率的提升，SCR系统内部的还原反应是在一定的温度及催化剂条件下进行，内部温度越适宜，反应越充分，尾气处理效率越高，污染物排放值越低;

第二，后處理系统内部DPF再生的要求，内部温度越高，其被动再生效率越高，越不容易积累碳烟，主动再生周期越长，对车辆燃油消耗量越低，其经济性更好;

第三，随着后处理系统内部温度的提高，对车辆周边件的影响越来越严重，有数据显示，后处理器内部温度最高可达到900℃以上，这对车辆后处理系统周边件是极其严峻的考验，所以对后处理系统的隔热保温性能提出了更高的要求。

综合以上原因分析，为了满足更加严苛的排放标准，最大限度降低车辆污染物排放量，降低后处理系统热量损失，提高后处理系统保温性能是一项势在必行的工作。

3 重型柴油商用车排气系统散热原理[1]

分析重型商用柴油车排气系统热量传递和散失原理，对于设计新结构排气系统，提高排气系统保温能力，最大限度发挥后处理器性能，有着至关重要的作用。

排气系统内部高温气流热量传递过程是能量转移的过程，就是物体所具有的热能从高到低的转移过程，而热传递的主要方式有三种：热传导、热对流和热辐射。以下是对三种热传递方式的介绍：

（1）热传导

热传导的指物体各部分没有相对的移动时，仅仅由其内部的微观粒子的相

互运动来传递热量，利用傅里叶定律能够对热传导过程进行描述，其规律如下：

式中q表示热流密度，λ单位为W/m2;表示导热系数，单位为W/（m·K）;“-”号表示热量流向温度降低的方向。

（2）热对流

流体各部分之间因为自身的流动引起的相对位移，冷、热流体之间热量的

传递的过程称为热对流。通常情况下，热对流可以分为自然对流和强制对流两种。利用牛顿冷却公式可以计算对流换热的换热量，计算公式如下：

式中h表示对流换热系数;?T表示壁面和流体的温度差。其中，流体的物理性质、对流换热表面的形状、面积的大小，流体的速度等在对流换热过程中都会对对流换热系数产生较大的影响。

（3）热辐射

任何物体都会对外辐射电磁波，电磁波被物体吸收并转化为热能的过程称

为热辐射，热辐射与物体的温度有很大关系，温度越高，平均辐射的热能也就越高。与热传导和热对流不同，热辐射在其传热过程中不需要任何中间介质，所以在真空环境下热辐射的效率最高。可以用斯忒藩-玻尔兹曼公式来描述热辐射的每个物体之间的净热量传递，计算公式如下：

式中，ε表示辐射率（黑度）;σ表示斯忒藩-玻尔兹曼常数;A1表示辐射面1的面积;F12表示辐射面1到辐射面2的形状系数;T1表示辐射面1的绝对温度，T2表示辐射面2的绝对温度。

在尾气排出过程中，三种热量传递方式都会出现，普通单层排气管散热方式主要为热对流和热传导，热对流是发生在排气流与排气管内壁之间的热量传导;热传导发生在排气管管体内外壁之间，由于金属是最好的导热体，碳钢排气管导热系数46.4W/（m·K），因此通过导热途径散失的热量很大;金属管的导热系数大，散热的速度较快，如果采用导热系数小的材料，对排气管的保温性能会有改善，但导热系数小的材料在力学性能及可靠性上远不如金属材料。因此，对于高排放标准的排气系统，通常采用内层金属管加外层包裹导热系数较小的非金属材料包裹层来满足排气系统对性能和可靠性方面的要求。

4 重型柴油商用车排气管非金属包裹材料

目前，国内各主机厂重型商用车上国Ⅴ、京Ⅴ阶段排放标准常用的保温排气管主要以非金属保温材料为保温层、采用金属外层包裹，其中常用保温材料主要有陶瓷纤维、纳米纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，外部金属包裹层固定方法主要有铆钉铆接、钢带缠绕等方式。

非金属包裹材料虽具有一定的保温效果，也可大幅度降低排气管表面温度，但存在排气管管径增加影响整车布置、保温效果不佳、生产制造效率低、美观性差、加工成本高及对人体有害等问题。非金属保温材料虽具有一定的局限性，但是综合考虑成本及使用性能，仍为目前市场的主流选择，常见的非金属保温材料如下图1-图4所示：

5 重型柴油商用车双层保温排气管

5.1 双层保温排气管结构

一般而言，金属、非金属、空气的导热系数依次降低，如果采用空气层隔绝车辆尾气与外部环境的接触，对排气管的保温性能会有很大的提升，因此就产生了双层金属保温排气管。该种排气管采用内高压液压模具一次成型，分内外两层，内层为厚度约1mm的304不锈钢，外层为厚度约0.8mm的304不锈钢，内外层中间为3mm-5mm的空气层，排气管两端采用不锈钢接管与管体进行焊接，结构如图5，具有以下特点：

（1）外形美观，管体无焊缝;

（2）结构紧凑，排气管径较小;

（3）模具高压一次成型，生产制造误差小，生产效率高，可靠性好;

（4）保温性能良好，提高DPF被动再生效率及NOX转化效率;

（5）延长DPF主动再生周期，降低油耗，提高车辆运营效率，降低用户运营成本。

5.2 双层保温排气管工艺

工艺方面，一次冲压成型工艺，避免了焊接处因周期性振动而产生的疲劳开裂问题，排气管设计过程中不再受固定折弯半径的限制，折弯过程中排气管折弯内外处材料全部参与变径，能大大降低排气管折弯处某一点的应力集中，管体局部减薄率更小（≤20%）;同时闭环一次成型，能更好的适应整车布置要求;制造精度高，抗弯模量大，不易变形，能有效降低对挠性软管挠度的依赖，降低对相邻部件的影响程度，进一步减小制造误差，对降低挠性软管故障率，提高周边件寿命有一定贡献[2]。

内外层不锈钢管，外层管表面设计加强筋，与内层管外表面形成沿管轴线的密闭环形或其它异形空间，在利用支架约束的位置采用抱箍式设计，支架与管体接触部位，双层管紧密贴合以保证强度，管外层形成凹筋以提高总成强度;同时，相比传统排气管可降低20%-40%的重量，大幅降低整车自重，有利于进一步提升整车经济性和动力性。

性能方面，改善流场降噪，变截面和曲面结构适应流场需求，完全避免了排气管管体存在焊缝的可能，优化了流场特性，同时双层中空结构可降低气流对排气管冲击产生的噪音。

5.3 保温性能仿真分析

根據某重型商用车搭载大马力发动机车型排气管的管径及结构等参数，分别计算分析了同一款车型匹配两种不同结构排气管的的保温效果，计算参数如上表1。

排气管三维模型结构如下图6、7所示，CFD分析温度采集面如下图8所示：

温度计算结果如下表2、表3：

通过仿真分析，在-7℃条件下双层保温排气管相比包裹排气管温降减小8.1%;在38℃条件下双层保温排气管相比包裹排气管温降减小12.3%，由此可知，环境温度越高，双层保温排气管保温性能越好，从而能够有效提高后处理器内部化学反应温度，进而达到充分反应的目的。

6 结论

本文从排气系统热传递原理切入，逐步分析了排气气流在排气管中热量散失的原理，散热方式，并从导热性能方面定性的分析了金属、非金属材料及空气导热系数的差异，进而提出了双层中空保温排气管的结构原理、成型工艺及其保温性能，通过分析可知，双层保温排气管相对传统普通排气管温降平均减小10%左右，这大大提升了后处理器内部反应温度，有效降低了排放风险，为排放达标提供了更有利的条件。下一步工作将继续围绕双层保温排气管的保温性能试验、技术推广、整车应用开展研究，为该技术批量应用做好技术储备。

参考文献

[1] 吕秀斌.车用涡轮增压器表面温度场分析与防爆改造[D].太原：太原理工大学，2013.

[2] 崔立迪.SCR系统关键制造技术研究及结构件的优化[D].济南：济南大学，2016.