LNG载货汽车排气系统设计与作用

排气系统分为发动机排气部件和整车排气部件两大部分。

1.发动机排气部件

把发动机气缸内燃烧废气排出的零部件集合体，称为发动机排气部件，如图3-45所示。发动机排气系统设计质量的优劣，直接关系到发动机排气背压大小、排气温度高低，直至影响到汽车的动力性、舒适性和安全性能。

发动机在排气行程时，排气门打开，废气经过气缸盖排气道时的温度高达650～700℃。发动机燃烧后的高温废气通过排气管进入涡轮增压器，高温废气推动涡轮增压器涡轮高速旋转后从涡轮出气口排出，再经过排气制动阀体、排气管、三元催化转化器和消声器消声后排入大气。

图3-45 发动机排气部件结构分解

1—前隔热罩、后隔热罩 2—小垫圈 3—螺栓组 4—排气管垫片 5—排气管紧固螺栓 6—前排气歧管 7—排气管密封环 8—后排气歧管 9—止推垫圈 10—排气管紧固螺栓 11—进油管 12—管接头螺母 13—卡套 14—内六角圆柱头螺钉 15—自锁垫圈 16—进油管法兰 17—进油管垫片 18—涡轮增压器 19—双头螺柱 20—Ⅱ型双金属锁紧螺母 21—隔热罩 22—支架 23—增压器垫片 24—回油管法兰垫片 25—六角头螺栓 26—回油管螺栓 27—回油管 28—软管卡箍 29—增压器回油软管

2.整车排气部件

整车的排气部件是排放和降噪的重要总成零部件，它主要由排气管、三元催化转化器、消声器和排气尾管等零部件组成，如图3-46所示。主要功能是把发动机在燃烧过程中产生的高温废气从多个气缸内收集、清洁（经三元催化转化器）、消声，然后引到车后排m。

(1)排气系统的作用

1)将各缸排放废气集中通过排气管排出。

2)排气系统上装有消声装置，可以降低发动机噪声。

3)LNG载货汽车排气系统上装有三元催化转化器装置，柴油发动机排气系统上装有尿素喷射泵、尿素箱、三元催化转化器等。

（2）排气管 LNG载货汽车排气管看似只是简单的管道，其实设计时不仅要考虑到特定的底盘布置，而且排气系统的长度、管径大小、消声器容积（流量）的大小，都与排气气体的流动背压（压力）相关，且须防止相邻气缸排气时气流的互相干涉。在电喷发动机上，氧传感器就装在排气总管上，它感应排气中氧分子含量并反馈至电控单元（ECU），从而决定进入发动机内的混合气比例。

图3-46 整车排气部件

1—排气管Ⅰ 2—双头螺柱 3—六角螺母 4—波纹软管 5—排气管吊架Ⅰ 6—六角头螺栓、六角螺母 7—排气管Ⅱ 8—排气管吊架Ⅱ 9—连接法兰Ⅰ 10—催化器 11—催化器吊架 12—连接法兰Ⅱ 13—消声器 14—消声器吊架 15—排气尾管

设计排气管时，要求排气管的走向合理、排气管尽量短、排气管的折弯半径尽可能大（排气管中心线弯曲半径不得小于1.5D，D为排气管直径）。排气管支架、吊架应保证足够的刚度，在排气管支架或者吊架上应设置有减振橡胶软垫，以消除、缓解汽车行驶中传给排气管的振动，避免在汽车行驶中产生共振。

汽车的排气歧管一般由电焊钢管制成，由于国Ⅳ汽车排气管需要焊装尿素喷嘴，要求排气管耐腐蚀，装置尿素喷嘴的排气管必须采用不锈钢管制成。

(3)消声器 元催化转化器端部与消声器相连。消声器按截面分为矩形消声器、梯形消声器、圆桶形消声器，图3-47为圆形消声器，图3-48为矩形消声器。消声器采用优质薄钢板经冲压焊接而成，装在汽车排气系统的中部或者后部位置上。它内部有一系列隔板、腔室、孔洞和管道，利用声波反射互相干扰抵消的原理，使排气中的声能逐渐衰弱，用以隔离和衰减排气门每次打开时产生的脉动压力。

排气门开启时高速冲出的废气所产生的脉动压力是产生噪声的根源，义称为气流噪声，噪声高达120DB以上。载货汽车常用的消声器是利用声波叠加干涉原理制作而成的部件，它对发动机喷出来的气体进行分流，废气流通过消声器内部时压力、冲击力减小，以减轻它对空气的振动。

消声器虽然能降低噪声，但会损耗发动机部分功率，因为即使设计完善的消声器也会在系统中产生一些背压，从而会降低发动机容积功率，而且由于排气阻力增加、排气不畅，会增高发动机的排气温度。

(4)三元催化转化器 排气总管连接三元催化转化器（简称催化器），催化器如图3-49所示。三元催化转化器的关键在于“催化”，也就是利用催化剂对汽车的废气进行净化，将发动机燃烧废气中的有害物质转化为无害物质。

图3-47 圆形消声器

图3-48 矩形消声器

催化器有安装方向要求。在催化器外表面上标注有安装箭头标记，安装时从排气管（汽车排气管）端顺序向后按箭头方向安装，如图3-46所示。

1)催化器工作原理。排放的尾气通过蜂窝陶瓷催化剂，催化剂的活性组分主要是稀土金属氧化物、贵金属和过渡金属，在200～300℃以上温度条件下，能充分进行催化反应，将尾气中的有害成分CO、HC、NO_x等转化成无害的水、二氧化碳和氮气。

图3-49 催化器外形

柴油发动机设置有尿素喷射泵、尿素箱。LNG发动机燃烧中的有害物不需要再喷人尿素进行化学还原反应处理。

催化器有氧化型、双床型、三元型等多种形式，其中载货汽车常用的是三元型催化转化器。壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式通道上涂有催化剂，催化剂的成分有铂、钯和铑等贵金属。当汽车废气通过催化器的通道时，一氧化碳和碳氢化合物就会在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生反应生成无害的水和二氧化碳，而氮氧化物则在催化剂铑的作用下被还原为无害的氧和氮。

三元催化转化器的净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质，是国Ⅲ、国Ⅳ载货汽车上的一种标准装置。

LNG载货汽车催化器一般由两部分组成，即蜂窝陶瓷催化剂和金属外壳。

2)催化器排气背压。由于LNG载货汽车加装了催化器，使得排气背压有所增加，排气阻力增大。表3-3是LNG载货汽车加装了三元催化转化器与未加装三元催化转化器排气背压的变化情况对比。从表3-3中可看出，加装了催化器后，排气背压比不加装催化器增大了4.74～5kPa。

表3-3 加装催化器与未加装三元催化器排气背压变化情况(www.xing528.com)

(5)排气尾管与消声器连接的最后一段是排气尾管，它是排气系统中最后一段排气管，直接将废气引出车外。排气尾管除了起到增压以及扰流作用外，还可以在一定程度上使排气声音变得略微柔和悦耳，并减少噪声。

为了避免排气管排出的高温废气排向路边的行人或者排向路边的易燃、易爆物，要求排气尾管的安装方向，不得朝向右边方向。通常载货汽车排气尾管的安装方向与汽车行驶方向相反并朝向地面，如图3-50所示，图中箭头为汽车前进方向。

图3-50 排气尾管朝向

(6)排气制动阀排气制动阀作为汽车的辅助制动装置，在重载下长坡时效果尤其明显。排气制动阀外形如图3-51所示。

排气制动阀的功能主要有：

1)制动的效能：也就是短距离内制动的能力。

2)制动的稳定性：也就是汽车在制动过程中方向控制的能力。汽车在制动过程中会不会侧滑或者跑偏取决于制动的稳定性。

3)热衰退性：也可以称为制动效能的恒定性。

对于重型载货汽车来说，下长距离坡路时由于重载，汽车的惯性力非常大，因此，长距离坡路巾很容易出现制动失灵。出现制动失灵的主要原因就是制动器的热衰退性不能满足制动要求。

为了提高制动的效能，在重型载货汽车上常采用可变气门排气制动（VVEB），也就是依靠发动机本身产生制动力来阻止汽车下滑。VVEB压力高，制动效果明显，不需要其他介质。

载货汽车排气制动装置由排气制动按钮阀、废气工作缸、排气制动阀和停油气缸组成。排气制动操纵方便，简单有效。在冰雪及较滑的泥水路面行驶时，使用排气制动，可以减少侧滑。在下长坡时，使用排气制动可以减少行车制动的次数，降低制动鼓的温升，提高制动的可靠性。使用排气制动时，可减少发动机油料的供给以至断油，能节省燃料。

图3-51 排气制动阀

VVEB工作时，排气制动阀关闭，排气管背压升高，VVEB驱动活塞下移，同时驱动已落座排气门下移，使排气门开启从而产生制动力，直到驾驶人再次踩下加速踏板或离合器踏板。一旦因为加速或者离合器分离，驱动活塞回位，排气门复位，排气制动阀同时打开，发动机正常做功为汽车提供动力。

图3-52所示为VVEB活塞未打开，发动机排气门未打开，整车排气制动阀开启，此时排气制动通道呈开启状态。

图3-53所示为VVEB活塞已打开，发动机排气门打开，气缸里的高压缩气体流入排气通道，致使整车排气制动阀关闭，此时排气制动通道呈关闭状态。

图3-52 VVEB未打开

图3-53 VVEB打开

金华青年汽车制造有限公司生产的LNG重型载货汽车排气制动，就是采用关闭发动机排气通道的办法，使发动机活塞在排气行程时受到气体的反压力，阻止发动机的运转而产生制动作用，从而达到控制车速的目的。驾驶人使用排气制动时，打开驾驶室仪表控制台上的排气制动按钮阀，VVEB的活塞下行，压缩空气进入废气工作缸。废气工作缸活塞受压缩空气的压力移动，压缩顶杆，顶杆推动发动机排气门下行，气缸内的压缩气体推动排气制动阀关闭，阀转动将排气管堵死。同时使燃气停止供应。由于排气管堵死，发动机停止排气，燃料供应中断，排气管中的压力升至0.3～0.4MPa。发动机活塞在T作中的排气行程必须克服此压力，因而大大增加了发动机制动的功率。故当采用排气制动时，发动机活塞在发动机排气行程时，活塞受气体的反压力，经过曲轴和传动系统传至车轮，增加了车轮的转动阻力，降低了车速。

当排气歧管内压力达到一定的值后，会克服气门弹簧的阻力，打开排气门，压缩空气进入气缸，由进气管排出，以保证排气歧管内的压力不会继续升高。此时发动机会发出一种较特殊的声音，此声音对发动机无害。有的驾驶人认为采用排气制动对发动机有害，这种看法是不正确的。

在采用排气制动时，由于停止了燃气的供给，发动机实质上变为一台空压机，消耗能量以控制车速。虽然发动机燃气的供给停止，但发动机润滑、冷却系统却还在正常工作，只是由输出能量变为消耗能量。操作时，应注意排气制动装置各部件的完好，如果有损坏，应及时修理或更换。

在下长距离大坡路或下山行驶中，若汽车配置12档变速器，则下坡时变速器应选用合适的档位，一般选用5档或者6档，这样可以防止发动机转速过高出现发动机损坏。使用排气制动时，不能挂空档，也不允许分离离合器，否则排气制动无效，而且还会出现行车事故。

VVEB工作时发动机全部四个循环过程中保持排气门打开。在膨胀行程，因排气门开启释放缸内高压气体，缸内压缩空气驱动活塞下行，故在膨胀行程时发动机做负功，将车辆的滚动动量转化为制动功率。

使用VVEB的优势：

1)可提高发动机使用寿命：与传统单独使用排气制动或其他形式制动器不同，VVEB工作时不会出现因排气背压升高，而导致排气门反跳损坏发动机的现象。

2)能大幅降低整车制动系统磨损，减少因制动造成轮胎损坏的现象。

3)可大幅减少制动使用次数，减少主摩擦制动系统的磨损，提高其使用寿命，延长维修更换制动片的时间周期3倍左右，从而降低汽车运行成本。

4)可提高汽车下坡行驶速度而提高运输效率。

5)将传统制动减速过程中的车胎与地面的滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了车胎的磨损。

6)提高整车制动力55%，不用频频踩制动踏板减速，不需要用附加水箱给制动毂降温，提高了驾驶舒适性。

7)VVEB低速制动功率大，可减少下坡换档频次，提高驾驶舒适性。

8)不用担心下长坡时因长时间踩制动踏板而导致制动失灵。