汽车排气系统(CFD)背压分析规范
车辆排气系统设计规范
车辆排气系统设计规范车辆排气系统设计规范1、目的随着环保法规对车辆排放的要求越来越高，排气系统在车辆的系统组成和系统设计中，越来越占有重要的地位。
为使排气系统满足各阶段国家及地方法规的要求，提高对排气系统的设计和制造质量水平，需对车辆的排气系统的设计提出较规范的要求，以便在设计和制造过程中，参照执行。
2、设计规范2.1 排气系统及消声器的设计输入2.1.1 车辆产品的排气系统的配置和走向，依所配车辆的总体结构布置的需要来设计。
而消声器的性能开发则需要依所配发动机及其对排气系统的具体要求。
在初步设计选型时，应将发动机的有关性能参数及其上的关键件的基准要素等（如曲轴箱后端面与曲轴主轴线的交点坐标、动力线偏移量及倾角等），作为设计条件输入设计，作为消声器选型及性能开发的依据之一。
并根据国家、地方及企业有关法规和标准的要求，对系统和消声器的性能设计目标提出要求，见附录1。
2.1.2 排气系统及其消声器在进行初步选型设计时，必须对系统进行结构方案分析和匹配计算分析，并提供选型设计分析报告，见附录2。
2.2 设计原则2.2.1 排气系统及其消声器的设计，应使排气阻力尽可能的小，以使其对发动机的功率损失尽可能小。
2.2.2 排气系统及其消声器要有较好的音质和较低的音强，即应有较大的插入损失。
2.2.3 排气系统及其消声器要有较好的外观和内在质量及较长的使用寿命。
2.3 排气系统的设计要求和布置2.3.1 排气管内径的确定在结构布置允许的情况下，排气管内径应尽可能大些，以降低管道内得气流速度，减少气流阻力产生的功率损失和再生噪声。
一般应≥发动机排气歧管出口内径。
或根据发动机排量等参数，按公式(1) 计算初步确定排气管内径。
D=2 √Q/(πV) (1)式中：Q—发动机排量；V—气流速度，一般取50~60 m/s 。
2.3.2 排气管的布置和转弯，应使排气尽可能顺畅。
管的中心转弯半径一般应≥（1.5~2）D，其折弯成型角应大于90º，以大于120º为宜。
车辆排气系统设计规范
车辆排气系统设计规范车辆排气系统设计规范1、目的随着环保法规对车辆排放的要求越来越高，排气系统在车辆的系统组成和系统设计中，越来越占有重要的地位。
为使排气系统满足各阶段国家及地方法规的要求，提高对排气系统的设计和制造质量水平，需对车辆的排气系统的设计提出较规范的要求，以便在设计和制造过程中，参照执行。
2、设计规范2.1 排气系统及消声器的设计输入2.1.1 车辆产品的排气系统的配置和走向，依所配车辆的总体结构布置的需要来设计。
而消声器的性能开发则需要依所配发动机及其对排气系统的具体要求。
在初步设计选型时，应将发动机的有关性能参数及其上的关键件的基准要素等（如曲轴箱后端面与曲轴主轴线的交点坐标、动力线偏移量及倾角等），作为设计条件输入设计，作为消声器选型及性能开发的依据之一。
并根据国家、地方及企业有关法规和标准的要求，对系统和消声器的性能设计目标提出要求，见附录1。
2.1.2 排气系统及其消声器在进行初步选型设计时，必须对系统进行结构方案分析和匹配计算分析，并提供选型设计分析报告，见附录2。
2.2 设计原则2.2.1 排气系统及其消声器的设计，应使排气阻力尽可能的小，以使其对发动机的功率损失尽可能小。
2.2.2 排气系统及其消声器要有较好的音质和较低的音强，即应有较大的插入损失。
2.2.3 排气系统及其消声器要有较好的外观和内在质量及较长的使用寿命。
2.3 排气系统的设计要求和布置2.3.1 排气管内径的确定在结构布置允许的情况下，排气管内径应尽可能大些，以降低管道内得气流速度，减少气流阻力产生的功率损失和再生噪声。
一般应≥发动机排气歧管出口内径。
或根据发动机排量等参数，按公式(1) 计算初步确定排气管内径。
D=2 √Q/(πV) (1)式中：Q—发动机排量；V—气流速度，一般取50~60 m/s 。
2.3.2 排气管的布置和转弯，应使排气尽可能顺畅。
管的中心转弯半径一般应≥（1.5~2）D，其折弯成型角应大于90º，以大于120º为宜。
基于STAR-CCM+的汽车排气系统分析及优化
基于STAR-CCM+的汽车排气系统分析及优化作者：文／王春海来源：《时代汽车》 2018年第10期摘要：本文利用STAR-CCM+三维流体分析软件对某款柴油机的排气系统进行了模拟分析，重点考察了排气系统背压及催化转化器载体前端和颗粒捕集器载体前端的气流分布是否均匀，提出了优化建议并获得了良好的优化效果。
关键词：排气系统；CFD；压力损失；均匀性系数1引言汽车排气系统总成是汽车的关键零部件，其空气动力性的好坏直接影响到排放、噪声，并且对车辆的动力性、油耗也有比较大的影响[1]。
通过数值模拟，从理论上分析排气系统的各种性能，能够很缩短开发周期，提高开发效率，降低试验费用。
本文以某柴油机为例，借助CFD分析流体软件STAR-CCM+对排气系统进行稳态流场分析，并根据流场的压强、速度矢量图分析了其结构对排气有效性的影响，最后简单地提出了优化方法。
2理论基础排气系统的CFD分析基于质量、动能、能量守恒的3个基本传递方程。
对于处于湍流模式下的不可压缩性流体采用标准k一ε两方程模型。
标准k-ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能k和扩散率ε。
k方程是个精确方程，ε方程是个由经验公式导出的方程[2]。
湍流动能k输运方程：3.3原始模型计算结果及分析经结算得出，排气系统的背压为50.3KPa，压力分布及前消声器速度矢量分布，如图2、图3所示。
从图3中可以看出，当气流在流动截面突然变化时（从管流向腔或从腔流入管），速度急剧减小或增大，涡流现象严重，从而增大压损。
经计算得出，DOC载体前端的均匀性系数为0.850，DPF载体前端的均匀性系数为0.881。
DPF截面速度矢量分布如图4所示。
从图中看出，由于DPF入口前的弯管的导向作用，在气流进入DPF端盖后，有向下运动的趋势，造成DPF载体前端的气流分布不均。
3.4优化模型计算结果及分析鉴于以上对DPF速度场的分析，发现DPF由于入口前弯管的影响和入口处于端盖中心的布局，使得DPF载体的气流均匀性不佳，有优化空间。
某乘用车三元催化器CFD仿真分析研究
某乘用车三元催化器CFD仿真分析研究全旺贤; 苏秀花; 牛贝贝【期刊名称】《《装备制造技术》》【年(卷),期】2019(000)009【总页数】6页(P55-59,79)【关键词】三元催化器; CFD; 仿真分析; 背压【作者】全旺贤; 苏秀花; 牛贝贝【作者单位】柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州 545007【正文语种】中文【中图分类】U4640 引言三元催化器是汽车排气系统的重要组成部分，三元催化器内气体流动热力学与气体动力学过程十分复杂，包括了非定常、黏性、湍流、传热、传质等各种流动现象和流动特征[1]。
利用传统的试验设计方法不容易实现，而且存在试验开发成本高、试验开发周期长以及数值误差大等不足。
通过进行CFD数值仿真，可以查看流体在结构内流动情况，进而优化设计，缩短设计周期，减少试验次数，降低设计成本等[2-4]。
本文主要通过利用HyperMesh软件进行三元催化器模型的简化以及网格划分，利用Fluent软件建立其CFD数值仿真模型，为汽车三元催化器的设计和开发提供新的思路和方向。
1 三元催化器CFD仿真分析1.1 网格划分利用HyperMesh软件对三元催化器内部结构按照实际结构进行构建，外部结构在不影响计算结果的情况下进行了适当的简化。
为了保证计算精度，采用混合网格进行划分，催化器载体采用结构化的五面体网格，其余结构采用非结构化的四面体网格，并且划分三层边界层。
如图1所示，网格的大小应在保证计算结果收敛以及精度的前提下确定，经过多次划分，最终网格总数为380 550个。
图1 三元催化器网格生成图1.2 模型假设为了提高三元催化器进行数值计算分析效率，找到三元催化器背压产生的主要原因，需要对三元催化器模型进行简化，根据模型特点，利用以下四点假设进行模型简化：（1）假定排气系统中的气流为不可压缩、稳态。
（2）催化转化器中的载体部分按多孔介质处理。
（3）假设催化转化器载体部分无化学反应，且化学反应热按热源项处理。
汽车排气系统静力学计算及模态分析
汽车排气系统静力学计算及模态分析汽车排气系统是引擎的一部分，它的作用是将引擎燃烧产生的废气和噪音从车辆底部排出，为了保持引擎的性能和减少对环境的影响，排气系统的设计必须考虑静力学计算和模态分析，以下将详细介绍这两个方面。
一、静力学计算静力学计算旨在确定在引擎运转时，排气系统中存在的压力及对它会产生的力和扭矩的影响。
这些力和扭矩的作用都会导致排气系统产生振动，下面我们将从三个方面进行分析：1. 背压计算在排气系统中，背压是指尾气在流经排气系统时产生的空气压力之和，这个压力会对引擎的性能产生影响。
当排气系统中背压过高时，会使引擎的性能下降。
因此，在设计排气系统时必须要根据引擎的输出和尾气产生的流量来计算背压。
2. 力和扭矩计算在引擎工作时，排气系统受到的总体力和扭矩都是非常关键的参数。
这些参数可以通过测量排气管的弯曲、长度、截面面积等参数来计算。
当排气系统的力和扭矩较大时，可以采用更加坚固的材料来制造排气系统，以确保其能够承受这些作用力。
3. 振动计算振动是指排气系统在引擎工作时产生的机械波动。
这种振动可以对排气系统和其他部件产生损伤。
因此，在设计排气系统时，必须要考虑振动特性，以便控制和减少振动。
二、模态分析模态分析旨在确定排气系统的共振特性，例如本征频率和共振幅值等，以便设计人员能够更好地了解设计中可能出现的问题。
这种分析可以使用有限元分析的方法进行，下面我们将具体介绍：1. 有限元分析有限元分析是一种计算机辅助的工程分析方法。
在排气系统的设计中，有限元分析可以用于计算其振动、应力和变形等。
有限元分析的主要目的是确定系统中的自由振动模态和固定点的受力和应变，以便设计人员可以精确地计算设计参数。
2. 本征频率和共振幅值分析在分析排气系统的振动时，本征频率和共振幅值是非常重要的参数。
本征频率是指系统的自由振动频率，而共振幅值是指系统受到外部作用力时产生的响应。
在排气系统的设计中，必须要考虑到这两个参数，以确保排气系统能够在运行时不会受到过大的振动影响。
排气背压的原理以及故障检测
排气背压：顾名思意就是排气管后的压力，排气背压对发动机的动力性、经济性和排放性能都有重要影响。
通常，背压增大将导致发动机燃料燃烧效率下降，经济性变差，同时动力性下降，排放也变差。
所以，现代的发动机采用多气门技术，多进气门可增加进气量，多排气门可增大排气流通面积，减小排气背压，使得排气阻力小，在自由排气阶段即可排除大部分废气，同时在强制排气阶段活塞上行排气消耗功也少，因此扭矩高，动力性提高，同时缸内残余废气少，下个循环的进气量会增加，对动力性、经济性和排放都有好处。
但在低转速功况，如果排气背压很低，由于排气门的提前开启，在活塞达到下止点前，仍具有一定压力的燃气就通过过于通畅的排气门排掉了，损失了一部分功，扭矩自然要弱了。
因此低转速时保持一定的排气背压可以提高低速时的扭矩。
发动机维修中，发动机排气背压过高的一般表现1.发动机有油、有火，但是无法启动；2.加速不良，没有高速；3.加速时进气管“回火”，急加速熄火；4.进气管向外冒白烟；5.没有超速挡（排气背压过高会造成发动机加速不良，好像没有超速挡，所以有时会误认为是自动变速器的故障）；6.用故障诊断仪检测电控系统，一般没有故障代码。
若读取数据流，往往有多项数据不正常。
有的汽车低速行驶时耸车，减速后再加速耸车更加明显，更换点火线圈高压线、火花塞、电控单元都不见好转，这就要考虑排气背压是否过高了。
这种情况与加速不畅、车速提不起来、急加速时回火甚至熄火相比较，只是排气管堵塞的程度不同而已。
总之，若排气背压过高，会造成发动机启动困难、怠速不良、加速无力、转速不稳定、点火调节失控等故障现象。
排气背压过高导致发动机诸多故障的机理1.由于发动机排气背压过高，汽缸内混合气燃烧后生成的废气难以排出，废气只能返流，导致真空管路堵塞，使热线/热膜式空气流量传感器、进气压力传感器、怠速空气阀以及节气门等被污染和运动件卡滞，并使怠速时节气门的开启角度过大，引起混合气过稀。
2.由于废气排放不充分，废气回流到进气歧管使进气管真空度降低，因而导致进气管“回火”。
排气背压设计计算
、设计计算：1．排风口面积A排(m2)A排= k·S水箱(m2)式中S水箱为水箱净面积，k为风阻系数，k值见表12．进风口面积粗计算A进≈1.2·A排(m2)3．进风量计算Q进 = A进·V风·k-1(m3/s)式中Q进为进风量A进为粗算的进风口面积(m2)V风为风速(m3/s)，一般取3级风的风速平均值4.4(m/s) 进行计算风速表见表2（最强风速不应超过8m/s）4．进、排风降噪箱风道长L风L风 = C式中C为常数，其值与降噪效果有关，C值见表35．排气背压的计算1）排气系统背压P（kPa）在进行排气系统计算时，可先作这样的设定:机组标准配置的波纹避震节、工业型消声器等同于同管径的直管，弯头折算成直管当量长度，把以上三项和连接直管的长度相加后用排气管背压的计算公式计算背压，可使整个计算简化，并不失计算精度，消声器背压的计算特指住宅型消声器的计算。
P =（P排 + P消）≤〔P〕P排为排气管的背压（kPa）P消为消声器的背压（kPa）[P]为系统许用背压值（kPa）表1：风阻系数附加物K无降噪箱 1防鼠网 1.05~1.1百叶窗 1.2~1.5降噪箱 3降噪箱+防鼠网 3.05~3.1降噪箱+百叶窗 3.2~3.5表3：C值dB(A) C(mm)70 160065 180060 2000表2：风速表风级名称风速（m/s）0 无风0~0.21 软风0.3~1.52 轻风 1.6~3.33 微风 3.4~5.44 和风 5.5~7.95 清劲风8.0~10.76 强风10.8~13.87 疾风13.9~17.18 大风17.2~20.79 烈风20.8~24.410 狂风24.5~28.411 暴风28.5~32.612 飓风32.7~36.9表4：直管当量长度表管径（英寸）45度弯头（m/每个弯头）90度弯头（m/每个弯头）3.5 0.57 1.334 0.65 1.525 0.81 1.906 0.98 2.287 1.22 2.708 1.39 3.0410 1.74 3.812 2.09 4.5614 2.44 5.322）P排=6.32 L×Q2× 1D5 T+273式中：L为直管当量总长度（m）见表4Q为排气流量（m3/s）D为排气管直径（m）T 为排气温度（℃）3）消声器背压P消的计算先计算消声器的管流速V管V管= Q（m3/s）(m/s)A管（m2）式中A管为消声器排烟口的截面积，用计算出的管流速值从图1（流速/阻力曲图）查出消声器的阻力值F阻，则排气背压P消= F阻（毫米水柱）×673(毫米水柱)T+273图1. 流速/阻力曲线图注：1毫米水柱=0.0098kPa五、计算示例：机组KV275E、发动机TAD740GE：住宅型消声器6″（排烟口截面积为0.0214m2，排气量41.8m3/min=0.697m3/s ，见VOLVO销售手册)计算消声器的管流速：V消= Q（ m3/s）= 0.697 =32.55(m/s)A 消（m2）0.0214查图1：流速/阻力曲线图，得消声器的阻力值F阻=90（毫米水柱）计算消声器的背压：P消= F阻（毫米水柱）×673×9.8×10-3 T=540℃(见VOLVO销售手册)T＋273= 90×673×9.8×10-3 =1.055(kPa)540＋273计算排气管的背压：假如在住宅型消声器前面有一工业型消声器，一波纹管避震节，2个90°弯头，总长度3米，管径φ108，其背压为P排1，则当量长度L1=3+2×1.52=6米（见表4）P排1= 6.32×L1（米）×Q2（ m3/s）× 1 ×10-3D15（米）T+273= 6.32×6×0.6972× 1 ×10-3 =1.54(kPa)0.1085 540+273再假如在住宅型消声器后面有排气管30米，弯头5个，管径φ165，则当量长度L2=30+5+2 .28=41.4(米)P排2= 6.32×L2（米）×Q2（ m3/s）× 1 ×10-3D25（米）T+273= 6.32×41.4×0.6972× 1 ×10-3 =1.28(kPa)0.1655 540+273排气管的总背压：P排=P排1+P排2=1.54+1.28=2.82(kPa)排气系统的背压：P=P排+P消=2.82+1.055=3.875(kPa)系统的许用背压值[P]=10(kPa)最后得出：P=3.875≤[P]=10(kPa)。
排气系统消声器设计技术规范标准
排气消声系统设计技术规目录一、主题与适用围1、主题2、适用围二、排气消声系统的总称说明及功用三、设计应用1、设计规则和输入2、设计参数的设定2.1 尺寸及重量2.2 排气背压2.3 功率损失比2.4 净化效率2.5 加速行驶车外噪声2.6 插入损失及传递函数2.6.1 插入损失2.6.2 传递函数2.7 尾管噪声2.8 定置噪声2.9 振动3、系统及零部件的设计3.1 系统布置3.1.1 布置原则3.1.2 间隙要求3.1.3 吊钩位置的选取3.1.4 氧传感器孔的布置3.2 消声器的容积确定3.3 排气管径的选取3.4 消声器3.4.1 消声器的截面形状 3.4.2 消声器部结构3.5 补偿器3.5.1 波纹管3.5.2 球形连接3.6 橡胶吊环3.7 隔热部件3.8 材料选择3.8.1 排气管、消声器组件3.8.2 消声器外壳体四、参考文献列表一、主题与适用围1、主题:本指南规定了与汽车发动机相匹配的排气消声系统的系统匹配，零部件设计。
2、适用围:本指南适用于装汽油M1、N1类车的排气消声系统设计。
二、排气消声系统的总成说明及功用排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置、隔热部件、弹性吊块等。
一般地，排气系统具有以下一些功用：(1) 引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；(2) 由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声,因此在排气系统装有排气消声器来降低排气噪声；(3) 降低排气污染物CO,HC,NOX 等的含量，达到排气净化的作用；典型的排气消声系统如图1所示：图1三、设计应用1、设计规则和输入:1.1 排气系统能很好的将废气顺畅排出，满足发动机的排气背压，功率损失比的要求。
1.2 排气系统设计能满足现行中华人民国法规要求，具体如下：QC/T57－1993 汽车匀速行使车噪声测量方法GB16170－1996 汽车定置噪声限制QC/T631－1999 汽车排气消声器技术条件QC/T630－1999 汽车排气消声器性能试验方法GB1495－2002 汽车加速行使车外噪声限值及测量方法QC/T58－93 汽车加速行使车外噪声测量方法GB18352 轻型汽车污染物排放限值及测量方法GB14365-93 声学机动车辆定置噪声测量方法GB/T4759-95 燃机排气消声器测量方法1.3 排气系统零部件必须能经受1000℃的高温要求以及气流冲击，并保证排气系统可靠性达到10万公里或者三年(先到者为准)的要求，并要求在三包期插入损失不得减少6dB(A)以上，功率损失不得增加3%以上。
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分析设置-湍流模型选择
1. 选择Realizable k-ζ两方程模型。 2. 选择标准避免函数法。 3. 压力速度采用SIMPLE算法。 4. 采用二阶迎风格式离散化方法。
6
分析设置-材料设置
1. 流体材料选择Fluent数据库里的空气材料。 2. 壁面材料选择Fluent数据库里的钢材料。 3. 催化器载体选择Fluent数据库里的碳素化合物材料。
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分析设置-计算相设置
1. 催化器载体区域设置为多孔介质相，即porous。 2. 吸声棉区域设置为多孔介质相，即porous。 3. 其余都设入口边界：质量入口，XXkg/s；温度，XX摄氏度。 2. 出口边界：压力出口，采用标准大气压。 3. 壁面边界：XXmm壁厚，对流换算系数XXw/(m^2.k)（通常为80），粗糙 度为0.5。
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分析设置-收敛监控
1. 设置监控窗口，判断计算是否收敛。 2. 残差曲线保留默认设置。 3. 设置出口流量监控，当曲线长期水平，即收敛。 4. 设置出口温度监控，当曲线长期水平，即收敛。 5. 设置入口静压监控，当曲线长期水平，即收敛。
10
分析设置-初始化计算
1. 选择入口作为初始化计算对象。 2. 点击initial，初始化计算进行。
4
分析设置-模型检查
1. 选择General模板。 2. 点击Scale，将长度单位换算为模型实际单位。 3. 点击Check，检查模型中是否有负体积。 4. 点击Mesh/Smooth Swap，交替点击Smooth和Swap，调整网格质量到 更好。 5. 点击Report Quality，质量指数到0.4以上才可进行计算。
11
分析设置-步长设置
1. 选择稳态计算，计算步长设置为500步。 2. 点击calculate，开始计算。
12
结果后处理
1. 点击Results下的Report。 2. 选择Surface Integrals，选择进出口静压点击显示（背压），选择进出口总呀点 击显示。
13
结果后处理
1. 点击Graphics and Animations下的Coutours，设置显示压力云图，温度云图。 2. 点击Graphics and Animations下的Vectors，设置显示速度矢量图。 3. 点击Graphics and Animations下的Pathlines，设置显示速度流迹线图。
汽车排气系统背压分析规范
1
适用范围
排气系统背压分析。
2
定义
排气系统有限容积模型为排气系统内部空气域模型，不包含催化剂等。
3
分析设置-导入模型
选择Fluent里的3D模块导入*.cas文件。 勾选Display Mesh After Reading。 选择parallel多核并行计算。