摘要：隔热结构是排气系统中的重要零部件，用以隔离高温，保护周边塑料、橡胶零件。文章基于三元催化器隔热需求，从隔热结构类别、材料选择、结构设计等方面进行研究，从而设计满足要求的隔热结构。
关键词：三元催化器；隔热结构；隔热罩；隔热棉
0 引言
汽车行驶过程中，排气温度可达850℃左右，排气系统中的三元催化器是良好的热导体，这样会导致三元催化器温度比较高。当受车身、底盘等系统空间布置影响，三元催化器周边塑料件、橡胶件与其间隙小于最小要求值时，为了避免橡胶件、塑料件因高温而老化、失效，需在三元催化器外面布置隔热结构[1]。
本文将基于排气系统隔热需求，对不同的隔热结构、材料进行研究。
1 隔热结构类型
隔热结构一般为单层或双层金属板做成的随形隔热罩或隔热罩加隔热棉形式。排气系统常见的隔热结构有：单层隔热罩、双层隔热罩、单层隔热罩+隔热棉、双层隔热罩中间夹隔热棉结构。根据使用过程中的不断优化改进，确定了不同结构隔热罩的厚度，在满足使用要求前提下做到成本最低（表1）。
表1 隔热结构类型
2 隔热材料选择
不同材质的隔热罩、隔热棉所能承受的温度不同（表2），需根据三元催化器各部位温度情况并结合其所能承受的温度进行选择，以保证使用过程中不失效。
表2 隔热罩材料及适用温度
3 隔热结构设计
（1）隔热方案：
当需要保护三元催化器周边不能承受高温零部件时，需设计隔热结构。单层隔热罩成本低，同时隔热效果较差。双层隔热罩因中间增加空气隔层，相对相同厚度的单层隔热罩隔热效果要好。隔热罩表面采用压花设计可有效增大散热面积，提高隔热效果。如果对隔热要求非常高，可使用隔热棉，隔热棉填充密度在160kg/m3—200 kg/m3时，隔热效果最好，同时厚度越厚，隔热效果越好，但达到一定厚度后，厚度的增加对隔热效果的影响减小。
根据三元催化器表面温度及周边件耐热温度要求，可从表1中初步确定隔热结构类型，然后进行模拟分析，过程中对隔热结构优化，直至能够满足周边件耐热温度要求为止。也可以做出样件在试验室或搭载整车进行测试，这样得出的数据更为准确。隔热结构选择时，从成本考虑，优先选用单层隔热罩，若单层隔热罩不能满足隔热要求可选择双层隔热罩或隔热罩+隔热棉结构。
（2）隔热罩结构：
为提高隔热罩强度，经常会设计加强筋结构，若加强筋设计不合理，冲压成形后塑性变形应力大，受拉扯后容易开裂。加之隔热罩使用环境温度较高，长时间应力超过材料屈服极限，将导致疲劳失效[2]。因此，结构设计时需考虑工作环境及长时间运行后的疲劳情况，设计完成后充分进行热疲劳分析及试验验证，降低使用过程中开裂风险。
（3）隔热棉防脱落设计：
隔热方案为隔热罩+隔热棉时，为避免车辆行驶过程中隔热棉蹿动、脱落，隔热罩周边应设计防护结构。同时，合理设计压缩率，保证隔热罩对隔热棉的压力大于隔热棉振动力。从隔热效果及防止隔热棉错动方面综合考虑，选用隔热棉体积密度一般为130kg/m3，压缩率设计为25%-45%，此时填充密度为162.5kg/m3-188.5 kg/m3。
（4）隔热罩连接方式：
为达到持续的隔热要求，隔热罩需安装在催化器上，常用的连接方式有如下几种：
焊接方式：因隔热罩与催化器壳体膨胀率不同易造成隔热罩开裂，设计时应尽量避免前后两端同时焊接。
焊接+钢丝绒垫圈连接：钢丝绒垫圈的缓冲作用，能够避免因隔热罩与壳体膨胀率不同造成隔热罩开裂的问题。
螺栓连接：催化器上焊接支架，隔热罩通过螺栓与催化器连接，拆卸方便。
管箍连接：通过管箍与催化器连接，拆卸方便。
4 结语
隔热结构是排气系统中的重要零部件，如果设计不合理则不能满足隔热需求，存在周边件早期失效或发动机舱着火的风险。隔热结构设计过程中要进行充分的隔热模拟分析及实车验证，并不断优化，同时也应从成本、成型性、可装配性等方面进行考虑，从而确定最优方案。
参考文献
[1]杜鹏、阮仁宇、倪成鑫.催化器隔热罩优化设计.汽车实用技术，2017（14）：77.
[2]陈彦如、杨红天、孙小伟、石涛、赵玉振、刘俊杰.汽油增压发动机排气歧管隔热罩开裂故障分析. 内燃机，2016（2）：59、62.
论文作者:刘敬凯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/5
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