摘 要

21世纪以来，科学技术的发展直接或间接地提高了人们的生活水平，越来越多人有能力用机动车代步，因此而来的，是机动车尾气污染成为大气的主要污染源之一。机动车尾气污染是是一种被大多数人忽略的大气污染，主要污染物是我们熟知的碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、一氧化碳、及固体颗粒物等，能引起光化学烟雾等。机动车污染已经对人类的健康生活造成了影响，甚至对社会经济造成了直接的损失，如光化学烟雾。本文借助机动车污染大气的背景，对发动机排气系统进行了研究，最终决定对发动机排气系统尾管的材料和结构进行优化设计，主要方向是运用新型活性炭纤维（ACF）材料，然后运用ANSYS等软件对尾管套管进行结构设计计算及建模，进行流体流场模拟分析，得出能有效降低颗粒物排放和加强催化氧化还原性能的尾管套管模型。

关键词：尾气污染；活性炭纤维；ANSYS有限元分析；流场分析

Abstract

Since the 21st century, the development of science and technology has directly or indirectly improved people's living standards, more and more people have the ability to use motor vehicles, therefore, the motor vehicle exhaust pollution become the atmosphere one of the main sources of pollution. Motor vehicle exhaust pollution is a kind of atmospheric pollution that is neglected by most people. The main pollutants are our well-known hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur dioxide, carbon monoxide, solid particles and so on, which can cause photo chemical smog. Motor vehicle pollution has had an impact on the healthy life of mankind, and even the social economy has caused direct losses, such as photo chemical smog. In this paper, with the help of motor vehicle air pollution background, we make study to the engine exhaust system. Finally decided to optimize the design of material and structure of the engine exhaust tail pipe system. The main direction is to use new activated carbon fiber (ACF) material for the material of tail pipe. And then use the ANSYS to design the tail pipe structure and modeling ,simulate and analyze the fluid flow field. Finally we can get the tail pipe casing model which can effectively reduce the particulate matter emission and enhance the catalytic redox performance.

Key words: exhaust pollution; activated carbon fiber; ANSYS finite element analysis; flow 0field analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2汽车发动机排气系统尾管发展史 1

1.3国内外研究概况 2

1.4尾管设计技术的一个总趋势 3

1.5课题研究意义 3

1.6本章小结 4

第2章 尾管设计的边界条件 5

2.1排水性 5

2.2尾管与后保险杠距离 5

2.3整车离去角 6

2.4尾管伸出车外尺寸 6

2.5防止高温度尾管与人接触 6

2.6本章小结 7

第3章 尾管的结构设计 8

3.1材料选择 8

3.1.1活性炭纤维（ACF） 8

3.1.2活性炭纤维的基本特性 8

3.1.3活性炭纤维脱硝性能 9

3.2尾管的结构设计 10

3.2.1尾管套管外形尺寸确定 10

3.2.2尾管套管的软件模拟分析 10

3.2.3氮氧化物浓度变化计算 15

第4章 总结与展望 17

参考文献 18

致谢 19

第1章 绪论

1.1课题研究背景

环境是人类赖以生存的依靠，人类从环境中获取生存所需要的营养物质，占据所需要的含有煤质（空气和水）的空间，同时反过来人类也向环境排放活动和新陈代谢的产物，离开了这个特定的环境，人类不能从环境中摄取营养，就无法生存下去。由于自然界环境是不断变化的，社会生态系统也是不断变化，人类就应该通过自身的改变来适应环境，与不断变化的物质保持平衡，努力求得人类自身与环境的协调以及健康平衡发展。但是由于人类过于追求经济，对资源利用不太合理，忽略了与环境的可协调发展，使人类赖以生存的环境受到一定程度的破坏，生存条件恶化，影响到了人类的健康发展。我国是社会主义国家，党和政府一直很重视环境的保护工作，在1982年通过的宪法就明确规定“国家保护和改善生活环境和生态环境，防止污染和其他公害”的条款。在十九世纪六十年代，发达国家的汽车工业发展迅速，导致了汽车保有量急剧增加，到处可见，汽车排气污染对环境已构成公害。

近年来，随着尾气污染不断增加，各地被报道的雾霾现象越来越多，普通群众百姓人人才意识到原来大气环境的污染已经严重到了这个地步，其中机动车污染是主要的污染源之一。2014年国内汽车保有量从2004年的2400万辆增长到1.37亿辆，近十年CAGR为18.20%。截至目前，我国机动车保有量达2.23亿辆，全国有31个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京、深圳、天津、成都、上海、苏州、杭州、广州等数十个城市汽车数量超过200万辆，北京市汽车超过500万辆。汽车尾气中含有很多种对人体有害成分，例如NO_X，硫化物和其他有害排放颗粒，严重威胁人们的身体健康，甚至影响到生态环境,现如今社会迫切需要一种高效的减排技术来控制或减少汽车尾气排放^[1]。J. Golubić^[2]等从大的环境方面着手研究解决这个问题，引入智能交通系统，通过引导和使用组织更好的交通，减少交通发生堵塞可能，同时引入“停车换乘”系统，减少车辆的起停次数以及时间，从而减少尾气排放，但这还是不能解决机动车污染问题。环保是21世纪的主打旗号，经济得到健康发展的前提就是与环境协调发展，所以为了减少污染排放，进行机动车污染排放控制研究是必不可少的。基于这样的背景，汽车的发动机以及排放系统必须做出更先进的设计，减少有害污染物的排放，特别是在发动机结构基本稳定的情况下，要注重排气系统的优化设计。

1.2汽车发动机排气系统尾管发展史

刚开始的时候，汽车是没有排气系统的，有的仅是一个让燃烧气体排入大气的孔眼，后来为了控制随燃烧气体出来的火焰，增加了一根引导排气的管子，这时候的管子是没有任何净化作用的，而且也没有降低噪音的作用，所以排气噪音很大，震耳欲聋，常使骡马受到惊吓，对人们造成很大的影响，后面得益于海勒姆·马克西姆手枪消声器，才研究出发动机的排气消声器，解决了这一问题。后来随着经济和技术的发展，人们发现了污染的严重性，制定了一系列的环保法规，其中对车辆的排污标准相当严苛，同时又为了平衡汽车动力，催化转化器因此诞生。一开始的催化转化器由于受到结构和材料的限制，催化转化效率并不高。随着科技的发展，催化转化器的结构和材料不断的得到优化，催化转化效率也得到不断的提高，如今达到了一个瓶颈，仅仅依靠催化转化器不能再大幅度提高转化效率了。在保持原有转化效率不受影响的情况下，排气系统的尾管部分因此得到优化，从普通的管子转变到能吸收转化部分排放物的催化转化器。而且随着尾管的结构和材料得到不断的优化，转化吸收能力也得到一定程度的优化，进一步解决了汽车排放的问题。以下图1.1是汽车发动机排气系统图。