某四缸發(fā)動機消聲器優(yōu)化設(shè)計

吳孟兵

摘 要：以一款搭載四缸發(fā)動機的車型排氣系統(tǒng)噪聲為例，從試驗數(shù)據(jù)、學術(shù)理論、軟件分析等方面介紹了如何逐步利用排氣怠速噪聲、三檔全油門噪聲的頻譜圖和瀑布圖分析噪聲組成及問題存在原因，隨后利用分析結(jié)果結(jié)合流體噪聲理論優(yōu)化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用GT-power建模確認優(yōu)化的可行性并通過整車實驗驗證本次優(yōu)化的效果，GT-power建模分析結(jié)果與試驗結(jié)果的對比檢驗了流體噪聲理論的準確性。

關(guān)鍵詞：消聲器；階次；聲壓級；瀑布圖

前言

隨著外資企業(yè)的不斷進駐國內(nèi)市場，自主品牌技術(shù)的提升以及市場的不斷細分，汽車市場競爭日益激烈，車企不能僅僅依靠價格戰(zhàn)來實現(xiàn)自我的發(fā)展；同時，隨著消費者的消費意識不斷增強，對產(chǎn)品的品質(zhì)提出了更高的要求，促使我們必須從技術(shù)角度不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)。在購買和使用汽車特別是乘用車時，噪聲是顧客關(guān)注的一項重要的指標。其中，汽車排氣噪聲的優(yōu)化對于提高汽車噪聲滿意度具有重要意義。

排氣消聲器是作用于發(fā)動機的燃燒廢氣，有效降低排氣噪聲的一種汽車零部件；同時，在一些特殊車型上，通過不斷的優(yōu)化調(diào)試，以滿足購買者的排氣音質(zhì)需求。消聲器的選用需要根據(jù)匹配發(fā)動機的排量、功率等參數(shù)確定，其降噪效果還跟發(fā)動機的燃燒參數(shù)有密切的關(guān)系。

文章通過對噪聲頻譜進行分析，根據(jù)振動噪聲理論知識，確定優(yōu)化方向。同時，利用GT-power建模與實驗驗證相結(jié)合，有效的完成噪聲優(yōu)化設(shè)計。

1 優(yōu)化背景

某車型，搭載直列四缸汽油發(fā)動機，通過研究標桿競品車型的NVH特性，在設(shè)計之初，建立了一套排氣系統(tǒng)相關(guān)的性能指標（見圖1），作為其設(shè)計輸入和驗證指標。再結(jié)合前期的消聲器開發(fā)經(jīng)驗，設(shè)計了一套較為合理的基礎(chǔ)模型。

經(jīng)實車測試發(fā)現(xiàn)，排氣尾管噪聲相對前期設(shè)定的性能指標有一定的差距，不滿足設(shè)計要求，存在一定的優(yōu)化空間。因此，在不變動排氣系統(tǒng)外模型的情況下，需要針對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化。

2 數(shù)據(jù)分析

為了更好的研究和分析噪聲問題點并找出正確的優(yōu)化方向，分別完成了排氣口怠速定置噪聲和整車3檔全油門加速噪聲測試。整車搭載的發(fā)動機為直列四缸汽油發(fā)動機，分別對2、4及6階次噪聲進行了解析，從而可以很直接的了解到各階次噪聲對總聲壓噪聲的貢獻量。

整車怠速噪聲60.07dB（A），相對目標值57dB（A）高3dB；從3檔全油門噪聲總聲壓曲線來看（圖3-（a）），1200-3500rpm下聲壓級較高，超出目標曲線，但無明顯峰值；低速下4階噪聲貢獻較大，在1200-2200rpm下，4階噪聲超出目標曲線，波動較大，在1400rpm左右達到峰值：4階120Hz；中高速情況下2階噪聲對整體貢獻較大，在2000-3500rpm下明顯超出目標曲線，在3000rpm左右達到峰值：2階120Hz；由以上分析可以看出，2階次低頻噪音是噪聲總聲壓超出目標曲線的主要原因，下一步需要針對其進行優(yōu)化。

3 優(yōu)化設(shè)計

由上述數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，60Hz-150Hz頻段噪聲是造成噪聲不達標的主要原因。基于此結(jié)論優(yōu)化主消聲器結(jié)構(gòu)。

吸音材料作用與高頻噪聲，效果較好，頻率范圍在一般為500Hz以上；擴張腔的長徑影響抗性消聲器的消聲頻率特性，長徑比越大，低頻性能越好，同時插入管的插入長度也決定消聲器的消聲頻率特性[1]。基于上述理論，對原始主消結(jié)構(gòu)做出如下調(diào)整：此四缸發(fā)動機高頻噪聲并沒有太大的波峰，考慮空間布置及成本等，去除吸音材料的設(shè)計；基于點1的空間調(diào)整，增大部分擴張腔的長徑比（截面積不變）；增加插入管的插入長度，原設(shè)計為20mm，優(yōu)化后為30mm；減小部分多孔管孔的分布密度，增大擴張比，降低其消音頻率；調(diào)整內(nèi)插管布局，增加氣流行程，提高消聲量。

通過上述幾點優(yōu)化思路，得出了下圖4所示的優(yōu)化后的主消。

圖4 優(yōu)化前后主消結(jié)構(gòu)圖

將優(yōu)化后的主消替換到排氣系統(tǒng)中，并應(yīng)用GT-power建模[2]，建立如圖5所示的分析模型，其中發(fā)動機模型為實際搭載的四缸發(fā)動機的GT-power模型。

運算后得出的分析數(shù)據(jù)見圖6，與優(yōu)化前的消聲器分析數(shù)據(jù)對比可得出以下結(jié)論：優(yōu)化后總聲壓低于目標曲線，，二階噪聲基本無峰值，相比于優(yōu)化前，3000rpm左右二階噪聲有明顯的改善，同時其他階次也有不同程度的降低和變化，整體效果較好，理論上達到了優(yōu)化的目標。

4 優(yōu)化驗證

針對優(yōu)化后的主消進行效果驗證。測試排氣口怠速定置噪聲和整車3檔全油門加速噪聲（因試驗場地限制等原因，實際測量轉(zhuǎn)速上限4300rpm）。得出的對比數(shù)據(jù)如表1、圖7、圖8所示：

表1 怠速噪聲

5 結(jié)束語

優(yōu)化后，怠速噪聲降低3.69dB（A），低于目標值。同時，由低頻段引起的中低轉(zhuǎn)速下噪聲偏大等問題也得到了有效的解決。優(yōu)化后，總體噪聲曲線整體低于目標曲線。優(yōu)化效果明顯。

對于由于部分頻段噪聲超差產(chǎn)生或出現(xiàn)峰值所引起的噪聲問題，可以通過調(diào)整消聲器內(nèi)隔板的布置、內(nèi)插管的插入長度以及擴張比等方式調(diào)整消音的頻段予以優(yōu)化，其它例如調(diào)整內(nèi)插管布置增加氣流行程等方式也可以有效的增加消聲器的總的傳遞損失；同時阻抗式消聲器可以作為消聲器設(shè)計和優(yōu)化的方向。對于以上消聲器結(jié)構(gòu)與消音特性的理論關(guān)系，可以利用GT-power針對單個消音元件進行計算，逐步對比分析，進而深入了解和掌握。

通過對試驗頻譜數(shù)據(jù)、瀑布圖等的分析，結(jié)合振動噪聲知識，同時合理發(fā)揮GT-power模型分析在計算插入損失等方面的作用，基本能夠?qū)崿F(xiàn)完整的整車進排氣系統(tǒng)的噪聲優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].機械工業(yè)出版社，2002.

[2]謝田峰，金國棟，鐘紹華.GT-POWER在內(nèi)燃機排氣消聲器設(shè)計中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機，2003（9）.