簡析如何優(yōu)化汽車排氣消聲器性能

吳熙平

摘要：隨著駕乘人員對駕乘舒適度、操控性的不斷提升，汽車生產企業(yè)對汽車消聲器性能指標提出了更高的要求，因此進一步優(yōu)化消聲器內部結構是提升汽車排氣消聲器性能指標重要途徑。

關鍵詞：汽車排氣消聲器;消聲器性能;優(yōu)化

汽車排氣消聲器主要是通過消聲器的內部結構如：迷宮式結構、擴張室、共振腔、阻性包等結構的阻性、抗性、阻抗復合消聲器形式，消耗、隔離排氣噪聲能量達到降低排氣系統(tǒng)噪音的功效。

排氣消聲器性能的好壞，主要通過實車試驗檢測和主觀評價、發(fā)動機臺架試驗室及消聲室等進行相應的消聲器插入損失，汽車加速行駛車內、外噪聲及車輛定置噪聲等性能的測試評價。

優(yōu)化是根據排氣噪聲頻譜的波峰及超標部分的情況，通過CAE仿真設計計算分析調整、改變消聲器結構達到降低波峰及超標排氣噪音的目的

1.某款MPV汽車排氣消聲器優(yōu)化項目介紹

主機廠對該車現有排氣系統(tǒng)性能指標比較滿意，但對采用的雙模態(tài)消聲器總成的雙模態(tài)閥門產品耐久性有些擔心，希望有個備用方案。故需對消聲器現有結構進行優(yōu)化取消雙模態(tài)閥門。

（1）項目目標：新系統(tǒng)性能指標不低于原方案水平（原方案作為目標）。

（2）項目資源：主機廠提供：測試用車

采集系統(tǒng)：LMS 數據采集系統(tǒng)，振動噪聲儀、轉速表、車速測量儀、PCB 傳聲器，壓力傳感器，BK 聲級計，Dell 移動工作站等。冷流試驗臺、樣件試制。

2.原汽車排氣消聲器性能測試

首先通過實車及實驗設備對原排氣系統(tǒng)性能測試，測試內容是：檢測車內（駕駛員左右兩側、中排、后排）、車外噪聲值（定置、汽車加速通過）、排氣系統(tǒng)背壓值及模態(tài)測試。

2.1 排氣系統(tǒng)性能測試

為了更好地了解原產品（雙模消聲器）的實際性能，以及了解主機廠所提供的試驗車的車輛性能，特制定原產品測試與計算計劃。

2.1.1 實車測試：測試車輛：主機廠提供的試驗車。測試對象： 排氣系統(tǒng)總成：

測試對象有：原方案：0#中消（帶閥門）、0#中消（全開）、0#中消（全閉）、0#后消（帶閥門），以及對比方案中消1#。

（1）實車測試場地：測試場地北京交通部試驗場，按照GB 1495-2002布置場地。

（2）測試環(huán)境：從測試環(huán)境來看，氣溫為30℃，風速 2-4m/s，為道瀝青路。

（3）測試設備：LMS 數據采集系統(tǒng)、振動噪聲儀、轉速表、車速測量儀、PCB 傳聲器、壓力傳感器、聲級計。

（4）測試工況：（定置：怠速、2GWOT）

依據GB/T 14365-1993，進行機動車輛定置噪聲測量：怠速時的排氣尾管輻射噪聲及發(fā)動機從怠速急加速到轉速為6000rpm時提速、減速過程的排氣尾管輻射噪聲。

依據GB 1495-2002，裝載自動變速器的M1輕型車汽車加速測試工況有：

入線車速30km/h、40km/h、50km/h，加速踏板踩到底，直至出線;

2.1.2 冷流測試：測試設備： 冷流臺及半消聲室 、 測試對象： 排氣消聲器總成

測試數據： 插入損失、壓力、流速、流量等

2.1.3 模態(tài)測試：測試設備： 模態(tài)振動測試臺、測試對象： 排氣消聲器總成

測試數據： 自由模態(tài)、約束模態(tài)

2.2 測試數據：

2.2.1 加速行駛車外噪聲試驗： 自動檔模式，加速行駛車外噪聲，單位：dB（A）

30km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 30/1590，39/73.6dB

40km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 40/1570，52 /69.8dB

50km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 50/1520，55 / 70.5dB

數據分析：由上表得出，該車加速行駛車外噪聲為73.0dB（A），符合國家標準（≤74.0dB（A））。

2.2.2定置怠速尾口噪聲59-63dB均高于目標線58dB：

2.2.3階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有部分頻率高于目標線。

2.2.4 排氣背壓等均符合目標值曲線。

2.2.5 模態(tài)測試結果：自由模態(tài)：試驗與仿真模態(tài)頻率相接近，除 4、5、6 階模態(tài)頻率誤差在 10%左右外，其余各階均在5%以內。

約束模態(tài)：仿真與試驗值相接近，差值基本都在 5Hz 范圍之內，發(fā)動機怠速激勵頻率為 26.6Hz，二階橫向彎曲和扭轉模態(tài)頻率在 22Hz 和 29Hz 左右，避開了怠速激勵頻率。因此在怠速下，發(fā)動機不存在激起排氣系統(tǒng)共振的隱患。

3.結構優(yōu)化設計排氣系統(tǒng)的CAE仿真分析

CAE仿真分析包括：聲學計算：一維聲學，三維聲學計算（GT-POWER、 ANSYS）

流體計算：CFD三維流體計算（Fluen）、結構計算：模態(tài)分析 ?（Nastran）等

針對超出目標線以外的波峰頻率進行結構優(yōu)化設計，優(yōu)化方案多采用以下方法：當總聲壓級大部分高于目標線時，可調整消聲器容積結合增加阻性包，減小進、出氣管管端直徑。當低頻部分較寬頻段高于目標線時，可采用加大消聲器或第一腔室容積也可采用雙模態(tài)閥門。當低頻有窄幅波峰高于目標線時，可采用設計共振腔的方式，以消除噪音波峰。當中高頻較多部分高于目標線時，可采用增加阻性消聲結構的方式。須經過聲學分析計算后進行相應的實驗驗證。

4.消聲器的CFD優(yōu)化

經過測試，雖然該車排氣消聲器性能良好，但是為了能夠仿真分析排氣消聲器中的氣流特性，可以對三維CFD仿真的方式進行使用。

針對副消聲器而言，改變第一腔穿孔管的穿孔率，可以降低二次噪聲;將孔開在第三腔的內插管表面，降低排氣背壓;針對主要消聲器，第一腔中的排氣管長度可改短，提升第一穿孔管的孔徑和穿孔率，以便更多的氣體流入，第三腔的進氣管縮短，降低對擋板的沖擊，在第二腔的進氣管上開孔，以降低排氣背壓。

5.對第一輪消聲器優(yōu)化方案進行測試

5.1 經過優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)經整車及實驗室：測試總消聲壓級（A）有部分提升。

5.2 定置怠速尾口噪聲有明顯提升基本達到目標線58dB的要求：

5.3 階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有明顯改善達到目標線的要求。

6.結語

綜上所述，汽車的排氣消聲系統(tǒng)不僅可以在發(fā)動機工作的時候處理產生的廢氣，而且還采用了消聲結構及材料，實施了特殊形式的氣流管理，在廢氣向外排出的同時，通過結構優(yōu)化設計的氣流管理，使排氣氣流的噪聲有所降低。