某MPV車型排氣消聲器優(yōu)化

莫偉樹，馮倍茂

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

某MPV車型排氣消聲器優(yōu)化

莫偉樹，馮倍茂

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

通過一維模擬、發(fā)動機(jī)臺架、整車測試，分析原方案尾管噪聲，并驗證一維GT模型。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計。分析結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)表明優(yōu)化排氣消聲器對車內(nèi)噪音貢獻(xiàn)量、總聲壓級及各階次噪聲明顯改善。

消聲器；測試分析；數(shù)值模擬

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國逐步邁入小康社會，國民個人購買力、物質(zhì)精神欲的不斷提高，汽車將成為生活必需品。各種類型動力汽車迅猛發(fā)展，汽油、柴油引擎作為汽車主要動力在未來數(shù)十年仍將是主流，作為噪聲污染控制件的排氣消聲器日漸受到重視，國家也制定了更為嚴(yán)厲的噪音控制措施。如何兼顧成本、性能、可靠性，仍將是汽車排氣消聲器行業(yè)面臨的重要考驗。本文以某MPV車型排氣消聲器為例，介紹排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計。

1 理論依據(jù)

1.1 一維分析理論

消聲器一維模擬主要基于流體動力學(xué)理論，采用有限體積法求解。以流體連續(xù)性方程、能量方程為理論基礎(chǔ)，將排氣系統(tǒng)離散為體積元。在體積元中，假定各標(biāo)量（壓力、溫度等）均勻分布，利用體積元中心點數(shù)值進(jìn)行計算，并假定各矢量在體積元邊界進(jìn)行。

一維非定常流動的氣體動力學(xué)方程：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

其中：ρ為密度，u為速度，Sd為管道截面。

其中：p為壓力，F(xiàn)為單位氣體質(zhì)量摩擦力，c為音速，q為單位時間內(nèi)單位質(zhì)量氣體從管壁上吸收的熱量。

噪聲模型利用非定常流動時域中的分析結(jié)果，以氣體聲學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用質(zhì)量流量以及質(zhì)量流量的傅立葉級數(shù)，通過傅立葉變換求得聲輻射能量：

式中：ω0=2πf0，f0為發(fā)動機(jī)基頻。由該傅立葉級數(shù)可得氣體動力學(xué)參數(shù)從而得到n階諧波的能量：

其中：ρˉ為流體平均密度，Rc，0（nω0）為聲輻射阻抗，M為平均馬赫數(shù)，r0為排氣消聲器連接管半徑，k0為平均聲速。

輻射噪聲總能量為：

1.2 三維分析理論

排氣消聲器內(nèi)氣體流動熱力學(xué)與氣體動力學(xué)過程十分復(fù)雜，包括非定常、黏性、湍流、傳熱、傳質(zhì)等各種流動現(xiàn)象和流動特征。在對其進(jìn)行數(shù)值模擬時，必須考慮到其氣體流動的復(fù)雜性，通過建立其相應(yīng)的氣體流動模型，采用適當(dāng)?shù)暮喕Ｐ?，對方程進(jìn)行求解。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

湍動動能k輸運方程：

湍動耗散率ε輸運方程：

其中：k為由平均流動向脈動提供的能量，ε為脈動能量消耗的速率。

2 初始方案

2.1 原Muffler結(jié)構(gòu)分析

原Muffler結(jié)構(gòu)如圖1所示，輔助消聲器含消音棉屬共鳴腔式抗性消聲單元，容積約6.3 L，主消聲器為擴(kuò)張腔、共鳴腔的阻抗復(fù)合型消聲單元，容積約14.5 L.

圖1 初始方案示意

2.2 初始方案排氣消聲器測試分析

對初始方案排氣消聲器在整車上進(jìn)行性能試驗，測量車內(nèi)開空調(diào)噪音如圖2、車內(nèi)后排噪音如圖3，評價初始方案排氣消聲器性能。

圖2 車內(nèi)開空調(diào)噪音

圖3 車內(nèi)后排噪音

測試結(jié)果表明，該套排氣消聲器存在低頻段車內(nèi)降噪效果不佳；加速工況，殼體輻射噪音超標(biāo)等問題。

3 優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

通過將輔消由雙層卷點焊端蓋咬邊結(jié)構(gòu)更改為旋壓式含消音棉的共鳴腔式抗性消聲器，容積3.3 L；主消聲器外形重新設(shè)計，容積由14.5 L提升至18 L，三腔含高頻管的阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)更改為三腔含消音棉的擴(kuò)張腔式結(jié)構(gòu)。具體如圖4所示。

圖4 優(yōu)化排氣消聲器示意圖

3.2 優(yōu)化方案排氣消聲器一維模擬分析

3.2.1 計算模型

建立發(fā)動機(jī)工作過程與消聲器性能的耦合仿真模型。在GT-Power中計算新方案的插入損失、尾管噪聲值及排氣背壓。

3.2.2 模擬結(jié)果分析

消聲器消聲性能及壓力損失情況見圖5、圖6，結(jié)果表明：

（1）主消的消聲量提升明顯，由原來約20 dB提升至約30 dB；

（2）最高轉(zhuǎn)速下排氣消聲器及其連接管背壓為22 kPa,設(shè)計要求不大于25 kPa，滿足要求。

圖5 插入損失分析

圖6 壓力分析

3.3 優(yōu)化方案排氣消聲器三維模擬分析

3.3.1 計算模型

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果見圖7.

圖7 排氣系統(tǒng)網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

3.3.2 模擬結(jié)果分析

壓力分布圖（見圖8）表明，消聲器部分的背壓為21 kPa，整個排氣系統(tǒng)的壓力損失主要集中在主消聲器的第一腔和第二腔。從表面溫度分布圖（見圖9）上可以看出，額定功率工況下排氣系統(tǒng)的溫度從出氣口至尾管口是快速降低的，主消聲器的表面溫度均在500℃以下，其第一、二腔室表面溫度較高，需在主消側(cè)面加裝隔熱罩以降低下置備胎側(cè)面熱害風(fēng)險。催化器由于有發(fā)熱反應(yīng)，所以該處表面溫度更高，也需要加裝隔熱板。

圖8 壓力分布圖

圖9 溫度分布圖

從主消聲器內(nèi)部的壓力分布圖可知，氣流每經(jīng)過一個腔，就產(chǎn)生一個明顯的壓力降，但是腔內(nèi)部壓力變化相對較小，由此可知，壓降產(chǎn)生的主要原因是氣流通過內(nèi)插管、多孔隔板時的擴(kuò)縮損失。

從主消聲器內(nèi)部的速度分布圖（見圖10）可知，在穿孔管的小孔處產(chǎn)生了氣流的噴注，這是消聲器二次噪聲源之一，通過分析噴注氣流的流速和噴注融合的范圍可判斷能夠產(chǎn)生二次噪聲的部位，并可根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整小孔排布和孔密度來降低或消除噴注氣流。

圖10 主消聲器內(nèi)部壓力、速度分布

3.4 優(yōu)化排氣消聲器測試分析

按照優(yōu)化方案制作樣件，并進(jìn)行整車及發(fā)動機(jī)臺架性能試驗，測試噪聲和排氣背壓情況。

圖11為壓力損失的測試結(jié)果，從圖中可看出冷端最大壓力損失為24.2 kPa，滿足設(shè)計要求冷端背壓不大于25 kPa的要求。

圖11 優(yōu)化方案背壓測試結(jié)果

測試結(jié)果（見圖12）顯示：排氣消聲器優(yōu)化對車內(nèi)聲學(xué)性能的提升效果明顯，主要有：

（1）怠速車內(nèi)聲壓級降低約4 dB（A）；

（2）勻速車內(nèi)后排聲壓級降低不少于1 dB（A）；

（3）加速工況車內(nèi)聲壓級降低不少于4 dB（A）.總噪聲值比原方案降低約3 dB，并滿足目標(biāo)線要求，達(dá)到優(yōu)化的目的。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖12 優(yōu)化前、后噪聲試驗結(jié)果對比

4 結(jié)束語

通過對原方案測試、對比分析同類別車型，原方案排氣系統(tǒng)存在低頻降噪不佳，加速工況低速消音量不足、車內(nèi)后排評價位置點振動、噪音不線性及殼體輻射噪音超標(biāo)等問題。運用數(shù)值模擬分析運算的方式，對問題點進(jìn)行有針對性優(yōu)化設(shè)計。驗證表明，優(yōu)化排氣消聲器噪聲車內(nèi)、尾管均有較明顯改善，車內(nèi)各評價點噪音、振動均比原狀態(tài)有較大提升，達(dá)到了預(yù)期的性能提升及降成本的雙重目的。

[1]龐劍.汽車噪音與振動[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

Optimization of Exhaust Muffler for a MPV Models

MO Wei-shu，F(xiàn)ENG Bei-mao
（Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Through one-dimensional model、engine bench test、vehicle test，analysis of the original scheme tail pipe noise，and verify one-dimensional GT model.According to the results of the analysis to optimize the design.The results of analysis and test data show that optimization of exhaust muffler on interior of the car noise contribution、the total sound pressure and every order noise significantly improved.

muffler；test and analysis；numerical simulation

U464.134

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0140-04

2017-02-09

莫偉樹（1987-），男，廣西人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向汽車排氣消聲器設(shè)計；馮倍茂（1985-），男，廣西人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向汽車匹配設(shè)計及新能源系統(tǒng)設(shè)計。