汽車消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對排氣背壓和油耗的影響

黃國海 張毅天 謝志清 吳川永 李澤狀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

高性能發(fā)動機(jī)，有效燃燒的燃油越多，其所產(chǎn)生的功率和廢氣就越多；功率每升高40%，背壓上升將近一倍；若功率增加一倍，排氣背壓將增加4倍，這將使發(fā)動機(jī)至少有10%以上的功率損失。不同的發(fā)動機(jī)，油門最大時的排氣背壓比怠速時要高27～61kPa，有些甚至更高。排氣背壓是影響汽車油耗的最重要因素之一，其對發(fā)動機(jī)的動力性和排放性能都有重要影響。因此，如何通過降低排氣背壓來降低油耗并提高發(fā)動機(jī)的動力性，是各個生產(chǎn)廠家一直研究的課題。

對于排氣系統(tǒng)，影響排氣背壓的因素主要有管路走向、管徑大小、消聲器筒體結(jié)構(gòu)等。本文以某一款現(xiàn)有量產(chǎn)車型匹配的B12D發(fā)動機(jī)為研究對象，在保證尾管噪聲、車內(nèi)噪聲、整車通過噪聲、殼體輻射噪聲滿足國家有關(guān)法規(guī)要求前提下，優(yōu)化消聲器筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行背壓、噪聲和油耗對比分析。

2 消聲器總成設(shè)計

2.1 B12D發(fā)動機(jī)消聲器總成設(shè)計方案

以B12D發(fā)動機(jī)現(xiàn)有產(chǎn)品的排氣系統(tǒng)零件在B12D Gen 1.X的整車轉(zhuǎn)轂試驗臺上進(jìn)行整車綜合油耗測試，測試結(jié)果如表1所列?？芍C合油耗約為6.0L/100km。

表1 現(xiàn)產(chǎn)品件綜合油耗測試 L/100km

將B12D現(xiàn)有產(chǎn)品（管徑38 mm）的排氣系統(tǒng)按發(fā)動機(jī)外特性試驗方法進(jìn)行排氣背壓測試，結(jié)果表明排氣系統(tǒng)背壓為53 kPa，其中消聲器部分的背壓為42 kPa。

同時又將該排氣系統(tǒng)進(jìn)行整車加速行駛車外噪聲和排氣尾管口噪聲測試，測試結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，通過噪聲為71 dB（A），小于法規(guī)要求的 74 dB（A），尾管口噪聲也低于目標(biāo)值 5 dB（A），因此通過噪聲和尾管口噪聲都有很大的余量 （因為排氣背壓變小，噪聲會增大）。

該車型B12D現(xiàn)有產(chǎn)品的排氣系統(tǒng)由4部分組成，即三元催化器總成、排氣管焊接總成、前消聲器總成、后消聲器總成，排氣背壓也由這4部分結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)組成。配B12D Gen 1.X發(fā)動機(jī)后，三元催化器直接耦合到排氣歧管上，催化器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，其排氣背壓的貢獻(xiàn)量基本不變；排氣管和前消聲器的拐彎曲率小，相當(dāng)于通管結(jié)構(gòu)，其排氣背壓貢獻(xiàn)量不大；排氣背壓的主要貢獻(xiàn)在后消聲器。因此，決定對后消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，確定目標(biāo)如下：

a. 配合整車其它措施，整車綜合油耗由6.0 L/100 km降低到5.2 L/100 km，達(dá)到國家汽車節(jié)能惠民補(bǔ)貼的綜合油耗指標(biāo)小于5.3 L/100 km的要求；

b. 排氣系統(tǒng)的排氣背壓由目前的54 kPa降低到小于39 kPa。

2.2 新消聲器總成設(shè)計

后消聲器由3部分結(jié)構(gòu)組成：前進(jìn)氣管、消聲器筒體、尾管。前進(jìn)氣管和尾管都有多處直角拐彎，阻力系數(shù)比較大，對排氣背壓有一定貢獻(xiàn)，但最大貢獻(xiàn)仍是消聲器筒體。

針對消聲器筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計了8個改進(jìn)方案 （表2）進(jìn)行GT-Power分析，分別分析其尾管口噪聲和排氣背壓，結(jié)果如圖2～圖9所示。

表2 8個消聲器筒體改進(jìn)方案的具體說明

結(jié)果表明，方案1～方案5的排氣背壓比現(xiàn)有產(chǎn)品低9 kPa，方案6、方案7與現(xiàn)有產(chǎn)品排氣背壓相當(dāng)，方案8比現(xiàn)有產(chǎn)品的排氣背壓低4.6 kPa；噪聲方面，方案1、方案2、方案6、方案7與現(xiàn)有產(chǎn)品接近，方案3、方案4、方案5比現(xiàn)有產(chǎn)品差，方案8比現(xiàn)有產(chǎn)品稍差。

3 方案驗證

綜合考慮排氣背壓、尾管口噪聲及成本變化等因素，選定方案2、方案7、方案8這3個消聲器筒體改進(jìn)方案，并與前進(jìn)氣管和尾管管徑分別為38 mm和42 mm組合成6個方案，以此6個方案制造樣件。

在整車消聲室里按整車狀態(tài)在轉(zhuǎn)轂上測試6個方案樣件及現(xiàn)有產(chǎn)品件的排氣背壓和后消聲器的排氣背壓、排氣尾管口噪聲、消聲器筒體輻射噪聲、車內(nèi)噪聲。選定方案排氣背壓與排氣尾管口噪聲如表3和圖10～圖15所示。

表3 選定方案下排氣背壓

經(jīng)測試驗證，方案 P2D38、方案 P2D42、方案P8D42排氣背壓較低，方案 P2D38、方案 P8D38排氣口噪聲與原產(chǎn)品件相當(dāng)，方案 P2D38、方案P8D38、方案P8D42車內(nèi)噪聲與原產(chǎn)品件相當(dāng)，輻射噪聲都基本接近。方案P2D42的排氣背壓最低，在整車轉(zhuǎn)轂和發(fā)動機(jī)臺架上都是37.5 kPa，因此選擇此方案進(jìn)行整車綜合油耗測試。為了驗證一致性，用兩臺車進(jìn)行綜合油耗測試，并與原產(chǎn)品件進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表4所列。

表4 P2D42方案與現(xiàn)產(chǎn)品件油耗對比 L/100km

由表4可知，P2D42方案對應(yīng)的整車綜合油耗較現(xiàn)有產(chǎn)品件的綜合油耗下降了0.2 L/100 km。

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，決定以方案2的消聲器筒體、管徑大小為42 mm的前進(jìn)氣管及尾管為最終產(chǎn)品方案，并與其它降油耗措施一起進(jìn)行整車性能驗證測試，測試結(jié)果如表5所列。

表5 整車性能驗證測試結(jié)果

由表5可知，該車型配置發(fā)動機(jī)由B12D升級到B12D Gen1.X、實施其它降油耗措施后，整車性能得到了提升，其中綜合油耗達(dá)到了國家節(jié)能惠民補(bǔ)貼的指標(biāo)要求，整車通過噪聲表現(xiàn)也很好。

同時對排氣尾管口噪聲進(jìn)行測試，并與原產(chǎn)品件進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖16所示?？芍琍2D42方案排氣尾管口噪聲稍優(yōu)于原產(chǎn)品件，噪聲降低約1dB（A）。

4 結(jié)束語

通過CAE仿真分析，同時配合實車測試，從8個消聲器筒體改進(jìn)方案中選擇最優(yōu)方案降低排氣背壓，排氣背壓由53 kPa降低到37.5 kPa，其中后消聲器的排氣背壓由42 kPa降低到23 kPa；整車綜合油耗由5.7 L/100 km降到5.1 L/100 km，其中排氣系統(tǒng)貢獻(xiàn)0.2 L/100 km，有效提高了發(fā)動機(jī)動力性與經(jīng)濟(jì)性。

1 肖生浩，袁守利，劉志恩，等.S3越野車排氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計.汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集，2011.

2 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

3 侯獻(xiàn)軍，王天田，田翠翠，等.基于GT-Power的乘用車消聲器設(shè)計.北京理工大學(xué)學(xué)報，2010（2）：161～165.

4 顏伏伍，楊倫，劉志恩，等.GT-Power軟件的微型車消聲器與改進(jìn).內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（2）：64～67.

5 D.Siano.Three-dimensional/one-dimensional numerical correlation study of a three-pass perforated tube.Simulation Modelling Practice and Theory,2011,19 （4）:1143～1153.

6 葛蘊珊，張宏波，宋艷冗，等.改進(jìn)車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)降低整車車外加速噪聲.汽車工程，2006（4）：376～378.