某排氣消聲器內(nèi)氣流沖擊流場性能優(yōu)化

湯海娟 任平 儲勝林

摘 要：某轎車在路試過程中發(fā)現(xiàn)，后保杠下方排氣消聲器表面變色發(fā)黑，影響車后方造型美觀。經(jīng)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)是消聲器內(nèi)部高溫?zé)釟庵苯哟祿粝暺鳉んw壁面導(dǎo)致。本文設(shè)計師對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案優(yōu)化，最終解決了故障，同時消聲器內(nèi)壓力損失保持不變。

關(guān)鍵詞：消聲器;空氣動力學(xué);流場

中圖分類號：U464.134.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 背景介紹

汽車排氣系統(tǒng)主要有兩大功能：一是廢氣處理，二是降低噪聲。消聲器作為排氣系統(tǒng)中用來降低噪聲的主要元件[1]，布置于排氣系統(tǒng)的中后端位置。

本文所述轎車，其消聲器位于排氣系統(tǒng)后端，后保險杠下方，從車后方位置可看到消聲器的邊緣。路試試驗中發(fā)現(xiàn)，消聲器表面變色發(fā)黑，影響車后方造型的美觀。

2 原因分析

發(fā)動機(jī)的排氣壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，溫度在500℃～700℃，同時由于排氣的間歇性，在排氣管內(nèi)引起排氣壓力的脈動[2]。消聲器的作用決定了在車輛行駛過程中，其內(nèi)部氣流的高溫高壓高速的特性。本文所述車輛的故障情況需要從消聲器內(nèi)部氣流的流場特性著手分析。

本案例中的消聲器位于排氣系統(tǒng)末端，單管進(jìn)雙管出，內(nèi)部有三根橫插管連接兩側(cè)雙尾管，內(nèi)部被隔板分割成四個腔室。

經(jīng)STAR-CCM+有限元分析消聲器內(nèi)部流場，顯示消聲器進(jìn)口氣流直沖消聲器末端殼體，高溫?zé)釟庵苯哟祿舯诿?，造成消聲器后部有“燒紅”現(xiàn)象，與試驗故障現(xiàn)象發(fā)生狀態(tài)吻合。

3 優(yōu)化方案和效果

消聲器氣體在排氣系統(tǒng)中的流動，實際上就是一種湍流運動[3]。在實際工況中，消聲器內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流速和溫度變化較大，此時借助有限元仿真可以為消聲器的性能分析提供便利。計算流程包括設(shè)計數(shù)模處理、網(wǎng)格劃分、建立CFD有限元模型、定義邊界參數(shù)、求解分析、方案改進(jìn)再建模分析直至性能達(dá)標(biāo)。

本文在前處理軟件Hyper-mesh中對排氣消聲器及進(jìn)出管路數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)入Star-ccm+軟件中進(jìn)行分析。諸多理論研究表明，空氣在空調(diào)風(fēng)道里的流動適宜于采用不可壓縮流體的模型描述。假設(shè)整個流體是穩(wěn)態(tài)湍流，不考慮流體重力，忽視分子間的粘性[4]。

由于故障現(xiàn)象是氣流直沖消聲器殼體造成，因此改變氣流路徑是解決問題的方向。壓力損失對于保證發(fā)動機(jī)功率傳遞重要的約束條件，也是排氣系統(tǒng)的設(shè)計是個重要的指標(biāo)，此次優(yōu)化流場同時需要保證壓降的變化在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

原設(shè)計進(jìn)氣管的布置位于消聲器中段，氣流從進(jìn)氣管進(jìn)入后進(jìn)入消聲器腔內(nèi)，因為氣流的高速特性，氣流沖擊在內(nèi)管上后仍沖擊到消聲器壁面，致使壁面正對進(jìn)氣管位置出現(xiàn)高壓區(qū)域，見圖2。由于排氣氣流的高溫性，以及尾氣中含有的發(fā)動機(jī)燃燒排放污染物，會加速消聲器壁面出現(xiàn)變色甚至銹蝕的現(xiàn)象。

針對路徑改變提出四個優(yōu)化方案：方案A在原設(shè)計內(nèi)插管上增設(shè)擋板;方案B在原設(shè)計內(nèi)插管上增設(shè)穿孔擋板;方案C在原設(shè)計腔內(nèi)增設(shè)橫向擋板;方案D在原設(shè)計腔內(nèi)增設(shè)橫向穿孔擋板。

改進(jìn)方案和殼體壓力分布對比圖示如下：

對比四個方案與原設(shè)計的壓力云圖，即圖3和圖2，方案A殼體高壓區(qū)均勻，最高壓避開中間區(qū)域，已被規(guī)整為條狀，分布最大區(qū)域壓力約8 kPa，小于原設(shè)計的9 kPa，方案B殼體壓力不均勻，當(dāng)最高壓不規(guī)則，且最高壓近9 kPa，預(yù)判車輛長時間行駛故障會再現(xiàn)，方案C和方案D基本相當(dāng)，高壓區(qū)集中，最高壓近9 kPa，且為大面積存在。相比方案A高壓區(qū)域面積最小，且相比較原設(shè)計改善明顯。

對比四個方案與原設(shè)計的壓降，原設(shè)計消聲器壓降11.72 kPa，方案A壓降11.61 kPa，方案B壓降11.66 kPa，方案C壓降11.90 kPa，方案D壓降11.89 kPa，發(fā)現(xiàn)方案A和方案B相較原設(shè)計稍有減小，方案C和方案D相較原設(shè)計增大?；谝陨?，選擇方案A作為最終的改善方案實施。

4 結(jié)束語

針對路試中出現(xiàn)的消聲器“燒紅”發(fā)黑現(xiàn)象，經(jīng)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)是消聲器內(nèi)部高溫?zé)釟庵苯哟祿粝暺鳉んw壁面導(dǎo)致。由于排氣氣流的高溫性，以及尾氣中含有的發(fā)動機(jī)燃燒排放污染物，會加速消聲器壁面出現(xiàn)變色情況。本文設(shè)計師對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案優(yōu)化，最終解決了故障，同時消聲器內(nèi)壓力損失保持不變。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]陳家瑞，等.汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社，2008.

[3]李存鵬.工程機(jī)械消聲器流場分析及降噪研究[J].蘭州文理學(xué)院學(xué)報，2019，33（01）：50-53.

[4]范平清，王巖松，陸倩蕓.汽車空調(diào)吹腳風(fēng)門的改進(jìn)設(shè)計與試驗驗證[J].現(xiàn)代制造工程，2015，38（07）：56-60.