某汽油發(fā)動機排氣系統(tǒng)的分析與設(shè)計

王迎輝，梁秋松，盧振生，張博強，趙婉婷

(綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152061)

隨著社會的發(fā)展，人們對環(huán)保的重視程度越來越高，其中最受廣大民眾關(guān)注的莫過于汽車的排放和噪聲問題，因此，排氣系統(tǒng)在現(xiàn)如今的車輛組成和設(shè)計中占有的地位已經(jīng)越來越高，近年來我國汽車保有量持高速增長態(tài)勢，據(jù)公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019 年全國機動車保有量達2.84億輛[1-2]，其中汽油發(fā)動機占90%以上.發(fā)動機作為汽車不可或缺的一部分，通過對燃料的燃燒提供動力，同時會產(chǎn)生大量的有害氣體和較強的排氣噪聲，其中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳煙顆粒物(PM，particulate materia)可直接對人類的呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害，甚至危及生命[3]；較強的持續(xù)性噪聲會致使人的聽力下降、降低工作效率、血壓升高以及永久性聽覺疾病[4]；排氣系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)將會造成發(fā)動機排氣背壓升高、動力性下降和油耗增加等現(xiàn)象[5]，因此設(shè)計高消聲性能、高凈化效率及低排氣背壓的排氣系統(tǒng)是當(dāng)今研究發(fā)動機排氣系統(tǒng)的一個重要課題.

1 汽車排氣系統(tǒng)聲學(xué)分析與設(shè)計

發(fā)動機排氣系統(tǒng)的噪聲源主要有空氣噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦產(chǎn)生的聲音以及輻射噪聲等.空氣噪聲是指汽車發(fā)動機在運動過程中，由于壓力波在排氣管道中傳播而造成的，空氣噪聲的大小取決于排氣管道的直徑，當(dāng)氣流量一定時，管道的直徑越大產(chǎn)生的空氣噪聲就越穩(wěn)定；而沖擊噪聲是由于不穩(wěn)定的氣流沖擊管道形成的，排氣歧管的彎曲幅度不夠，產(chǎn)生的氣流就會非常大，也就會出現(xiàn)噪聲；氣流摩擦的噪聲是因為氣體的流動速度非常高，傳遞到尾管的時候就會發(fā)出巨大的噪聲；輻射噪聲則是由于排氣管道中的消聲元件受到氣流影響后出現(xiàn)振動，從而產(chǎn)生噪聲[6-7].

通過上述分析，本文從如下角度對消聲器進行設(shè)計從而降低噪聲：①將消聲器的容積增大，通過改變消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增加其工作容積，從而達到降低噪聲的效果；②在原設(shè)計的基礎(chǔ)上添加吸聲材料，并將單層的外殼改為雙層外殼的設(shè)計方案；③對汽車尾管的長度以及形狀進行改造，由于汽車尾管產(chǎn)生的噪聲是空氣噪聲和氣流摩擦噪聲組合而成的結(jié)果，因此通過減短汽車尾管的長度，使排氣的方向由下方變成后方，從而達到降低噪聲的效果.本文以某型號轎車為例進行設(shè)計，其基本參數(shù)如表1所示.

表1 某型號轎車基本參數(shù)Table 1 basic parameters of one certain type of vehicle

1.1 消聲器容積設(shè)計

本文所設(shè)計的消聲器應(yīng)符合QC/T 631-2009(汽車排氣消聲器技術(shù)條件)的要求，在設(shè)計消聲器的過程中，首先需要確定本次設(shè)計所要降低排氣噪聲的目標(biāo)值，根據(jù)發(fā)動機排氣噪聲的大小，結(jié)合頻譜特性曲線，假設(shè)汽車在正常行駛時，產(chǎn)生的噪聲聲源屬于線性聲源，則聲音衰減ΔL量為[8]：

ΔL=101g(R1/R2)

(1)

其中：g為阻尼系數(shù)，取值1.72；R1為聲源至受聲點的距離；R2為線聲源的長度.

根據(jù)該型號汽車的相關(guān)參數(shù)，可以確定本次設(shè)計過程中，車外加速行駛噪聲限值La=74 dB(A)，按照汽車排氣消聲器性能試驗方法QC/T630-2009可以確定R1=0.5 m，按照整車噪聲實驗規(guī)范可以確定R2=7.5 m，把上數(shù)值帶入公式得ΔL=11.6(dB)：

消聲器出口噪聲限值Lm的計算公式[9]：

Lm=L+La

(2)

其中：L=11.6 dB，La=74 dB，把以上數(shù)值帶入公式，得La=85.6(dB)

由于普通轎車的發(fā)動機排氣聲壓級Lb為100 dB(A)，因此消聲器的消聲量Lmin為[10]：

Lmin>Lb-Lm

(3)

其中：Lb=100 dB，Lm=85.6 dB，得Lmin=14.4 dB.

根據(jù)所得的參數(shù)以及消聲器的容積公式可得[11]：

(4)

其中：n為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，n=5 600 r/min；i為發(fā)動機缸數(shù)，i=3；τ為沖程數(shù)，τ=4；Vst為發(fā)動機排量，Vst=1.0 L；Q為與消聲效果有關(guān)的修正系數(shù)，一般取2～6，Q值越大代表消聲越嚴(yán)格，此處取Q=5；將以上參數(shù)帶入式中得V=8.1 L.

1.2 消聲器擴張比的確定

消聲器的實際消聲效果一般采用插入損失作為評價指標(biāo)，即在噪聲源和測點之間插入一個消聲器時，在該測點所測得的消聲器安裝以前和以后的聲壓級差[12].消聲器的擴張室與原管道截面積之比被稱作擴張比(M)，對消聲器的插入損失要求越高，擴張比的選擇值就越大.消聲器的擴張比選取可參考表2所示， 針對本文所設(shè)計的轎車，取擴展比M=13.

表2 消聲器的擴張比推薦Table 2 Recommended expansion ratio of muffler

1.3 消聲器進出口流量的計算

當(dāng)氣流的流速超過一定的限值后，其所產(chǎn)生的再生噪聲會大大削減消聲量，因此，在設(shè)計消聲器時，一般采用控制消聲器出口管徑與進口管徑一致的原則，從而控制氣流的速度，表3所示為氣流速度為70～80 m/s時各頻率的減噪量，由上文中確定的消聲器的消聲量應(yīng)大于14.4 dB，在此處可取氣流最大速度為100 m/s.

表3 氣流速度為70～80 m/s時各頻率的減噪量Table 3 Noise reduction of different frequencies at air velocity of 70～80 m/s

消聲器進口處排氣流量一般可通過發(fā)動機進氣流量Qi公式估算[13]：

Qi=0.03Vst×n×Vc

(5)

其中：Vc為充量系數(shù)，當(dāng)n=5 600 r/min時，一般取Vc=0.80；將以上參數(shù)帶入公式中可得Qi=134.4(L/s).

由文獻[13]可得排氣流量Q的計算公式為：

Q=(Tb+273)×φ×Qi/(Tδ+273)

(6)

其中：φ為常數(shù)，一般取φ=0.98；Tb為發(fā)動機的進口處排氣溫度，一般取Tb=250 ℃；Tδ為發(fā)動機的進氣溫度，取Tδ=28 ℃；將以上參數(shù)帶入公式中可得Q=228.9(L/s)：

1.4 消聲器尺寸設(shè)計

根據(jù)上文中所給出的參數(shù)可計算消聲器進口直徑Di為：

(7)

其中：vm為允許最大氣流流速，查《汽車手冊》取vm=100 m/s；將以上參數(shù)代入得Di=53.9 mm.因此，所設(shè)計消聲器進口直徑應(yīng)大于53.9 mm，選型管徑Di=55 mm.

副消音器一般為圓柱形，選取阻性消音器，由文獻[14]可知阻性消聲器進口直徑：

Dm=Di×M0.5

(8)

將式(4)、(8)代入消聲器長度計算公式可得：

(9)

因此，副消聲器的內(nèi)殼直徑Dm=198 mm，長度L=263 mm.

后主消音器一般為橢圓柱形，選取的阻抗復(fù)合型消聲器，橢圓柱的底面積為：

S=π×a×b，

(10)

其中：S為橢圓底面積；a為半長軸長，本次設(shè)計取a=110 mm；b為半短軸長，本次設(shè)計取b=80 mm；將參數(shù)代入可得后主消音器的內(nèi)殼長軸A=220 mm，短軸B=160 mm，長度L=293 mm.

阻性消聲器是利用在管道內(nèi)適當(dāng)?shù)牟贾梦暡牧?，部分的吸收管道中傳播的聲能，對中、高頻范圍內(nèi)的噪聲有良好的消聲效果如圖1(A)所示；阻抗復(fù)合型消聲器是將阻性和抗性消聲器結(jié)合起來，故從低頻到高頻都有較好的消聲效果如圖1(B)所示.

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)圖Figure 1 structure diagram of muffler

2 汽車尾氣四效凈化器設(shè)計

目前汽油發(fā)動機主要依靠三元催化器凈化尾氣污染物中的CO、NOx和HC，然而三元催化器具有易堵塞、難再生、使用壽命短和成本高等缺點[14]，為滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)，四效凈化技術(shù)將成為凈化汽車尾氣有效的發(fā)動機后處理技術(shù)[15].本文將低溫等離子體(NTP，Non-Thermal Plasma)與鈣鈦礦型(ABO3)催化劑結(jié)合，可有效凈化汽車尾氣中的PM、NOx、CO和HC[16].

本次設(shè)計參照北京綠創(chuàng)的轎車整體型三元催化器，進氣管和排氣管均選用55 mm的管徑，管壁厚2 mm，選用不銹鋼上下殼，結(jié)合面選用橡膠密封墊密封，管口采用密封環(huán)密封，保證密封性.為增加殼體剛度，殼體熱沖壓凸棱，殼體內(nèi)安裝密封件，保證氣體全部流過整體式陶瓷蜂巢小孔，蜂巢陶瓷作為催化劑載體，其具有孔壁薄、表面積大、耐沖擊和耐高溫等特點，其結(jié)構(gòu)如圖2所示. 其中凈化器殼體作為等離子發(fā)生器的外電極，催化劑載體作為放電介質(zhì)，載體中插入高壓電極線，以上三者構(gòu)成介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器以產(chǎn)生NTP，電極線通過導(dǎo)線連接催化器殼體外的高壓電源，其中殼體由左右兩殼體通過密封法蘭盤連接.

1—密封圈；2—進氣口；3—密封套；4—蜂巢陶瓷；5—高壓電極線；6—出氣口； 7—固定螺栓；8—絕緣塞圖2 四效汽車尾氣凈化器結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure of four-way purifier of automobile exhaust

3 排氣系統(tǒng)總體布置

根據(jù)汽車設(shè)計相關(guān)要求，布置排氣系統(tǒng)的工作需要依照一定的次序進行，首先是凈化器，其次是前副消聲器和后主消聲器，最后采用排氣管將以上部件依次序連接，為了使車輛避免在行駛的過程中由于發(fā)動機振動而導(dǎo)致的排氣系統(tǒng)振動從而與系統(tǒng)周邊的零部件物體發(fā)生碰撞造成損壞，在布置安裝過程中，還需要注意排氣系統(tǒng)與周邊零部件物體要保持一個合理的安全間距，通常是25 mm.除此之外，橫置發(fā)動機在布置安裝時，它的排氣歧管罩由于本身特性的影響，與周邊零部件或物體的安全間距應(yīng)保持不小于35 mm，同時考慮發(fā)動機排量的大小對排氣歧管、散熱器和冷凝器及風(fēng)扇的熱間距的影響.布置排氣系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的各個部分的布置位置必須高于最小離地間隙的邊界，以免發(fā)生碰撞造成排氣系統(tǒng)的損傷；排氣系統(tǒng)中的其余部分不得低于前邊界面、側(cè)邊界面、后邊界面；排氣系統(tǒng)尾管的管口不得指向車輛右側(cè)；排氣系統(tǒng)尾管的管口最好朝向地面或保持水平，以便于排水以及防止水倒灌入排氣管[17].

在確定排氣系統(tǒng)懸掛方式時，首先選取吊鉤位置和補償器，然后確定排氣管的連接方式，綜上所述本文所設(shè)計的排氣系統(tǒng)布置如圖3所示.

1—排氣歧管；2—連接螺栓；3、7—法蘭盤；4、6、9、11—排氣管；5—四效凈化器；8—前消聲器；10—主消聲器圖3 排氣系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure of exhaust system layout

4 結(jié) 語

本文采用理論分析與數(shù)值計算的方法，針對某型號汽油發(fā)動機，設(shè)計了汽車排氣系統(tǒng)的消聲器和尾氣凈化器，并根據(jù)汽車設(shè)計的相關(guān)要求，確定了排氣系統(tǒng)的布置形式.本文所設(shè)計的汽車排氣系統(tǒng)采用主副兩消聲器可有效降低不同頻率的噪聲，其消聲效果可滿足QC/T 631-2009(汽車排氣消聲器技術(shù)條件)的要求；其尾氣凈化器將NTP與催化技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)PM、NOx、CO和HC的同時凈化；從裝置結(jié)構(gòu)上看，該排氣系統(tǒng)具有使用壽命長、降噪效果好、排氣背壓低以及凈化效率高等優(yōu)勢.