汽車排氣消聲器性能分析及改進(jìn)

呂學(xué)峰 于志冬

【摘 要】由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫氣體在進(jìn)入排氣消聲器時(shí)，將對消聲器的消聲性能產(chǎn)生較大的影響。高溫不僅可以改變氣體的屬性，還會(huì)對消聲器內(nèi)的聲傳播產(chǎn)生影響。因此，探究溫度對消聲器消聲特性的影響是非常有必要的。本文提出了一種可有效降低排氣溫度的排氣換熱系統(tǒng)，并對其進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)的可行性。

【關(guān)鍵詞】汽車排氣；消聲器；性能

引言

排氣噪聲是主要的汽車噪聲之一，消聲器作為控制汽車排氣噪聲的關(guān)鍵部件，其消聲性能和壓力損失對汽車的噪聲水平、動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性具有顯著影響。消聲器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往以傳遞損失和壓力損失作為評價(jià)參數(shù)對其進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)。雖然該方法在一定程度上能獲得消聲器的聲學(xué)性能情況，但難以考慮發(fā)動(dòng)機(jī)對消聲器性能的耦合影響，因此往往難以達(dá)到預(yù)期的消聲效果。

1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比國外的學(xué)術(shù)研究，國內(nèi)學(xué)者研究消聲器的起步較晚，直到20世紀(jì)80年代后期，我國學(xué)者開始對消聲器進(jìn)行研究，為國內(nèi)消聲器研究奠定了基礎(chǔ)。在科研工作者的不斷努力研究下，我國在消聲器研究方面取得了階段性的研究成果。上世紀(jì)80年代后期國內(nèi)學(xué)者們利用一維聲傳遞矩陣開啟了對消聲器聲學(xué)性能的研究歷程。1988年，盛勝我研究了具有聲能耗散時(shí)抗性消聲器的傳遞矩陣，找出了聲能衰減的三種主要原因，并利用直接堵塞法測得了矩陣元素值，得出了在具有聲能耗散時(shí)聲波在管道中的傳遞矩陣。1991年，黃其柏、夏薇在考慮排氣氣流和溫度的影響下，研究并得到了四種常用消聲元件（突變插管、剛性直管、摩擦穿孔板和穿孔聲管）的傳遞矩陣，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論的正確性。1994年，蔡超等人根據(jù)消聲器傳遞矩陣分析方法，在未考慮氣流再生噪聲問題的影響下，得到了拖拉機(jī)抗性消聲器12種不同聲學(xué)子結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣，該研究為后期的消聲器工程設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，大大拉近了我國在一維聲波研究領(lǐng)域與國外的距離。

在探討消聲器內(nèi)部氣流對聲學(xué)特性的影響方面，國內(nèi)學(xué)者做出了很多努力。劉伯潭等人基于計(jì)算流體力學(xué)，利用Star-CD軟件對復(fù)合式消聲器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，探究了消聲器內(nèi)部氣流對其聲學(xué)性能的影響。羅虹等人使用數(shù)值分析方法對消聲器內(nèi)部的流場、溫度場及聲場進(jìn)行分析，證明了消聲器的流場和溫度場對消聲性能具有重要的影響。李國祥等人通過研究一種具有典型結(jié)構(gòu)的消聲器流場和溫度場，研究表明氣流溫度降低時(shí)，抗性消聲器的傳遞損失曲線會(huì)向低頻方向移動(dòng)。劉晨等人利用GT-Power軟件探究了高溫氣流對三通穿孔管和直通穿孔管消聲器在靜態(tài)時(shí)傳遞損失的影響，研究表明高溫氣流對消聲器的聲學(xué)特性能夠產(chǎn)生直接影響。

2、仿真模型建立

副消聲器為一簡單擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出口管徑為36mm，管壁厚度為1mm，擴(kuò)張比為8；主消聲器由三腔三管組成，中間管和出口管在中間腔室部分均開有18個(gè)直徑為7.8mm的均布小孔。

由于GT-Power軟件采用一維有限體積法對流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)方程進(jìn)行求解，因此在用GEM3D軟件建立好消聲器幾何模型后，需要將模型離散化處理。排氣管路離散長度一般為氣缸直徑的0.55倍。本文中汽油機(jī)的氣缸直徑為78mm，因此定義排氣管路離散長度為42mm。排氣管路壁面熱傳導(dǎo)求解模塊參數(shù)設(shè)置如下：表面熱傳導(dǎo)系數(shù)為15W·（m2·K）-1，壁面厚度為2mm，表面散熱系數(shù)為0.8。

3、仿真結(jié)果分析

3.1、插入損失仿真分析

插入損失指安裝消聲器前后，管口向外輻射噪聲聲功率級之差。它不但與消聲器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與聲源及末端的聲學(xué)特性有關(guān)，因此相比于傳遞損失更能反映消聲器的實(shí)際消聲效果。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍和企業(yè)要求，選取發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1000～2500r·min-1，對消聲器的聲學(xué)性能進(jìn)行分析。圖3為原消聲器的轉(zhuǎn)速在1000～2500r·min-1時(shí)的插入損失仿真結(jié)果，其中虛線為企業(yè)要求的插入損失目標(biāo)值。由圖3知，在轉(zhuǎn)速為1000～2500r·min-1整個(gè)范圍內(nèi)，消聲器的插入損失均未達(dá)到要求，尤其在常用轉(zhuǎn)速2500r·min-1時(shí)，仿真值與目標(biāo)值相差最大，消聲效果最差。

3.2、壓力損失仿真分析

壓力損失指進(jìn)、出口管中截面的全壓差。由于較高的壓力損失會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，因此，在排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中不僅要獲得較好的聲學(xué)特性，還要盡可能的減少壓力損失。在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開情況下仿真得到的消聲器壓力損失結(jié)果，其中虛線對應(yīng)企業(yè)允許的最大壓力損失值。隨著轉(zhuǎn)速的增加，整個(gè)排氣系統(tǒng)的壓力損失呈上升趨勢，但遠(yuǎn)小于目標(biāo)值2.0×104Pa，消聲器空氣動(dòng)力性能良好。

4、結(jié)構(gòu)多參數(shù)、多目標(biāo)、多工況優(yōu)化

4.1、響應(yīng)面擬合及質(zhì)量評價(jià)

通過建立響應(yīng)面模型，就可以對參數(shù)因子輸入的不同值進(jìn)行插值計(jì)算，最后通過在響應(yīng)面搜索合適的結(jié)果，得出所需的最佳響應(yīng)，連接彎管直徑和主消聲器穿孔直徑對壓力損失和尾管噪聲的響應(yīng)圖。由于響應(yīng)面的擬合精度對后續(xù)的優(yōu)化結(jié)果有重要影響，因此需要對響應(yīng)面的擬合質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，其主要評價(jià)指標(biāo)組成包括模型總方差的誤差分?jǐn)?shù)（R-Squared，R-Sqr即2R）代表指標(biāo)、修正的2R（AdjustedR-Squared，AdjR-Sqr）指標(biāo)和預(yù)測的2R（Q-Squared，Q-Sqr）指標(biāo)。其中AdjR-Sqr指標(biāo)具有更高的可靠性，能排除過度擬合的影響，因此采用AdjR-Sqr指標(biāo)對響應(yīng)面的擬合質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

4.2、消聲器結(jié)構(gòu)多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化

在采用擬合精度較好的響應(yīng)面的基礎(chǔ)上，對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化過程中采用遺傳算法進(jìn)行求解。根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)化條件設(shè)置為尾管噪聲最小，而壓力損失不超過2.0×104Pa；轉(zhuǎn)速1000r·min-1時(shí)的權(quán)重系數(shù)為0.3，轉(zhuǎn)速為2500r·min-1時(shí)的權(quán)重系數(shù)為0.7。將各個(gè)參數(shù)的全局最值代入GT-Power計(jì)算模型中進(jìn)行求解，得到改進(jìn)前、改進(jìn)后插入損失和壓力損失的對比結(jié)果，優(yōu)化后消聲器的整體插入損失有了明顯提升，且都在目標(biāo)值以上，尤其在轉(zhuǎn)速2500r·min-1下，其值由18dB提升至32dB，效果顯著。雖然系統(tǒng)壓力損失整體也呈上升趨勢，但變化相對較小。在常用轉(zhuǎn)速2500r·min-1下，改進(jìn)后的壓力損失最大值為1.3×104Pa，遠(yuǎn)低于目標(biāo)值2.0×104Pa。

結(jié)束語

針對某汽車消聲器插入損失過低的問題，基于DOE方法，對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化，改進(jìn)后的消聲器整體插入損失有了明顯提升且基本在目標(biāo)值以上，尤其在轉(zhuǎn)速2500（r·min-1）下，其值由18dB提升至32dB，效果顯著；雖然壓力損失增至1.3×104Pa，但遠(yuǎn)小于目標(biāo)值2.0×104Pa，消聲器的綜合性能得到了提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 駱偉明，賈旭明，張冰，王鵬，薛振榮.汽車排氣系統(tǒng)腐蝕類型及提升方案[J].全面腐蝕控制，2018，32（02）：73-77.

[2] 張楊，鄧兆祥，溫逸云.汽車排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能快速預(yù)測方法的研究[J].汽車工程，2018，40（02）：170-173+191.

[3] 王明亮.某乘用車排氣系統(tǒng)聲學(xué)及流場性能研究[D].華南理工大學(xué)，2018.

[4] 彭菊生.汽車排氣消聲器性能仿真分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].現(xiàn)代制造工程，2017（12）：86-91.

[5] 曾建邦，廖連生，王志萬，趙朝譽(yù)，劉方震，張書華，姜重慶.汽車排氣消聲器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對其聲學(xué)性能的影響[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，34（06）：116-123.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）