汽車(chē)排氣尾管氣流噪音分析及優(yōu)化

施昭林 楊悅

摘要：本文基于汽車(chē)NHV要求、尾管造型要求以及動(dòng)力總成背壓要求作為設(shè)計(jì)輸入，在滿足設(shè)計(jì)輸入要求的前提下，在汽車(chē)消音器的結(jié)構(gòu)對(duì)排氣尾管噪音影響的應(yīng)用技術(shù)方面進(jìn)行研究，完成了詳細(xì)的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，提出消音器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法及排氣尾管結(jié)構(gòu)的選取原則。本文對(duì)于汽車(chē)消音器的設(shè)計(jì)和噪音控制都具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

Abstract： Based on the requirements of NVH， tailpipe modeling and power assembly back pressure as the design input， on the premise of meeting the design input requirements， this paper studies the application technology of the structure of automobile muffler on tailpipe noise， and completes the detailed theoretical analysis and test verification. On this basis， it puts forward the optimization method of muffler structure and the selection principle of tailpipe structure. This paper has practical significance for the design of automobile muffler and noise control.

關(guān)鍵詞：尾管;噪音;NVH;消音器;CFD計(jì)算

Key words： tail pipe;noise;NVH;muffler;CFD simulation

0? 引言

排氣系統(tǒng)噪音包含各種不問(wèn)性質(zhì)噪聲，其中包括輻射噪音、震動(dòng)噪音及尾管氣流噪音等，而尾管的氣流噪音在排氣系統(tǒng)噪音中占主要成分，隨著相關(guān)噪音的法規(guī)日漸嚴(yán)格及客戶對(duì)整車(chē)NVH性能要求越來(lái)越高，對(duì)排氣噪音的控制提出了新的挑戰(zhàn)。

整車(chē)油耗及動(dòng)力性能的要求通常要求排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使氣流順暢阻力減小，也就是排氣背壓盡量最小。而排氣背壓和排氣噪音是一對(duì)相互矛盾體，背壓越小排氣噪音越大。此外，汽車(chē)造型的美觀性通常要求排氣尾管采取雙出氣管的結(jié)構(gòu)，尾管的結(jié)構(gòu)提出了要求。

本文在對(duì)汽車(chē)消音器進(jìn)行大量的理論分析計(jì)算和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出消音器和尾管結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)選取，以及排氣管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)化，為設(shè)計(jì)人員在對(duì)消音器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1? 尾管氣流噪音產(chǎn)生的機(jī)理及成分分析

仿真計(jì)算階段，采用CFD仿真計(jì)算方法對(duì)雙排氣尾管和單排氣管消音器進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果顯示，若采用Y型雙出氣管結(jié)構(gòu)，隨著氣流速度增加，尾管噪音急劇增加，其中雙尾管噪音超出預(yù)計(jì)目標(biāo)值（圖1、圖2）。

臺(tái)架試驗(yàn)階段，采用相同消音器結(jié)構(gòu)、不同排氣管類型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用Y型出氣管結(jié)構(gòu)的消音器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)3400RPM時(shí)，排氣整體噪音急劇增加。而采用單出氣尾管結(jié)構(gòu)消音器，其測(cè)試值滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)對(duì)比分析，單排氣管與雙排氣管尾管噪音，低轉(zhuǎn)速時(shí)差別較小。高轉(zhuǎn)速時(shí)，單排氣管的噪音遠(yuǎn)低于雙排氣管（圖3）。

分析：雙排氣管排氣噪音的組成，載流量小速度低時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲占主要成分;流量大和速度快時(shí)，摩擦噪聲占主要成分（圖4）。

試驗(yàn)表明，雙尾管結(jié)構(gòu)消音器在尾管Y型分叉處存在形狀變化較大，由于高速氣流的作用，在此處產(chǎn)生較大的氣體湍流造成氣體震動(dòng)，尾管后面沒(méi)有消音元件，氣流噪音隨著氣流脈沖向周?chē)椛?。排氣尾管設(shè)計(jì)時(shí)需要避免尾管存在分叉結(jié)構(gòu)，避免氣流摩擦產(chǎn)生噪音。

2? 尾管噪音的分析及消音器的優(yōu)化

2.1 消音器及尾管消音計(jì)算公式

噪音頻率，計(jì)算噪音頻率時(shí)采用公式：

Hz為噪音頻率，rpm為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Order為噪音階次。

確定排氣尾管的長(zhǎng)度：

當(dāng)消音器的容積足夠大，消音器與尾管的交界面可以近似地處理為開(kāi)口管端，這樣尾管就可以看成具有一個(gè)“開(kāi)口-開(kāi)口”的邊界條件。

尾管長(zhǎng)度與調(diào)節(jié)頻率的關(guān)系公式：

L為尾管長(zhǎng)度，λ為噪音波長(zhǎng)，c為音速，f為噪音頻率。

溫度對(duì)音速的影響：

消音器消音效果設(shè)計(jì)，其消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用采用三迷路試結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于合成的赫爾姆茲諧振腔和膨脹腔結(jié)構(gòu)，其模型簡(jiǎn)圖如圖6。

赫爾姆茲諧振腔消音頻率為：

膨脹腔消音范圍（圖7）。

膨脹腔的傳遞損失計(jì)算公式：

2.2 消音器建模及試驗(yàn)

避免尾管存在分叉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氣流摩擦噪產(chǎn)生音，設(shè)計(jì)采分離式的雙出氣尾管。以單尾管噪音階噪音分析值作為設(shè)計(jì)參考值。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，消音器結(jié)構(gòu)可有效消除高頻噪音，所以取消傳統(tǒng)中間腔增加消除高頻噪音的玻璃纖維，初步方案消音器采用空腔三迷路結(jié)構(gòu)，出氣管采用分離式。初步2種設(shè)計(jì)方案。方案一見(jiàn)圖8，方案二見(jiàn)圖9。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：方案一和單尾管消音器噪音值比較接近，在1000rpm到2400rpm之間噪音值比單尾管低（圖10）。催化器前、后最大背壓分別比單尾管結(jié)構(gòu)消音器增加46.1kPa和31.5kPa（圖11）。

方案二和單尾管消音器噪音值比較接近，且在1500rpm附近噪音值很小，高轉(zhuǎn)速時(shí)和單尾管結(jié)構(gòu)噪音接近（圖12）。催化器前、后最大背壓分46kPa和31.5kPa（圖13）。

試驗(yàn)結(jié)果：兩種消音器方案在低速方面消音表現(xiàn)的比原先單尾管消音效果顯著，在高速階段消音效果和單尾管接近。但背壓方面比單尾管結(jié)構(gòu)消音器有所增加，需要進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.3 消音器優(yōu)化

優(yōu)化方案：基于分離式雙出氣管試驗(yàn)結(jié)果，從成本和背壓降低考慮，減少消音器一根內(nèi)管。采用2種方優(yōu)化案進(jìn)行試驗(yàn)分析。其中優(yōu)化方案一將隔板前移，消除出氣管打孔，其效果等于增加膨脹腔的體積，減少1/4波長(zhǎng)管的數(shù)量。方案二增加隔1板穿孔數(shù)量，打通進(jìn)氣管端口，加長(zhǎng)插入膨脹腔管長(zhǎng)度，其效果相當(dāng)于增加諧振腔連接管的直徑和增加排氣管徑，在消除的低頻噪音的能力方面和氣流順暢方面有所增加（圖14，圖15）。

試驗(yàn)結(jié)果：在減少一根內(nèi)管的方案優(yōu)化中，優(yōu)化方案二，將進(jìn)氣管端口打通，增加隔板穿孔率，成功減少排氣系統(tǒng)的背壓至目標(biāo)值（45kPa）。在3000rpm轉(zhuǎn)速之內(nèi)低速，其噪音值較優(yōu)化之前有所增加，但在目標(biāo)值離基線還有很大范圍。在3000rpm高速區(qū)域，噪音值較優(yōu)化之前有較大的降低（圖16）。噪音和背壓結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的要求，最終采取優(yōu)化方案二作為設(shè)計(jì)最終方案。

3? 結(jié)論

①基于計(jì)算及試驗(yàn)分析，提出了雙排氣尾管的選型對(duì)尾管噪音的影響，在設(shè)計(jì)消音器尾管時(shí)，提出雙尾管的形狀合理選型原則。

②通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，在消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)排氣背壓和排氣噪音的影響方面進(jìn)行分析。在符合噪音及背壓要求前提下，提出消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)最有選型原則。

③應(yīng)以外觀、噪音、背壓和成本作為設(shè)計(jì)輸入，進(jìn)行消音噪音、背壓分析，得出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

④以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)輸入，對(duì)消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尾管長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。

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