某中大型MPV加速排氣嘯叫排查

莫偉樹，黃 瑞，繆宣和，毛德龍，許忠杰，曾憲民

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

近年來，面對來勢洶洶的電動(dòng)車，燃油車的進(jìn)化從未停止，HEV/PHEV/REEV等等，各種類型動(dòng)力汽車發(fā)展迅猛。在未徹底解決電池存儲(chǔ)、電池能力密度低等續(xù)航問題之前，汽油、柴油引擎作為汽車主要?jiǎng)恿υ谖磥硎耆詫⑹鞘袌鲋髁?，消聲器作為噪聲污染控制件日漸受到重視，國家也制定了更為嚴(yán)厲的噪音控制措施。如何兼顧降噪、成本、可靠性，仍將是汽車排氣消聲器面臨的重要考驗(yàn)。

本研究以某中大型MPV車型為例，探討在加速工況下出現(xiàn)的明顯排氣嘯叫異響情況，利用三維流場仿真分析、查找，并確定高溫高速氣流流經(jīng)消聲器內(nèi)部內(nèi)插連接管上細(xì)小消音孔道產(chǎn)生嘯叫聲的區(qū)域及解決方策。

1 問題的提出

某中大型1.8T MPV車型在量產(chǎn)前全工裝樣車高速主觀評價(jià)反饋：整車空載以100 km/h及以上時(shí)速行駛，油門踏板10%～30%深度，后排乘客能清晰聽到尖銳的排氣尾管嘯叫；中低速（20～50 km/h）行駛過程大油門（模擬駕駛員駕車超車工況）加速，乘客能清晰感知排氣嘯叫聲，且排氣尾管有嚴(yán)重的尖銳異音，同時(shí)車內(nèi)第二、三排座位可明顯感知連續(xù)轟鳴，嚴(yán)重影響車輛乘坐舒適性，客戶駕乘體驗(yàn)差，存在較高的售后抱怨及投訴風(fēng)險(xiǎn)，需對指摘的故障現(xiàn)象進(jìn)行排查，并針對性解決[1]。

2 布置形式

該車型排氣系統(tǒng)根據(jù)車身及底盤結(jié)構(gòu)差異性要求，按前主排氣消聲器+后輔助排氣消聲器的單排氣尾管布置形式，如圖1 所示。

圖1 排氣布置示意[2]

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

原方案排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主排氣消聲器筒體內(nèi)部采用擴(kuò)張腔、共鳴腔的阻抗復(fù)合型消聲單元結(jié)構(gòu)，消聲容積約23.5 L；輔助排氣消聲器筒體內(nèi)部采用消音棉包裹消聲器內(nèi)部內(nèi)插連接管上細(xì)小消音孔道的阻性消聲單元結(jié)構(gòu)，消聲容積約4.5 L。

圖2 原方案排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

4 嘯叫樣件測試確認(rèn)

將已確定嘯叫的整套排氣消聲器更換至整車上，按嘯叫指摘工況進(jìn)行噪音試驗(yàn)，測量車內(nèi)、前排氣主消聲器殼體近場噪聲，如圖3、圖4所示。

圖3 車內(nèi)噪音頻譜

圖4 前排氣主消聲器筒體近場頻譜

從實(shí)車測試數(shù)據(jù)可以看出，該套排氣消聲器加速工況存在異響帶，異常嘯叫問題，且基本確定嘯叫聲由前排氣主消聲器內(nèi)部發(fā)出。

5 嘯叫聲產(chǎn)生的原因

車輛行駛過程中出現(xiàn)的排氣尾管口嘯叫聲，是屬于高頻噪聲類型，經(jīng)常在突然加速或者高轉(zhuǎn)速下的小油門工況下產(chǎn)生。結(jié)合調(diào)音方案，根據(jù)以往排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噪音調(diào)試過程中遇到類似的嘯叫聲的經(jīng)驗(yàn)判斷，排氣尾管口類似口哨聲的嘯叫很有可能是由高溫高速氣流流經(jīng)前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的細(xì)小排氣緩沖消音孔道引起。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)推論判斷的正確性，對原排氣消聲器方案進(jìn)行三維內(nèi)流場仿真分析，觀察前排氣主消聲器內(nèi)部排氣緩沖管易引起嘯叫的小孔流速及湍動(dòng)能分布情況，為此次排氣尾管加速嘯叫聲產(chǎn)生原因提供理論根據(jù)。

6 原方案三維仿真分析

6.1 計(jì)算邊界條件、網(wǎng)格參數(shù)及物理模型

前排氣主消聲器入口排氣尾氣質(zhì)量流量按0.158 kg/s，前排氣主消聲器入口排氣尾氣溫度按850℃，排氣尾管出口相對壓力0 kPa，排氣尾管出口環(huán)境溫度相當(dāng)于室溫300 K。

模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格類型，基礎(chǔ)面網(wǎng)格尺寸為10.0 mm，最小面網(wǎng)格尺寸為1.0 mm，最大面網(wǎng)格尺寸為8.0 mm，邊界層數(shù)為2，邊界層厚度為1.0 mm。

計(jì)算物理模型調(diào)用穩(wěn)態(tài)、流動(dòng)湍流、多項(xiàng)式密度、分離求解器等。

6.2 模擬仿真分析結(jié)果

該車型排氣消聲器三維流場仿真分析結(jié)果如圖5、圖6，結(jié)果表明：

（1）從速度矢量分布云圖來看，前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的細(xì)小排氣緩沖消音孔道熱氣流速度比較大，尾氣流速最大達(dá)到了289 m/s，該內(nèi)插管處緩沖消音孔道流速過大是引起嘯叫的部位。

（2）從湍流動(dòng)能分布云圖來看，該內(nèi)插管處緩沖消音孔道的周圍的湍流動(dòng)能比較大，最高達(dá)到了2802 J/kg，高溫高速流經(jīng)該處消音孔道造成較多的能量損耗。

（3）基于速度矢量及湍流動(dòng)能云圖，基本確定該車型加速工況產(chǎn)生的嘯叫，由前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的消音孔道設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。該處孔道詳細(xì)示意，如圖7所示。

7 優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

7.1 方案設(shè)計(jì)

本次故障嘯叫發(fā)生位置位于前排氣主消聲器內(nèi)插出氣管的入口位置，該處孔道存在相當(dāng)于該處腔體內(nèi)設(shè)計(jì)的赫姆霍茲消聲器，該結(jié)構(gòu)在降低低頻、窄頻帶噪音方面有較強(qiáng)針對性[3]，經(jīng)整車性能及排氣調(diào)音過程數(shù)據(jù)確認(rèn)及查證該車型未對低頻、窄頻帶有特殊要求，故優(yōu)化方案取消此處孔道。

圖5 原方案前排氣主消聲器筒體流體域速度矢量

圖6 原方案前排氣主消聲器筒體湍流動(dòng)能

圖7 加速嘯叫產(chǎn)生位置

7.2 優(yōu)化方案與原方案三維仿真對比分析

7.2.1 排氣消聲器排氣背壓仿真分析對比結(jié)果

一般而言，排氣背壓過大，將引起機(jī)械功增多、功率降低、燃油消耗率惡化等問題。理想情況下，一套性能優(yōu)異的排氣消聲器，必須擁有較大的消聲量和較小的排氣背壓，但對于一套特定的排氣系統(tǒng)，要獲得較大的消聲量，就必然會(huì)以增大排氣背壓為代價(jià)。因此，對排氣系統(tǒng)壓力場進(jìn)行分析，不但是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，也是消聲系統(tǒng)消聲性能的要求。

從圖8更改前后排氣消聲器背壓對比及表1更改前后該套排氣消聲器背壓變化情況可知，方案變更前后排氣消聲器總背壓變化小于5 kPa，排氣消聲器背壓變化值滿足排氣消聲器調(diào)音前后背壓變化值不大于5 kPa的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對本車型取消前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道能否解決故障問題點(diǎn)還需通過實(shí)車主觀評價(jià)及測試后進(jìn)行確認(rèn)。

圖8 更改前后排氣消聲器背壓對比

7.2.2 排氣消聲器內(nèi)部氣流速度矢量仿真分析對比結(jié)果

從圖9更改前后排氣消聲器內(nèi)部氣體流速對比示意圖，方案變更前后排氣消聲器內(nèi)部速度矢量由289.5 m/s下降至228.6 m/s，排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)排氣尾氣排出速度降低21%。對本車型故障問題點(diǎn)改善情況還需通過實(shí)車主觀評價(jià)及測試后進(jìn)行確認(rèn)。

表1 更改前后該套排氣消聲器背壓變化情況

圖9 更改前后排氣消聲器內(nèi)部氣體流速對比

7.2.3 排氣尾管馬赫數(shù)分析對比結(jié)果

（1）計(jì)算邊界條件、網(wǎng)格參數(shù)及計(jì)算模型

前排氣主消聲器入口排氣尾氣質(zhì)量流量按0.158 kg/s，前排氣主消聲器入口排氣尾氣溫度按850℃，排氣尾管出口相對壓力0 kPa，排氣尾管出口環(huán)境溫度相當(dāng)于室溫300 K。

模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格類型，基礎(chǔ)面網(wǎng)格尺寸為10.0 mm，最小面網(wǎng)格尺寸為1.0 mm，最大面網(wǎng)格尺寸為8.0 mm，邊界層數(shù)為2，邊界層厚度為1.0 mm。

針對排氣消聲器，采用STAR-CCM+進(jìn)行前處理及網(wǎng)格劃分，計(jì)算物理模型調(diào)用穩(wěn)態(tài)、流動(dòng)湍流、理想氣體、分離求解器等。

（2）仿真分析排氣尾管馬赫數(shù)對比結(jié)果

從圖10更改前后排氣尾管馬赫數(shù)對比示意圖，方案變更前后排氣尾管馬赫數(shù)由0.33591上升為0.3388，尾管馬赫數(shù)上升0.0029，排氣尾管馬赫數(shù)變化是否出現(xiàn)怠速、加速尾管流噪出現(xiàn)轟鳴。前排氣消主聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)更改導(dǎo)致的排氣尾管口馬赫數(shù)變化對整車影響，需通過實(shí)車主觀評價(jià)進(jìn)行確認(rèn)。

圖10 更改前后排氣尾管馬赫數(shù)對比

7.3 優(yōu)化排氣消聲器主觀評價(jià)

按照優(yōu)化方案制作樣件，并裝配至整車，并組織故障問題點(diǎn)指摘人員進(jìn)行各工況實(shí)車確認(rèn)結(jié)論為：經(jīng)實(shí)車確認(rèn)整改方案有效，排氣尾管尖銳嘯叫明顯降低，主觀評價(jià)分值達(dá)到該車主觀評價(jià)目標(biāo)。

7.4 優(yōu)化排氣消聲器噪音測試

測試結(jié)果如圖11顯示，此次排氣消聲器優(yōu)化對車內(nèi)聲學(xué)性能的提升效果明顯，加速嘯叫轉(zhuǎn)速段噪音降低約10 dB。

8 結(jié)語

通過CFD三維內(nèi)流場仿真分析確認(rèn)該車型在加速時(shí)出現(xiàn)嘯叫聲的點(diǎn)，確認(rèn)前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道氣流存在異常，提出了解決方案，經(jīng)計(jì)算仿真及實(shí)車主觀評價(jià)、噪音試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)能通過取消前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道可有效降低排氣尾氣流經(jīng)該位置時(shí)的流速，能有效解決該車型加速嘯叫問題，嘯叫轉(zhuǎn)速段噪聲比原方案降低約10 dB。

圖11 更改前后車內(nèi)噪音對比