带缩口消声器的声学性能优化改进设计

2014-06-24汪松曾杰陈琳李坤周荣

汽车工程师 2014年8期

汪松曾杰陈琳李坤周荣

（1.重庆大学机械工程学院；2.重庆陵川汽车零部件制造技术有限公司）

发动机噪声是汽车噪声的主要组成部分，而其中排气噪声则占了36%[1]，因此降低排气噪声是降低整车噪声的一个有效措施[2]。文章以试验研究为背景，利用试验研究和理论仿真分析相结合的方式对某款发动机的排气消声器进行改进设计[3]，探讨锥形口结构单元对消声器内部气流运动状态及消声器消声性能的影响，确定穿孔率等单元的改进方向[4-6]，验证了锥形口单元在消声器研究中的应用状况。

1 汽车消声器试验

1.1 试验台架搭建

发动机台架试验台测试示意图，如图1所示。为了准确模拟整车环境并使发动机功率输出稳定，测功机与发动机之间采取软连接方式。通过发动机测控系统控制发动机的运行；通过电涡流测功机测量发动机的扭矩；由磁敏传感器监视发动机转速，保证发动机的正常工作；排气尾管口噪声通过采取尾管口与传声器成45°并且间隔0.5 m 的方式测量而得；SCM05 便携式采集前端通过在消声器尾口处布置传声器来采集发动机排气系统尾管噪声值。

1.2 原消声器测试结果分析

在发动机台架试验的基础上，对原消声器总成及直管进行噪声及背压测试，当发动机转速稳定后得到原消声器与直管的噪声频率特性对照曲线（如图2所示）和直管与原消声器性能参数（如表1所示）。从图2可以看出，原消声器在低频段噪声较低，降噪效果较好，但在高频段，特别是10.316 kHz 时，噪声峰值达到88.32 dB，在试验过程中能够明显听到尖啸声。对于高频段消声效果不好的情况，可以考虑在前消中加入吸声材料。由表1 可知，原消声器排气背压值过大，达到40.8 kPa。观察原消声器内部结构（如图3所示）后发现，在消声器进气管出口端有一锥形口结构。

1.3 原消声器建模与仿真

针对原消声器排气背压值过高的问题，对其进行三维建模，如图4所示。此消声器采用常用的3 腔结构，废气由左端进气管进入，部分气体在第2 腔由进气管穿孔喷出，通过出气管穿孔进入出气管，还有部分气体直接经由第1 腔与第2 腔隔板穿孔进入第1 腔且最后进入出气管，少部分则通过进气管锥形口喷出，并通过隔板或出气管穿孔最终进入出气管。

将消声器三维模型导入前处理软件Hypermesh 中并进行网格划分，将得到的网格划分模型导入流体力学仿真分析软件STAR-CCM+中进行仿真分析，在分析过程中设置消声器左端进口为质量流量入口，其流量为0.063 kg/s，进口温度为600 ℃，右端出口为标准大气压，环境温度为40 ℃，传热系数为30.0 W/（m2·K）。

图5 和图6 分别示出原消声器气流速度和压力梯度分布云图。观察图5 及图6 可知，气流流动主要集中于第1 腔与第2 腔内，在进气管出口处气流流速急剧变大，马赫数偏高，且进气管出口处压力梯度过大，最大压力梯度达到了2.949 3×107Pa/m，初步分析在此高速工况下流动再生噪声贡献量较大，可采取优化消声器内部结构，改善气流流动状态的方式，提高降噪量并减小背压值。

2 改进方案及试验验证分析

2.1 缩口对消声器性能的影响

通过上述仿真分析可知，缩口的存在极大地改变了消声器内部气流场和压力梯度的分布，造成马赫数过大，压力梯度变化剧烈。为了探究缩口的存在对消声性能的影响情况，采用GT-POWER软件对其进行仿真分析。由于GT-POWER 在高频段会出现失真现象，其结果失去参考价值，所以初步确定0～2 000 Hz 作为仿真研究对象。设定条件为高温有气流的情况下得到传递损失，如图7所示，在460 Hz 以上，带缩口的结构总体上优于不带缩口的结构，而在100～260 Hz，360～460 Hz及1 710～1 900 Hz 频率段，不带缩口的结构要优于带缩口的结构，因此可知缩口结构在2 000 Hz 以下降噪效果较好，但由于缩口结构使通流面积变化较大，导致进气管出口气流流速及压降变化剧烈，易产生气流再生噪声并增大排气背压。

2.2 改进方案设计

由原消声器试验结果可知，在高频10.316 kHz 附近处存在降噪量不足、噪声严重超标以及排气背压值过高的问题，针对缩口对消声器性能影响的分析，初步确定通过去掉缩口并在前消中添加吸声材料的方式能减小高频噪声；适度增加进气管上小孔数量和增加隔板2 上排气孔数量，能改善气流流动状态，达到提高去掉缩口结构后低频段的降噪效果，减小高速气流再生噪声值。改进后方案结构示意图，如图8所示。

2.3 改进后仿真分析

对改进后消声器进行仿真分析，其气流速度和压力梯度分布云图，如图9 和图10所示。由图9 和图10可以看出，在去掉进气管出口处缩口和相应增加一些穿孔后，消声器内部气流速度突变较小，特别是在进气管出口处气流速度降低，相应的马赫数也得到了有效控制，压力梯度变化均匀，有效降低了高速气流流动过程中的气流再生噪声。

2.4 试验验证分析

结构改进后消声器在相同的试验工况下，在发动机转速稳定时测得的性能，如表2所示。从表2 可以看出，改进后排气背压值为29.4 kPa，相比改进前降低了11.4 kPa，插入损失也有较大提高。图11 示出改进前后消声器与直管噪声频率特性，从图11 可以看出，高频段噪声得到了有效的抑制，降噪量增加值最大达到了14 dB，极大地提高了消声器的各项性能。