汽车二级消音器整体设计的研究和应用

陈雪琴（合肥汇凌汽车零部件有限公司，安徽 合肥 230601）



汽车二级消音器整体设计的研究和应用

陈雪琴
（合肥汇凌汽车零部件有限公司，安徽 合肥 230601）

通过对二级消音器建模，并对照设计目标，将具体要求依次分解到各阶段的设计过程中。对不同布置结构的消音器进行对比试验和分析，研究结果表明：由二级消音单元组成的排气消音系统，消音单元的排列位置不同，获得的系统整体消音效果也不同；合理布置消音单元可以获得较大的插入损失和较小的排气压力，使消音器整体设计更为合理。

汽车NVH；二级消音器；消音单元；插入损失；排气压力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.014

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-42-03

引言

在汽车发动机工作过程中，需要及时将废气排出，此时的废气处于高温高压状态，直接排放会带来噪音污染和废气污染，通常采用排气消音系统来降低排气噪音。排气消音系统在降低排气噪音的同时，由于排气通道阻力的增加，还会使发动机的输出功率出现不同程度的降低。因此，排气消音系统的整体性能对汽车整车NVH性能和发动机的效率起着重要的作用。

对乘座舒适性有较高要求的当今，汽车排气消音系统一般由二级消音器单元甚至多级消音器单元串联组成，每级消音器单元又是由若干个消音元件组成。当前，在对车辆排气消音系统进行设计与试验中存在着两类问题：一是偏重于对每个单元消音器的性能设计，忽视对消音系统整体的性能的设计；二是偏重于对消音器的消音量的设计，轻视对排气消音系统排气压力的设计。

事实上，在对每个消音器单元进行设计后，还需要对不同的消音器单元布置进行综合分析，以确定系统的整体性能。但在已有的资料中，对这方面的研究颇少。为解决排气消音系统中各单体消音器在不同组合情况下对整个系统消音量和排气压力的影响效果，本文针对某轻型客车排气消音系统的设计和研究，总结出一套有效设计方法，便于同行借鉴；同时对整车排放噪音及其排气压力等性能指标的测试分析，得出消音单元的排列位置对消音效果的影响。

1、数学模型和原理分析

对于由n个单元消声器组成的消声系统，其声学模型可以用图2所示的四端网络来表示[2]。在图2中，p0、u0分别是系统输入端的声压和输入端质点速度，pn、un分别是系统输出端的声压和输出端质点运动速度。

当n=2时，输入端参数p0、u0与输出端参数p2、u2之间存在如下关系：

式(1)是单元1作为第一级消声器和单元2作为第二级消声器时的表达式。

如果把单元1作为汽车消声器系统第二级消声器，而把单元2作为第一级消声器，即把2个消声器单元在消声器系统中的位置对调时，其表达式应如式(2)所示：

一般来说，由于2个消声器的内部结构设计的不一样，即每个消声器的消声作用不一样，一级消声器一般是抗性消声器，主要是消除对一些特定的噪音频率；二级消声器可以是的抗性消声器，也可以是阻抗复合性消声器。它们各自的传递矩阵也不一样，因此：

由式(3)可看出，当把两级消声器组成的消声系统中2个消声单元对调时，其消声效果是不一样的。对于消声系统的排气压力也有同样的分析结果。

2、排气系统的性能要求及其设计

在具体的设计过程中，作为设计师在关注消音器布置设计的同时需要重点关注汽车消声器的性能要求，根据性能的具体要求进行设计应对：

2.1消声量（插入损失）

消声量的大小是以消声器的插入损失来评价的，以发动机台架测试为主要手段，通过分别测试空管及消声器的噪音值，求出其差值，即得到插入损失，抗性消声器结构见图 3所示。

2.1.1抗性消声器

通过管道形状、尺寸的变化，使声波在管道和共振腔内发生反射从而抑制声音，对中低频噪音有很好的消声效果。

2.1.2阻性消声器

在消声器内放置吸声材料，声能被吸声材料吸收并转化为热能，达到消声目的，主要用于消除高频噪音，吸声材料安装在消声器的内表面，且在吸声材料内部声能转换为热能，见图4。

2.2消声器功率损失（背压）

消声器功率一般用发动机功率损失比评价，定义为在额定功率点的r等于不装消声器时的发动机功率p1与装消声器时发动机的功率p2的差值，除以不装消声器时功率p1。

由于消声器消耗率较小，发动机工况不稳定等因素影响，功率损失比不易准确测量获得，一般直接用消声器的排气背压来进行评价，见表1。

表1　标准［3］对不同车型的功率损失比的规定

2.3结构强度

消声器的结构强度有以下四个方面组成。

2.3.1振动耐久性

用来评价消声器排气管抗拒振动的能力。汽车排气系统在使用中，要经受来自发动机、车体、高温气流带来的振动[1]。汽车行业标准是模拟装车状态，在给定振动频率、振动加速度的情况下，检测耐振动的时间，具体见表2。

表2　检测消音器耐振动条件

耐振性设计主要是加强筋、折边、凸台、翻边、缝焊等等，增加消音器整体刚度，改变消音器整体自共振频率，以达到耐振动要求，见图4。

2.3.2密封性

将消声器安装在密封性试验台上，消声器内相对压力保持在30kp时，漏气量不大于100l/min。[5]

2.3.3防火性能

发动机燃烧的高温气体通过排气系统排出，整个排气系统的外表面温度很高，其中发动机排气歧管温度高达 700℃以上，在尾管处温度 在300℃左右。因此，消除排气系统对周围零件的热影响成为产品设计的一个关键点。一般在排气系统的前部及车体部位加装隔热罩。

2.3.4耐腐蚀性能

发动机燃烧的高温气体经过催化器化学反应后，产生高温水汽通过排气系统排出，整个排气系统长期处于高温潮湿的环境，尤其是处于尾端的消声器，水汽凝结于此，对消声器的防腐蚀性能提出很高的要求。在产品设计上，多选用耐腐蚀性能高的材料，以及排水结构使凝结的水尽快排出减少锈蚀。

3、试验系统与测试方法

试验在发动机台架室和半消声室内进行。

见图5、图6，二级消声器安装在位于台架室相应的发动机排气口，发动机的负载由测功机提供。消声器位于半消声室内，传声器位于同消声器尾管轴线成45°的夹角处，距尾管500mm，测点距地s面高度大于1.2m。

试验依照标准[5]、[6]要求，对排气系统的插入损失、功率损失比和排气背压等性能参数进行了测试。试验对象分别为空管、原状态排气系统、互换消声单元的排气系统。

测试系统由声学测试系统和测功机数据采集系统等组成，其中声学测试系统由1型传声器与前置放大器、动态分析仪等组成[3]。除传声器和前置放大器位于半消声室内以外，其余都位于测试控制室内。测试时利用动态分析仪的1/3倍频程功能和声级计功能分别测量各试验对象的排气噪音声压级。

对三种试验对象进行测试时发动机按 GB/T18297中的规定标定工况，即在额定功率和相应转速下稳定运转。待转速、功率及排气温度稳定1min后进行测量。试验结果如表3所示。

表3　消声单元不同排列状况下的性能

4、实验数据分析

从表3可以看出，按图1所示的原来排列方式，消声单元1位于第一级，消声单元2位于第二级，排气消声系统的平均插入损失为 18.76dB(A)，排气压力随着转速的提高由10.7kPa增加到37.1kPa。

当把原来排列方式的两个消声单元进行对调后(即消声单元2位于第一级，消声单元1位于第二级)，此状况下排气消声系统的平均插入损失增加为 21.73dB(A)，并且在2000r/min以上的高转速范围内，排气压力也有所变小。

5、结论

通过试验分析得出以下结论：同体积的消声器仅通过合理布置消声元件，就可以获得更大的插入损失，并可以获得较小的排气压力。在二级消音单元组成的排气消音系统中，消音单元的排列位置不同，获得的系统整体消音效果也不同。

[1]刘晨，季振林，郭小林，等.汽车排气消声器结构形式对压力损失的影响［J］.汽车工程，2008(12).

[2]马大猷.现代声学理论基础［M］北京：科学出版社，2004.

[3]黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础［M］北京：机械工业出版社，2004.

[4]M.L.Munjal.Acoustica of Ducts and Mufflers with Application to Exhaust System and Ventilation System Design M］.John wiley& Sons Inc.1978.

[5]QC/T631汽车排气消声器总成技术条件和试验方法 [S].

[6]GB/T18297汽车发动机性能试验方法[S].

Research and application of the overall design on car secondary muffler

Chen Xueqin
(Hefei hui ling auto parts co.,LTD,Anhui Hefei 230601)

Based on the secondary muffler model,and reference to the design goal,we put the specific requirements to each phase of the design process.By comparing the different arrangement of the structure of the silencer,the results show that: the system of deadened the noise of exhaust by the secondary units muffler,in different arrangement position of the mute unit,the sound effects of the overall system are also different; reasonable arrangement can obtain larger insertion loss and low exhaust pressure,this overall design is more reasonable.

Automobile NVH; Secondary muffler; Mute unit; Insertion loss; Exhaust pressure

U463

A

1671-7988（2016）08-42-03

陈雪琴（1969-），女，就职于江淮汽车集团，设计主师，一直从事汽车消音系统产品设计工作。