某重型汽车消声器设计

马福龙，周亮，姚旿斌，杨武

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

概述

汽车噪声给人们的生活带来诸多问题，不仅危害着人们正常的睡眠和休闲，长期受噪声影响将导致听力受损。发动机噪声是汽车行驶中主要噪声来源，因而控制汽车噪声可从限制发动机噪声开始。发动机噪声主要包括空气动力性能噪声、气体燃烧噪声以及机械振动噪声，其中，空气动力性能噪声主要由进排气噪声与风扇噪声构成，在发动机噪声中所占比例最大的是进排气噪声。控制发动机噪声的水平很大程度上是由控制进排气噪声决定的。对于降低排气系统的噪声，经过验证得知安装消声器效果最显著也最便捷。

1 消声器的功能及主要结构形式

消声器是一种阻止声音传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声的主要措施。一个良好性能的消声器安装在发动机排气管路中，能使出口噪声降低20～50dB。

按照消声激励的不同，消声器分为抗性消声器、阻性消声器、阻抗复合型消声器。其中，抗性消声器主要由截面突变的管和室组成，能够引起声传播过程中的阻抗变化，使声能产生反射、干涉，达到消声目的。抗性消声器对中、低频范围的噪声具有较好的消声效果，对宽带高频率噪声效果则相对较差；阻性消声器是在内部排气通过的管道填充吸声材料来吸收声能量达到消声的目的。阻性消声器对中、高频带消声效果较好，对低频带消声效果较差。阻抗复合型消声器是分别用抗性消声单元和吸声材料组合构成的消声器，它具有阻性和抗性消声器的共同特点，对低、中、高频噪声都有很好的吸声效果。

2 消声器性能评价指标

消声器性能的评价指标包括声学性能评价、空气动力性能评价及结构性能评价等三个主要方面。

2.1 消声器声学性能评价

消声器声学性能的重要评价指标之一是消声量，其大小有四个度量指标。分别为声压级差值、插入损失、传递损失和声衰减量。

（1）声压级差值

在系统内，任两点压级差值叫做声压级差值，计算公式可表示为：

式中：Lp1和 Lp2—任意两点声压级，dB； p1和p2—任意两点声压，Pa。

（2）插入损失

插入损失是指安装消声器前后在消声器出口某一固定点测量的排气声压级之差，计算公式可表示为：

式中：LIL—插入损失，dB；

Lp1—安装消声器前在某点测量的排气声压级，dB；

Lp2—安装消声器后在某点测量的排气声压级，dB；

（3）传递损失

传递损失是指消声器进口的入射声功率级和出口透射声功率级之差，计算公式可表示为：

式中：W1、W2为消声器入口和出口端的声功率(w)，LW1、LW2为入口和出口端的声功率级(dB)。

（4）声衰减量

声衰减量定义为通过测量消声器内轴向两点间声压级差值所求得的消声器单位长度的声衰减量(dB/m)。声衰减量反映声音沿消声器通道的传播特性，即声音衰减过程。

2.2 消声器空气动力性能评价

消声器的气动性能是评价消声器优劣的另一项重要指标，它直接影响到发动机的性能，并且还存在与发动机匹配的问题。消声器的空气动力特性评价指标通常有压力损失、阻力系数和功率损失比。

（1）压力损失

压力损失又称阻力损失，消声器的压力损失指消声器内部存在给定的平稳气流时，消声器进口端与出口端平均全压之差。如果消声器两端的截面面积相等，并可假定流速沿截面分布的流场相同，则压力损失就等于消声器两端气流平均静压之差，即：

阻力损失主要分为两大类：一是管壁沿程摩擦阻力损失，二是局部阻力损失。

（2）阻力系数

消声器的阻力系数为通过消声器前后的压力损失与气流动压之比值，即：

式中：pv=10ρv2/(2g)，∆p 为压力损失（Pa），pv为动压值（Pa），ρ是空气密度（kg/m3），v是消声器内的平均气流速度（m/s），g是重力加速度（m/s2）。

（3）功率损失比

功率损失比是发动机在标定工况下不使用消声器的发动机功率Ne1，与使用消声器时发动机的功率Ne2的差值和Ne1的百分比，即：

功率损失比反映了消声器的阻力损失对发动机性能的影响。对消声量为10～20dB（A）的排气消声器，要求消声器对发动机的功率损失比RN ＜5%，到20～30dB（A）时，则要求功率损失比RN ＜7%。

2.3 消声器结构性能评价

一个性能优良的消声器，除了要满足其在消声性能和空气动力性能上的要求外，还应该在安装尺寸、机械强度、使用寿命、造型等方面满足要求：

（1）几何形状适宜，外观尺寸要符合各自的使用要求。

（2）机械强度高、能耐高温，耐废气气流的污染与腐蚀并且保养方便。

（3）结构刚性好。

（4）消声器应该结构简单，工艺性好，成本低廉，造型美观。

3 消声器设计

3.1 发动机参数

某重型汽车选用潍柴WP10.375发动机作为其动力装置，其相关参数如表1所示：

表1 发动机参数

3.2 消声器消声量计算

设计消声器时首先要确定降低排气噪声的目标值，即由发动机排气噪声大小、频谱特性和消声器所匹配车辆的噪声限值来决定消声器消声量大小。根据整车噪声限值来计算消声器出口噪声限值。假设声源特性属线性声源，声衰减量 L为：

式中：R1—消声器出口处噪声限值点到声源点距离；

R2—整车噪声限值测点到声源点距离。

已知整车车外加速行驶噪声限值La=84 dB (A)，R1=0.5m，R2=7.5m，L=10lg(R2/R1)=10lg（7.5/0.5）=11.6(dB)(A)

消声器出口噪声限值Lm=L+La=95.6(dB)(A)

发动机排气声压级为110 dB (A)，那么消声器的消声量应大于：

3.3 消声器形式和级数的选择

对于重型汽车，选择单级抗性消声器。

3.4 消声器容积设计

消声器容积不仅影响消声效果，而且还影响到消声器的功率损耗。如果容积过小，则自身效果差，而且功率损失也大。合理的选择方法是在使用条件允许的情况下。尽量采用较大的容积为宜。消声器的容积：

式中：Q为与消声效果有关的修正系数，可取Q=2～6，对消声要求越高时，Q值越大，本文取Q=6；n为发动机转速，r／min；VL为发动机排量，L；τ为发动机冲程数；i为发动机气缸数。将发动机参数带到以上容积计算公式当中，消声器容积：

3.5 消声器进口直径设计

消声器进口直径大小对气流流速有很大的影响。一般进口处的流速不宜过大，一般不宜超过 60m/s，同时还要避免因直径过小而引起的整个排气管截面突变。排气质量流量M为1650kg/h，即M=0.4583kg/s。消声器进口处温度300℃，且在300℃时标准大气压下的密度ρ=0.6084 kg/m。由密度可求得体积流量Q=M/ρ，即Q=0.7533m3/s，进气口直径：

式中：Q为进口处排气流量，m3/s；Vmax为允许气流最大流速，取Vmax=60m/s。将Q，Vmax带入式中，求得消声器进气口直径：

由于消声器进气口与排气管连接关系的限制，d=0.120 m时，Vmax=66 m/s也是可以的。

3.6 扩张比的选择及消声器直径、长度设计

消声器扩张比是指消声器截面积与进口处截面积之比。对消声器插入损失要求越大，扩张比选择值则越大。一般分车型选择，轻型车、轿车为12～15，中型车为9～10，重型车为6～7。本文选择扩张比M=6，消声器直径：

重型汽车消声器本体的长度与直径之比一般为L/D=3～4，本文取3.5，消声器长度：L=3.5D=0.3×3.5

3.7 消声器截面形状的选择

目前，重型汽车用消声器截面形状常见有三种：椭圆形、圆形及长方圆形。在实际设计中，首选圆形。本文消声器的设计选用圆形，进气口中心与消声器中心重合；考虑到整车涉水需求，出气口选择与消声器中心垂直。

3.8 消声器内部结构设计

抗性消声器内部由内插管、隔板构成。根据经验公式，消声器进气管长度为整个消声器长度的 1/2，穿孔率在 25%～30%时，消声器在中高频段消声效果较好且压力损失较小，这弥补了不带内插管的简单抗性消声器低频段消声效果好，中、高频段消声效果差的缺点，所以进气管长度取 525 mm。排气管长度对旁支型消声器的传递损失影响比较微小，本文取排气管长度 300 mm，综合排气管轴线到消声器前端面的距离对消声器空气动力学性能和消声器在安装空间的影响，取排气管轴线到消声器前端面的距离770mm；隔板和内插管的孔径一般控制在4～10mm，其中进气内插管孔径取4 mm，隔板和排气内插管孔径取9 mm。

根据以上消声器主要参数，利用 CAD绘制出消声器二维图，见图1所示：

图1

4 结论

消声器结构越复杂，消声性能就越好，但排气阻力也越大。平衡消声器的声学性能和阻力特性，对提升消声器的设计和改进具有重要的意义。一般在满足消声性能的前提下，消声器力求做到结构简单。

[1]《汽车工程手册》汽车工程手册编辑委员会编著[Z].人民交通出版社.2001.5.

[2] 薛飞.工程机械抗性消声器综合性能分析与优化设计[D].东南大学.2014.

[3] 陈应航.汽车排气消声器传递损失分析和优化[D].合肥工业大学.2015.

[4] GB/T 495-2002 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法.

[5] QC/T 631-2009 汽车排气消声器总成技术条件和试验方法.