汽车排气消声器性能分析及改进

吕学峰 于志冬

【摘 要】由汽车发动机排出的高温气体在进入排气消声器时，将对消声器的消声性能产生较大的影响。高温不仅可以改变气体的属性，还会对消声器内的声传播产生影响。因此，探究温度对消声器消声特性的影响是非常有必要的。本文提出了一种可有效降低排气温度的排气换热系统，并对其进行仿真分析和试验验证，证明设计的可行性。

【关键词】汽车排气；消声器；性能

引言

排气噪声是主要的汽车噪声之一，消声器作为控制汽车排气噪声的关键部件，其消声性能和压力损失对汽车的噪声水平、动力性能和经济性具有显著影响。消声器传统设计中往往以传递损失和压力损失作为评价参数对其进行静态设计。虽然该方法在一定程度上能获得消声器的声学性能情况，但难以考虑发动机对消声器性能的耦合影响，因此往往难以达到预期的消声效果。

1、国内研究现状

相比国外的学术研究，国内学者研究消声器的起步较晚，直到20世纪80年代后期，我国学者开始对消声器进行研究，为国内消声器研究奠定了基础。在科研工作者的不断努力研究下，我国在消声器研究方面取得了阶段性的研究成果。上世纪80年代后期国内学者们利用一维声传递矩阵开启了对消声器声学性能的研究历程。1988年，盛胜我研究了具有声能耗散时抗性消声器的传递矩阵，找出了声能衰减的三种主要原因，并利用直接堵塞法测得了矩阵元素值，得出了在具有声能耗散时声波在管道中的传递矩阵。1991年，黄其柏、夏薇在考虑排气气流和温度的影响下，研究并得到了四种常用消声元件（突变插管、刚性直管、摩擦穿孔板和穿孔声管）的传递矩阵，并通过试验验证了该理论的正确性。1994年，蔡超等人根据消声器传递矩阵分析方法，在未考虑气流再生噪声问题的影响下，得到了拖拉机抗性消声器12种不同声学子结构的传递矩阵，该研究为后期的消声器工程设计创造了条件，大大拉近了我国在一维声波研究领域与国外的距离。

在探讨消声器内部气流对声学特性的影响方面，国内学者做出了很多努力。刘伯潭等人基于计算流体力学，利用Star-CD软件对复合式消声器内部流场进行了数值仿真，探究了消声器内部气流对其声学性能的影响。罗虹等人使用数值分析方法对消声器内部的流场、温度场及声场进行分析，证明了消声器的流场和温度场对消声性能具有重要的影响。李国祥等人通过研究一种具有典型结构的消声器流场和温度场，研究表明气流温度降低时，抗性消声器的传递损失曲线会向低频方向移动。刘晨等人利用GT-Power软件探究了高温气流对三通穿孔管和直通穿孔管消声器在静态时传递损失的影响，研究表明高温气流对消声器的声学特性能够产生直接影响。

2、仿真模型建立

副消声器为一简单扩张式结构，进、出口管径为36mm，管壁厚度为1mm，扩张比为8；主消声器由三腔三管组成，中间管和出口管在中间腔室部分均开有18个直径为7.8mm的均布小孔。

由于GT-Power软件采用一维有限体积法对流体动力学流动方程进行求解，因此在用GEM3D软件建立好消声器几何模型后，需要将模型离散化处理。排气管路离散长度一般为气缸直径的0.55倍。本文中汽油机的气缸直径为78mm，因此定义排气管路离散长度为42mm。排气管路壁面热传导求解模块参数设置如下：表面热传导系数为15W·（m2·K）-1，壁面厚度为2mm，表面散热系数为0.8。

3、仿真结果分析

3.1、插入损失仿真分析

插入损失指安装消声器前后，管口向外辐射噪声声功率级之差。它不但与消声器本身的结构有关，而且与声源及末端的声学特性有关，因此相比于传递损失更能反映消声器的实际消声效果。根据发动机常用转速范围和企业要求，选取发动机的转速范围为1000～2500r·min-1，对消声器的声学性能进行分析。图3为原消声器的转速在1000～2500r·min-1时的插入损失仿真结果，其中虚线为企业要求的插入损失目标值。由图3知，在转速为1000～2500r·min-1整个范围内，消声器的插入损失均未达到要求，尤其在常用转速2500r·min-1时，仿真值与目标值相差最大，消声效果最差。

3.2、压力损失仿真分析

压力损失指进、出口管中截面的全压差。由于较高的压力损失会降低发动机的动力性能，因此，在排气系统优化设计中不仅要获得较好的声学特性，还要尽可能的减少压力损失。在发动机节气门全开情况下仿真得到的消声器压力损失结果，其中虚线对应企业允许的最大压力损失值。随着转速的增加，整个排气系统的压力损失呈上升趋势，但远小于目标值2.0×104Pa，消声器空气动力性能良好。

4、结构多参数、多目标、多工况优化

4.1、响应面拟合及质量评价

通过建立响应面模型，就可以对参数因子输入的不同值进行插值计算，最后通过在响应面搜索合适的结果，得出所需的最佳响应，连接弯管直径和主消声器穿孔直径对压力损失和尾管噪声的响应图。由于响应面的拟合精度对后续的优化结果有重要影响，因此需要对响应面的拟合质量进行评价，其主要评价指标组成包括模型总方差的误差分数（R-Squared，R-Sqr即2R）代表指标、修正的2R（AdjustedR-Squared，AdjR-Sqr）指标和预测的2R（Q-Squared，Q-Sqr）指标。其中AdjR-Sqr指标具有更高的可靠性，能排除过度拟合的影响，因此采用AdjR-Sqr指标对响应面的拟合质量进行评价。

4.2、消声器结构多参数、多目标优化

在采用拟合精度较好的响应面的基础上，对消声器结构进行多参数、多目标优化。优化过程中采用遗传算法进行求解。根据实际情况，优化条件设置为尾管噪声最小，而压力损失不超过2.0×104Pa；转速1000r·min-1时的权重系数为0.3，转速为2500r·min-1时的权重系数为0.7。将各个参数的全局最值代入GT-Power计算模型中进行求解，得到改进前、改进后插入损失和压力损失的对比结果，优化后消声器的整体插入损失有了明显提升，且都在目标值以上，尤其在转速2500r·min-1下，其值由18dB提升至32dB，效果显著。虽然系统压力损失整体也呈上升趋势，但变化相对较小。在常用转速2500r·min-1下，改进后的压力损失最大值为1.3×104Pa，远低于目标值2.0×104Pa。

结束语

针对某汽车消声器插入损失过低的问题，基于DOE方法，对消声器结构进行多参数、多目标优化，改进后的消声器整体插入损失有了明显提升且基本在目标值以上，尤其在转速2500（r·min-1）下，其值由18dB提升至32dB，效果显著；虽然压力损失增至1.3×104Pa，但远小于目标值2.0×104Pa，消声器的综合性能得到了提高。

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（作者单位：长城汽车股份有限公司）