某排气消声器内气流冲击流场性能优化

汤海娟 任平 储胜林

摘 要：某轿车在路试过程中发现，后保杠下方排气消声器表面变色发黑，影响车后方造型美观。经有限元仿真分析发现是消声器内部高温热气直接吹击消声器壳体壁面导致。本文设计师对消声器内部结构进行多种方案优化，最终解决了故障，同时消声器内压力损失保持不变。

关键词：消声器;空气动力学;流场

中图分类号：U464.134.4 文献标识码：A

1 背景介绍

汽車排气系统主要有两大功能：一是废气处理，二是降低噪声。消声器作为排气系统中用来降低噪声的主要元件[1]，布置于排气系统的中后端位置。

本文所述轿车，其消声器位于排气系统后端，后保险杠下方，从车后方位置可看到消声器的边缘。路试试验中发现，消声器表面变色发黑，影响车后方造型的美观。

2 原因分析

发动机的排气压力为0.3 MPa～0.5 MPa，温度在500℃～700℃，同时由于排气的间歇性，在排气管内引起排气压力的脉动[2]。消声器的作用决定了在车辆行驶过程中，其内部气流的高温高压高速的特性。本文所述车辆的故障情况需要从消声器内部气流的流场特性着手分析。

本案例中的消声器位于排气系统末端，单管进双管出，内部有三根横插管连接两侧双尾管，内部被隔板分割成四个腔室。

经STAR-CCM+有限元分析消声器内部流场，显示消声器进口气流直冲消声器末端壳体，高温热气直接吹击壁面，造成消声器后部有“烧红”现象，与试验故障现象发生状态吻合。

3 优化方案和效果

消声器气体在排气系统中的流动，实际上就是一种湍流运动[3]。在实际工况中，消声器内部由于结构复杂，流速和温度变化较大，此时借助有限元仿真可以为消声器的性能分析提供便利。计算流程包括设计数模处理、网格划分、建立CFD有限元模型、定义边界参数、求解分析、方案改进再建模分析直至性能达标。

本文在前处理软件Hyper-mesh中对排气消声器及进出管路数模进行网格划分后进入Star-ccm+软件中进行分析。诸多理论研究表明，空气在空调风道里的流动适宜于采用不可压缩流体的模型描述。假设整个流体是稳态湍流，不考虑流体重力，忽视分子间的粘性[4]。

由于故障现象是气流直冲消声器壳体造成，因此改变气流路径是解决问题的方向。压力损失对于保证发动机功率传递重要的约束条件，也是排气系统的设计是个重要的指标，此次优化流场同时需要保证压降的变化在设计允许范围内。

原设计进气管的布置位于消声器中段，气流从进气管进入后进入消声器腔内，因为气流的高速特性，气流冲击在内管上后仍冲击到消声器壁面，致使壁面正对进气管位置出现高压区域，见图2。由于排气气流的高温性，以及尾气中含有的发动机燃烧排放污染物，会加速消声器壁面出现变色甚至锈蚀的现象。

针对路径改变提出四个优化方案：方案A在原设计内插管上增设挡板;方案B在原设计内插管上增设穿孔挡板;方案C在原设计腔内增设横向挡板;方案D在原设计腔内增设横向穿孔挡板。

改进方案和壳体压力分布对比图示如下：

对比四个方案与原设计的压力云图，即图3和图2，方案A壳体高压区均匀，最高压避开中间区域，已被规整为条状，分布最大区域压力约8 kPa，小于原设计的9 kPa，方案B壳体压力不均匀，当最高压不规则，且最高压近9 kPa，预判车辆长时间行驶故障会再现，方案C和方案D基本相当，高压区集中，最高压近9 kPa，且为大面积存在。相比方案A高压区域面积最小，且相比较原设计改善明显。

对比四个方案与原设计的压降，原设计消声器压降11.72 kPa，方案A压降11.61 kPa，方案B压降11.66 kPa，方案C压降11.90 kPa，方案D压降11.89 kPa，发现方案A和方案B相较原设计稍有减小，方案C和方案D相较原设计增大。基于以上，选择方案A作为最终的改善方案实施。

4 结束语

针对路试中出现的消声器“烧红”发黑现象，经有限元仿真分析发现是消声器内部高温热气直接吹击消声器壳体壁面导致。由于排气气流的高温性，以及尾气中含有的发动机燃烧排放污染物，会加速消声器壁面出现变色情况。本文设计师对消声器内部结构进行多种方案优化，最终解决了故障，同时消声器内压力损失保持不变。

参考文献：

[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]陈家瑞，等.汽车构造[M].人民交通出版社，2008.

[3]李存鹏.工程机械消声器流场分析及降噪研究[J].兰州文理学院学报，2019，33（01）：50-53.

[4]范平清，王岩松，陆倩芸.汽车空调吹脚风门的改进设计与试验验证[J].现代制造工程，2015，38（07）：56-60.