發動機影響下的消聲器聲學性能分析

殷 健，時 巖，李守成，徐世龍，陳雷雷

（南京理工大學，江蘇 南京 210094）

0 引言

加裝排氣消聲器是消除發動機排氣噪聲的主要手段［1］，不同發動機的排氣噪聲頻譜不同，排氣氣流的溫度、速度也不同［2］，而這些都是影響發動機排氣噪聲控制的重要因素，因此在消聲器結構的設計和優化中，均不能脫離其所匹配的發動機。

目前國內普遍采用三維數值方法對消聲器的傳遞損失進行預測［3，4］，來分析消聲器的聲學性能。該方法與基于一維平面波理論的方法相比在模擬準確度上已經提高很多，并能夠準確地反映消聲器自身的傳遞損失。但該方法僅僅對消聲器進行了研究，卻脫離了與消聲器匹配的發動機。實際情況中，發動機會對消聲器的消聲特性造成不小的影響，最終造成預測結果和實際情況有偏差。所以在研究消聲器消聲性能時，將發動機的影響因素考慮進去能夠大大提高預測結果的準確性。

本文對正在開發的某款車型搭載的發動機以及排氣消聲器分別進行研究。對搭載的2．0VVT汽油發動機工作過程進行模擬，將不同轉速下排出的廢氣達到消聲器入口處的溫度和速度作為影響因素，分析其對消聲器性能造成的影響，最終準確地預測消聲器搭載發動機后的聲學性能。

1 發動機模型的建立

根據廠方提供的發動機基本數據，應用AVL BOOST軟件建立2．0VVT發動機模型。模型建立過程中所需要的幾何參數、性能參數和經驗參數，可分別通過幾何測量、具體的試驗以及經驗公式得到。

圖1為2．0VVT發動機一維燃燒模型，模型主要由系統邊界SB1、空氣濾清器CL1、諧振腔PL1、噴油器I1～I4、氣缸C1～C4、三元催化轉換器CAT1、消聲器PL2和PL3、管道1～28、系統邊界SB2組成。

圖1 發動機一維燃燒模型

2 發動機仿真結果

通過2．0VVT發動機燃燒模型，分別對發動機全負荷下在最大扭矩點和最高轉速點的工況（對應的發動機轉速分別為4 500r／min和6 000r／min）進行分析，然后讀取消聲器入口處測量點的溫度和流速數據。

圖2和圖3分別為發動機轉速為4 500r／min時，消聲器入口測量點處流體溫度和速度隨曲軸轉角的變化情況，其平均溫度為912．9K，平均速度為95．2m／s。

圖2 4 500r／min時測量點氣體溫度曲線

圖3 4 500r／min時測量點氣體速度曲線

圖4和圖5分別為發動機轉速為6 000r／min時，消聲器入口測量點處流體溫度和速度隨曲軸轉角的變化情況，其平均溫度為902K，平均速度為126．5m／s。

圖4 6 000r／min時測量點氣體溫度曲線

圖5 6 000r／min時測量點氣體速度曲線

3 排氣消聲器的聲學模型建立

首先建立排氣消聲器的三維幾何模型，圖6和圖7分別為前消聲器和后消聲器的三維幾何模型。前消聲器為帶穿孔管的抗性消聲器，中間主管道上開孔，前消聲器是擴張式消聲器和共振式消聲器的組合。后消聲器是一個由5個腔組成的雙排氣口消聲器，其包含的5根管分別為1根進氣緩沖管、2根中間緩沖管以及2根排氣管。

在幾何模型基礎上建立消聲器的聲學計算模型。以后消聲器為例，圖8為后消聲器的聲學計算模型，模型中除了第二腔使用四面體網格外，其他腔室和管道均用六面體網格。不考慮發動機影響時采用傳遞導納等效穿孔結構［5］。考慮發動機影響時采用直接建模的方式，由于后消聲器整體結構復雜，同時內部穿孔結構較多，因此考慮到穿孔結構網格劃分效果以及控制總網格數目，在建立空氣模型時將隔板和管道上圓孔用等體積的長方體等效，這樣既能夠保證穿孔結構穿孔率不變，又保證了計算精確度。

圖6 前消聲器幾何模型

圖7 后消聲器幾何模型

圖8 后消聲器的聲學計算模型

4 未考慮發動機影響時消聲器的聲學性能分析

建立前、后消聲器整體的聲學計算模型，綜合地評價前、后消聲器作為一個系統共同作用下的聲學性能。將聲學計算模型導入Virtual lab，在前消聲器的入口處加載激勵邊界，后消聲器的左、右排氣口作為出口邊界，計算得到聲場分布，做出消聲器整體的傳遞損失曲線，如圖9所示。

分析圖9中排氣消聲器整體作用下的傳遞損失，消聲器的聲學性能在800Hz以上的中高頻段較好，平均接近50dB～60dB；在800Hz以下的低頻段大體在20dB～30dB范圍波動。

5 考慮發動機影響時消聲器的聲學性能分析

將發動機燃燒模型計算得到的消聲器入口處氣體溫度和流速作為影響因素，模擬消聲器在此氣流溫度、流速下的聲學性能。

對比圖2、圖4中不同工況下消聲器入口處的溫度曲線可知，發動機在轉速4 500r／min，即發動機最大扭矩點處的溫度最高，曲軸轉過720°的平均溫度為913K，在后消聲器入口處為803K。通過在Virtual lab中定義介質材料來模擬溫度的變化，分別定義前消聲器和后消聲器內部介質的密度和聲速［6］。對比圖3、圖5可知，發動機在轉速6 000r／min，即發動機最大轉速點處時，前消聲器入口處氣流速度最大，為126 m／s，此時后消聲器入口處的氣流速度為103m／s。在前消聲器入口處定義流速126m／s、流勢0，后消聲器入口處定義流速103m／s、流勢0，分別計算得到前消聲器、后消聲器內部流速分布，然后將流速分布作為流速條件計算得到消聲器內的聲場分布，取前消聲器入口和后消聲器左、右排氣口的聲壓得到消聲器左、右排氣口的傳遞損失曲線。

圖9 消聲器整體作用左、右排氣口傳遞損失

圖10為綜合考慮2．0VVT發動機排氣溫度和速度情況下此消聲器左、右排氣口的傳遞損失曲線。

對比圖9中未考慮發動機影響時的傳遞損失，考慮了發動機排氣溫度和速度之后消聲器實際消聲效果變差，在800Hz～1 400Hz頻段內消聲性能減弱比較明顯，低頻段消音量也有變小。另外考慮發動機影響后，消聲器的通過頻率或消聲性能較差的點對應的頻率發生了偏移，消聲器的消聲頻帶也變得更寬。

6 結論

（1）發動機對排氣消聲器性能的影響因素主要有排氣溫度和排氣氣流流速，其中排氣溫度對排氣消聲器的聲學性能影響顯著。

（2）未考慮發動機的影響得到的排氣消聲器傳遞損失，在一定程度上也能反映消聲器聲學性能的好壞，但是消頻帶寬以及通過頻率點和匹配發動機后的情況存在明顯區別，導致仿真結果存在較大偏差。通過模擬匹配發動機的燃燒，將影響因素進行考慮，得到的排氣消聲器傳遞損失更貼合實際情況。

圖10 考慮發動機排氣溫度和速度情況下的左、右排氣口傳遞損失

［1］ 張永波，鄂立軍．淺談汽車噪聲危害與控制［J］．中國科技信息，2006（6）：108－110．

［2］ 龐劍，諶剛，何華．汽車噪聲與振動－理論與應用［M］．北京：北京理工大學出版社，2006．

［3］ Barbieri．Application of the FEM and the improved four pole parameters method to predict acoustic performance of expansion chambers［J］．Journal of Sound And Vibration，2004，276：1100－1106．

［4］ 曹玉煌．復雜消聲器的三維聲學性能數值模擬及其優化設計［D］．武漢：武漢理工大學，2010：22－29．

［5］ 李繼鋒，陳劍，文智明．復雜穿孔管結構消聲器消聲性能研究［J］．汽車技術，2010（1）：17－20．

［6］ 董紅亮，鄧兆祥，來飛．考慮溫度影響的消聲器聲學性能分析及改進［J］．振動工程學報，2009（1）：70－75．