某四缸發動機消聲器優化設計

吳孟兵

摘 要：以一款搭載四缸發動機的車型排氣系統噪聲為例，從試驗數據、學術理論、軟件分析等方面介紹了如何逐步利用排氣怠速噪聲、三檔全油門噪聲的頻譜圖和瀑布圖分析噪聲組成及問題存在原因，隨后利用分析結果結合流體噪聲理論優化消聲器內部結構，利用GT-power建模確認優化的可行性并通過整車實驗驗證本次優化的效果，GT-power建模分析結果與試驗結果的對比檢驗了流體噪聲理論的準確性。

關鍵詞：消聲器；階次；聲壓級；瀑布圖

前言

隨著外資企業的不斷進駐國內市場，自主品牌技術的提升以及市場的不斷細分，汽車市場競爭日益激烈，車企不能僅僅依靠價格戰來實現自我的發展；同時，隨著消費者的消費意識不斷增強，對產品的品質提出了更高的要求，促使我們必須從技術角度不斷提升產品品質。在購買和使用汽車特別是乘用車時，噪聲是顧客關注的一項重要的指標。其中，汽車排氣噪聲的優化對于提高汽車噪聲滿意度具有重要意義。

排氣消聲器是作用于發動機的燃燒廢氣，有效降低排氣噪聲的一種汽車零部件；同時，在一些特殊車型上，通過不斷的優化調試，以滿足購買者的排氣音質需求。消聲器的選用需要根據匹配發動機的排量、功率等參數確定，其降噪效果還跟發動機的燃燒參數有密切的關系。

文章通過對噪聲頻譜進行分析，根據振動噪聲理論知識，確定優化方向。同時，利用GT-power建模與實驗驗證相結合，有效的完成噪聲優化設計。

1 優化背景

某車型，搭載直列四缸汽油發動機，通過研究標桿競品車型的NVH特性，在設計之初，建立了一套排氣系統相關的性能指標（見圖1），作為其設計輸入和驗證指標。再結合前期的消聲器開發經驗，設計了一套較為合理的基礎模型。

經實車測試發現，排氣尾管噪聲相對前期設定的性能指標有一定的差距，不滿足設計要求，存在一定的優化空間。因此，在不變動排氣系統外模型的情況下，需要針對消聲器內部結構進行一定的優化。

2 數據分析

為了更好的研究和分析噪聲問題點并找出正確的優化方向，分別完成了排氣口怠速定置噪聲和整車3檔全油門加速噪聲測試。整車搭載的發動機為直列四缸汽油發動機，分別對2、4及6階次噪聲進行了解析，從而可以很直接的了解到各階次噪聲對總聲壓噪聲的貢獻量。

整車怠速噪聲60.07dB（A），相對目標值57dB（A）高3dB；從3檔全油門噪聲總聲壓曲線來看（圖3-（a）），1200-3500rpm下聲壓級較高，超出目標曲線，但無明顯峰值；低速下4階噪聲貢獻較大，在1200-2200rpm下，4階噪聲超出目標曲線，波動較大，在1400rpm左右達到峰值：4階120Hz；中高速情況下2階噪聲對整體貢獻較大，在2000-3500rpm下明顯超出目標曲線，在3000rpm左右達到峰值：2階120Hz；由以上分析可以看出，2階次低頻噪音是噪聲總聲壓超出目標曲線的主要原因，下一步需要針對其進行優化。

3 優化設計

由上述數據分析發現，60Hz-150Hz頻段噪聲是造成噪聲不達標的主要原因。基于此結論優化主消聲器結構。

吸音材料作用與高頻噪聲，效果較好，頻率范圍在一般為500Hz以上；擴張腔的長徑影響抗性消聲器的消聲頻率特性，長徑比越大，低頻性能越好，同時插入管的插入長度也決定消聲器的消聲頻率特性[1]。基于上述理論，對原始主消結構做出如下調整：此四缸發動機高頻噪聲并沒有太大的波峰，考慮空間布置及成本等，去除吸音材料的設計；基于點1的空間調整，增大部分擴張腔的長徑比（截面積不變）；增加插入管的插入長度，原設計為20mm，優化后為30mm；減小部分多孔管孔的分布密度，增大擴張比，降低其消音頻率；調整內插管布局，增加氣流行程，提高消聲量。

通過上述幾點優化思路，得出了下圖4所示的優化后的主消。

圖4 優化前后主消結構圖

將優化后的主消替換到排氣系統中，并應用GT-power建模[2]，建立如圖5所示的分析模型，其中發動機模型為實際搭載的四缸發動機的GT-power模型。

運算后得出的分析數據見圖6，與優化前的消聲器分析數據對比可得出以下結論：優化后總聲壓低于目標曲線，，二階噪聲基本無峰值，相比于優化前，3000rpm左右二階噪聲有明顯的改善，同時其他階次也有不同程度的降低和變化，整體效果較好，理論上達到了優化的目標。

4 優化驗證

針對優化后的主消進行效果驗證。測試排氣口怠速定置噪聲和整車3檔全油門加速噪聲（因試驗場地限制等原因，實際測量轉速上限4300rpm）。得出的對比數據如表1、圖7、圖8所示：

表1 怠速噪聲

5 結束語

優化后，怠速噪聲降低3.69dB（A），低于目標值。同時，由低頻段引起的中低轉速下噪聲偏大等問題也得到了有效的解決。優化后，總體噪聲曲線整體低于目標曲線。優化效果明顯。

對于由于部分頻段噪聲超差產生或出現峰值所引起的噪聲問題，可以通過調整消聲器內隔板的布置、內插管的插入長度以及擴張比等方式調整消音的頻段予以優化，其它例如調整內插管布置增加氣流行程等方式也可以有效的增加消聲器的總的傳遞損失；同時阻抗式消聲器可以作為消聲器設計和優化的方向。對于以上消聲器結構與消音特性的理論關系，可以利用GT-power針對單個消音元件進行計算，逐步對比分析，進而深入了解和掌握。

通過對試驗頻譜數據、瀑布圖等的分析，結合振動噪聲知識，同時合理發揮GT-power模型分析在計算插入損失等方面的作用，基本能夠實現完整的整車進排氣系統的噪聲優化設計。

參考文獻

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].機械工業出版社，2002.

[2]謝田峰，金國棟，鐘紹華.GT-POWER在內燃機排氣消聲器設計中的應用[J].內燃機，2003（9）.