簡析如何優化汽車排氣消聲器性能

吳熙平

摘要：隨著駕乘人員對駕乘舒適度、操控性的不斷提升，汽車生產企業對汽車消聲器性能指標提出了更高的要求，因此進一步優化消聲器內部結構是提升汽車排氣消聲器性能指標重要途徑。

關鍵詞：汽車排氣消聲器;消聲器性能;優化

汽車排氣消聲器主要是通過消聲器的內部結構如：迷宮式結構、擴張室、共振腔、阻性包等結構的阻性、抗性、阻抗復合消聲器形式，消耗、隔離排氣噪聲能量達到降低排氣系統噪音的功效。

排氣消聲器性能的好壞，主要通過實車試驗檢測和主觀評價、發動機臺架試驗室及消聲室等進行相應的消聲器插入損失，汽車加速行駛車內、外噪聲及車輛定置噪聲等性能的測試評價。

優化是根據排氣噪聲頻譜的波峰及超標部分的情況，通過CAE仿真設計計算分析調整、改變消聲器結構達到降低波峰及超標排氣噪音的目的

1.某款MPV汽車排氣消聲器優化項目介紹

主機廠對該車現有排氣系統性能指標比較滿意，但對采用的雙模態消聲器總成的雙模態閥門產品耐久性有些擔心，希望有個備用方案。故需對消聲器現有結構進行優化取消雙模態閥門。

（1）項目目標：新系統性能指標不低于原方案水平（原方案作為目標）。

（2）項目資源：主機廠提供：測試用車

采集系統：LMS 數據采集系統，振動噪聲儀、轉速表、車速測量儀、PCB 傳聲器，壓力傳感器，BK 聲級計，Dell 移動工作站等。冷流試驗臺、樣件試制。

2.原汽車排氣消聲器性能測試

首先通過實車及實驗設備對原排氣系統性能測試，測試內容是：檢測車內（駕駛員左右兩側、中排、后排）、車外噪聲值（定置、汽車加速通過）、排氣系統背壓值及模態測試。

2.1 排氣系統性能測試

為了更好地了解原產品（雙模消聲器）的實際性能，以及了解主機廠所提供的試驗車的車輛性能，特制定原產品測試與計算計劃。

2.1.1 實車測試：測試車輛：主機廠提供的試驗車。測試對象： 排氣系統總成：

測試對象有：原方案：0#中消（帶閥門）、0#中消（全開）、0#中消（全閉）、0#后消（帶閥門），以及對比方案中消1#。

（1）實車測試場地：測試場地北京交通部試驗場，按照GB 1495-2002布置場地。

（2）測試環境：從測試環境來看，氣溫為30℃，風速 2-4m/s，為道瀝青路。

（3）測試設備：LMS 數據采集系統、振動噪聲儀、轉速表、車速測量儀、PCB 傳聲器、壓力傳感器、聲級計。

（4）測試工況：（定置：怠速、2GWOT）

依據GB/T 14365-1993，進行機動車輛定置噪聲測量：怠速時的排氣尾管輻射噪聲及發動機從怠速急加速到轉速為6000rpm時提速、減速過程的排氣尾管輻射噪聲。

依據GB 1495-2002，裝載自動變速器的M1輕型車汽車加速測試工況有：

入線車速30km/h、40km/h、50km/h，加速踏板踩到底，直至出線;

2.1.2 冷流測試：測試設備： 冷流臺及半消聲室 、 測試對象： 排氣消聲器總成

測試數據： 插入損失、壓力、流速、流量等

2.1.3 模態測試：測試設備： 模態振動測試臺、測試對象： 排氣消聲器總成

測試數據： 自由模態、約束模態

2.2 測試數據：

2.2.1 加速行駛車外噪聲試驗： 自動檔模式，加速行駛車外噪聲，單位：dB（A）

30km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 30/1590，39/73.6dB

40km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 40/1570，52 /69.8dB

50km/h進、出線速度（km/h）、轉速（rpm）、測量值： 50/1520，55 / 70.5dB

數據分析：由上表得出，該車加速行駛車外噪聲為73.0dB（A），符合國家標準（≤74.0dB（A））。

2.2.2定置怠速尾口噪聲59-63dB均高于目標線58dB：

2.2.3階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有部分頻率高于目標線。

2.2.4 排氣背壓等均符合目標值曲線。

2.2.5 模態測試結果：自由模態：試驗與仿真模態頻率相接近，除 4、5、6 階模態頻率誤差在 10%左右外，其余各階均在5%以內。

約束模態：仿真與試驗值相接近，差值基本都在 5Hz 范圍之內，發動機怠速激勵頻率為 26.6Hz，二階橫向彎曲和扭轉模態頻率在 22Hz 和 29Hz 左右，避開了怠速激勵頻率。因此在怠速下，發動機不存在激起排氣系統共振的隱患。

3.結構優化設計排氣系統的CAE仿真分析

CAE仿真分析包括：聲學計算：一維聲學，三維聲學計算（GT-POWER、 ANSYS）

流體計算：CFD三維流體計算（Fluen）、結構計算：模態分析 ?（Nastran）等

針對超出目標線以外的波峰頻率進行結構優化設計，優化方案多采用以下方法：當總聲壓級大部分高于目標線時，可調整消聲器容積結合增加阻性包，減小進、出氣管管端直徑。當低頻部分較寬頻段高于目標線時，可采用加大消聲器或第一腔室容積也可采用雙模態閥門。當低頻有窄幅波峰高于目標線時，可采用設計共振腔的方式，以消除噪音波峰。當中高頻較多部分高于目標線時，可采用增加阻性消聲結構的方式。須經過聲學分析計算后進行相應的實驗驗證。

4.消聲器的CFD優化

經過測試，雖然該車排氣消聲器性能良好，但是為了能夠仿真分析排氣消聲器中的氣流特性，可以對三維CFD仿真的方式進行使用。

針對副消聲器而言，改變第一腔穿孔管的穿孔率，可以降低二次噪聲;將孔開在第三腔的內插管表面，降低排氣背壓;針對主要消聲器，第一腔中的排氣管長度可改短，提升第一穿孔管的孔徑和穿孔率，以便更多的氣體流入，第三腔的進氣管縮短，降低對擋板的沖擊，在第二腔的進氣管上開孔，以降低排氣背壓。

5.對第一輪消聲器優化方案進行測試

5.1 經過優化后的排氣系統經整車及實驗室：測試總消聲壓級（A）有部分提升。

5.2 定置怠速尾口噪聲有明顯提升基本達到目標線58dB的要求：

5.3 階次噪聲：（2階、4階、6階、8階）均有明顯改善達到目標線的要求。

6.結語

綜上所述，汽車的排氣消聲系統不僅可以在發動機工作的時候處理產生的廢氣，而且還采用了消聲結構及材料，實施了特殊形式的氣流管理，在廢氣向外排出的同時，通過結構優化設計的氣流管理，使排氣氣流的噪聲有所降低。