排氣歧管異響解決方案

束銘宇

（玉柴聯(lián)合動(dòng)力股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

前言

排氣歧管是連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口到排氣系統(tǒng)的零件，它工作溫度高，振動(dòng)大，工作條件苛刻[1]，因此排氣歧管的開(kāi)發(fā)主要考慮流動(dòng)性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作動(dòng)力性的影響、結(jié)構(gòu)在高溫振動(dòng)條件下的機(jī)械強(qiáng)度及壽命、在發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱交變的工作條件下的熱疲勞性能，很少關(guān)注本文中出現(xiàn)的異響現(xiàn)象，

本文某 1.5L歧管開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)在急踩油門(mén)過(guò)程中存在 “沙沙”異響，為解決該異響問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了很多種結(jié)構(gòu)及測(cè)試，最終解決了該異響問(wèn)題。并得出開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，排氣氣管的管路長(zhǎng)度一般大于150mm，才能降低出現(xiàn)本文中的異響風(fēng)險(xiǎn)。

1 排氣歧管異響問(wèn)題復(fù)現(xiàn)及測(cè)試

由于整車安裝空間小，傳感器布置困難，該排氣岐管異響復(fù)現(xiàn)在在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，模擬整車加速工況，急拉發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)，測(cè)試歧管的輻射噪聲，同時(shí)主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在整車中的“沙沙”異響。排氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試結(jié)果如圖 1，經(jīng)音頻回放分析及主觀評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)比整車測(cè)試結(jié)果，“沙沙”異響頻率都在2500Hz左右。通過(guò)拆卸部分發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架附件或屏蔽隔離手段，查出聲音為歧管產(chǎn)生的噪聲，初步判斷為歧管大平面區(qū)A、B產(chǎn)生，如圖1所示。

圖1 歧管發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

2 異響原因排查

該“沙沙”異響噪聲頻率很高，在 2500Hz左右，發(fā)出區(qū)域固定，推測(cè)該噪聲可能有三種來(lái)源：①為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的噪聲；②為氣流沖擊歧管壁面產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)輻射噪聲；③為排氣氣流經(jīng)過(guò)歧管管路產(chǎn)生的二次氣流噪聲。根據(jù)這三種可能假設(shè)，我們通過(guò)改變歧管設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證噪聲來(lái)源，共對(duì)比分析了五種（分述為排氣岐管一至五）不同結(jié)構(gòu)形式的排氣岐管來(lái)分析驗(yàn)證噪聲來(lái)源，并最終消除“沙沙”異響。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源排查

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲按照頻率分可分為兩個(gè)區(qū)域，1000Hz以內(nèi)的低頻區(qū)，該區(qū)域內(nèi)噪聲較大，主要為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的接次噪聲，有不連續(xù)性特征；1000Hz～3000Hz的中頻區(qū)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身大部分結(jié)構(gòu)剛度處于該區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)本身對(duì)燃燒噪聲的衰減量低，噪聲容易被激起[2]。故燃燒噪聲中有時(shí)在該頻率范圍內(nèi)較大。而本文中的異響噪聲頻率為2500Hz左右。為了排除是否為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，選用了圖2所示排氣歧管一，為一種長(zhǎng)管路結(jié)構(gòu)的排氣岐管，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架中以相同工況進(jìn)行輻射噪聲測(cè)試，排氣歧管一結(jié)構(gòu)及輻射噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3所示。排氣岐管一的頻譜特性，與異響歧管相比在2500Hz的異響帶范圍噪聲減少10dB（A）以上，主觀評(píng)價(jià)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有“沙沙”異響，由此推斷該異響不是有發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生，而是由歧管本身設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生。

圖2 排氣岐管一

2.2 歧管噪聲問(wèn)題排查

為了驗(yàn)證“沙沙”異響噪聲是否來(lái)自歧管的A和B區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，提高排氣歧管A、B兩表面的結(jié)構(gòu)模態(tài)，在原異響件的基礎(chǔ)上，將歧管A及B區(qū)域壓了兩個(gè)凹坑，為歧管二，見(jiàn)圖 4，根據(jù)輻射噪聲產(chǎn)生理論，如果異響是由于結(jié)構(gòu)表面剛度不足引起，改變表面結(jié)構(gòu)模態(tài)后，噪聲將會(huì)產(chǎn)生變化，頻率會(huì)偏移或噪聲會(huì)較小或消失[3]，歧管二的測(cè)試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)歧管的輻射噪聲頻率變化不大，且頻率范圍變寬，“沙沙”異響在主觀評(píng)價(jià)中變大，該結(jié)構(gòu)測(cè)試表明“沙沙”異響不是由于A、B兩平面區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射噪聲。

圖3 排氣岐管一臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 排氣歧管二

圖5 歧管三

根據(jù)該噪聲的頻率范圍，我們考慮可能為氣流再生噪聲[4]，根據(jù)歧管一的測(cè)試結(jié)果，推斷該異響噪聲可以通過(guò)改變歧管設(shè)計(jì)來(lái)解決，綜合歧管二的測(cè)試結(jié)果，推測(cè)要解決該“沙沙”異響問(wèn)題，需要重點(diǎn)改善歧管的流道，從氣流組織上解決。由于歧管一不滿足整車空間裝配要求，我們?cè)诳臻g裝配位置不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如下圖5歧管三、圖6歧管四及圖7歧管五幾種歧管并進(jìn)行臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試。圖5歧管三設(shè)計(jì)是在A、B兩表面壓淺坑，以減弱1、2及3、4缸之間的氣流干涉，但相鄰缸1和2及3和4的氣流仍然相互串通，臺(tái)架輻射噪聲結(jié)果和原結(jié)構(gòu)相比，異響頻帶變窄，但主觀評(píng)價(jià)仍有“沙沙”異響，主觀評(píng)價(jià)及測(cè)試結(jié)果都表明異響噪聲和原歧管相比減弱。圖6歧管四是在歧管三基礎(chǔ)上，增加壓坑深度，進(jìn)一步隔離1、2及3、4缸之間的氣流干涉，但鄰缸1和2及3和4仍有部分氣流未達(dá)到完全隔離的效果，氣流竄動(dòng)的截面減小，竄氣量減少，歧管四的臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試結(jié)果和歧管三相比，異響頻帶噪聲變小，但主觀評(píng)價(jià)仍有“沙沙”異響，異響比歧管三減弱，圖7歧管五是在各支內(nèi)部增加四根小管，以達(dá)到完全隔離四個(gè)缸之間的氣流影響，這四個(gè)歧管中，歧管二、三、四是為了快速找到噪聲原因二臨時(shí)做的設(shè)計(jì)方案，歧管五是根據(jù)歧管二、三、四的尺寸及測(cè)試結(jié)果，分析得出的歧管入口隔離長(zhǎng)度初步設(shè)計(jì)達(dá)到150mm。歧管五的噪聲測(cè)試頻譜結(jié)果表明異響噪聲頻率范圍內(nèi)噪聲降低了20dB（A）左右，主觀評(píng)價(jià)沒(méi)有“沙沙”異響噪聲。從圖4～圖7中幾種結(jié)構(gòu)的對(duì)比結(jié)果可以看出該歧管“沙沙”異響為1、2及3、4缸之間氣流干涉引起，要解決該氣流噪聲，在歧管根部各缸出氣的流道應(yīng)該隔斷，使各缸之間氣流沒(méi)有在入口一定范圍內(nèi)沒(méi)有相互影響。

圖7 歧管五

2.3 歧管噪聲問(wèn)題排查

圖8 定型歧管設(shè)計(jì)

根據(jù)以上“沙沙”異響的原因分析，綜合歧管的其它性能設(shè)計(jì)要求，制造工藝性及成本因素，在安裝空間不變的情況下，為解決該異響問(wèn)題，最后將歧管設(shè)計(jì)成如下圖8結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 9。最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)臺(tái)架輻射噪聲頻譜中沒(méi)有出現(xiàn)異響頻帶，主觀評(píng)價(jià)沒(méi)有異響。

圖9 定型歧管臺(tái)架輻射噪聲測(cè)試

3 結(jié)果及結(jié)論

在某 1.5LAT車型歧管開(kāi)發(fā)中，發(fā)現(xiàn)在急加速工況下歧管存在“沙沙”異響，通過(guò)對(duì)比分析五種不同結(jié)構(gòu)形式的排氣岐管來(lái)分析驗(yàn)證噪聲來(lái)源，最終消除“沙沙”異響，并取得如下結(jié)論：

（1）該排氣岐管異響噪聲頻率為2500Hz左右，與長(zhǎng)管路結(jié)構(gòu)排氣岐管的頻譜特性對(duì)比，排除該異響是由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生。

（2）經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該噪聲是由于各歧管入口流道設(shè)計(jì)過(guò)短位置處產(chǎn)生氣流干涉而產(chǎn)生的氣流噪聲，增加各缸入口單獨(dú)的流道長(zhǎng)度，消除出口處各流道相互影響，可以消除該噪聲。

（3）在歧管設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免歧管入口流道設(shè)計(jì)過(guò)短，各流道至少在 150mm以上，并應(yīng)達(dá)到完全隔離的狀態(tài)，避免各缸之間氣流的相互干涉。

[1] 劉志勇,夏毅敏,戴湘麗.排氣岐管開(kāi)裂故障問(wèn)題[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2007,22(5:500-502).

[2] 張志華.內(nèi)燃機(jī)排放與噪聲控制[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999:1-141-149.

[3] 郭磊.預(yù)測(cè)與降低柴油機(jī)油底殼輻射噪聲方法的研究[J].汽車工程,2006年（第28卷）第7期.

[4] 羅虹.消聲器氣流再生噪聲測(cè)試技術(shù)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2010年10月第5期.