耦合技術用于車用消聲器性能仿真與試驗研究

李冰 單煒

摘?要：針對現有車輛排氣系統凈化效率較低，無法有效改善車輛運行期間帶來的空氣污染、噪聲污染等現象，本文提出復合等離子體技術與納米光催化技術的車用消聲器優化設計，并利用有限元分析軟件進行優化后消聲器流場及耦合振動特性分析。仿真結果表明：尾氣氣流對消聲器的振型影響不大，且主要影響集中在低頻區;耦合前后，主消聲器主要振型皆為擺動和扭轉，且整體沒有出現明顯氣阻現象。通過試驗進行復合等離子體與光催化凈化技術的車用消聲器聲學性能和凈化性能測試，試驗結果表明：復合等離子體與光催化凈化技術車用消聲器在0～5 000 Hz 頻段內，消聲器整體插入損失為17 dB，整體消聲效果良好;在等離子體與光催化協同凈化的作用下，其NOx的凈化效率最小為20.51%，最大凈化效率可達47.76%，并且NOx質量分數在怠速狀態可下降至0.74×10-6。這表明基于復合等離子體與光催化凈化技術的車用消聲器實現了系統良好的消聲性能和凈化性能。

關鍵詞：車用消聲器;等離體子凈化;納米光催化凈化;數值模擬;消除聲音的性能;凈化性能

中圖分類號：S776.26?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0135-08

Abstract：In view of the existing vehicle exhaust system purification efficiency is low， and cannot effectively improve the air pollution， noise pollution and other phenomena during the operation of the vehicle， the optimum design of vehicle muffler based on composite plasma technology and nanometer photocatalysis technology is presented in this paper， and the flow field and coupling vibration characteristics of the optimized muffler are analyzed by using finite element analysis software. The simulation results show that the exhaust gas has little influence on the vibration mode of the muffler， and the influence is mainly concentrated in the low frequency region. Before and after coupling， the main vibration modes of the main muffler are swing and torsion， and there is no obvious gas resistance. Finally， the acoustic performance and purification performance of the vehicle muffler using the composite plasma and photocatalytic purification technology are tested. The test results show that the overall insertion loss of the vehicle muffler is 17dB in the frequency band of 0～5000Hz， and the overall noise elimination effect is good. Under the synergistic action of plasma and photocatalysis， the minimum and maximum purification efficiency of NOx is 20.51% and 47.76%， and the NOx concentration can be reduced to 0.74×10-6 at idle speed. It shows that the muffler based on composite plasma and photocatalytsis purification technology has achieved good performance of noise elimination and purification.

Keywords：Vehicle muffler; plasma purification; nanometer photocatalysis purification; numerical simulation; eliminate noise performance; purification performance

0?引言

隨著我國汽車保有量的增加，汽車在給人們的生活帶來便利的同時也帶來了嚴重的社會問題，比如大氣污染、汽車噪聲污染和能源緊缺等。目前針對車輛尾氣排放治理的主要方法還停留在傳統的改進可燃混合氣的品質、改進燃燒室結構、優化進氣配時以及采用三元催化轉換器、廢氣再循環系統等。以上的傳統治理方法的整體效果已基本達到上限，為進一步提升車輛排放尾氣治理技術與水平，利用消聲器來凈化車輛排放尾氣得到了廣泛的關注，同時基于消聲器的車輛尾氣凈化技術理論也得到了快速發展。

當前對于消聲器凈化車輛排放尾氣的相關研究主要集中在消聲器結構設計及性能優化兩大方面。國內外大量的研究探索了消聲器的聲學性能及空氣動力學性能，從而優化消聲器結構設計及性能。在消聲器聲學性能方面，Desantes等[1]基于試驗過程中發現的平均流速與穿孔聲阻抗的相互作用關系，成功對穿孔管消聲元件孔內存在橫向流的穿孔聲阻抗經驗公式進行了推導;Munjal等[2]運用新的研究手段——有限元法和邊界元法，分析了實際溫度變化在聲波傳播過程中的影響，并得到了理想的試驗結果;李劍虹[3]曾詳細研究了消聲器消聲性能與消聲穿孔管單元之間的關系，并優化設計了穿孔管單元的結構參數，具體包括穿孔孔徑、穿孔的長度等參數;王志強等[4]則利用聲學傳遞矩陣對多級插入式消聲器的插入損失進行了理論值計算求解;肖旻[5]、牛寧等[6]則建立了共振穿孔消聲器的傳遞矩陣，并分析了其傳遞損失。在消聲器空氣動力學性能方面，朱福[7]利用CFD（Computational Fluid Dynamics）研究方法，對消聲器內部的消聲三維聲場進行了理論分析和仿真計算，其結果表明，通過傳遞損失的 CFD 仿真值和頻域有限元理論計算值相對照分析，發現其結果較為一致，同時，在三維聲場的模擬仿真過程中，還得到了消聲元件內部的動態聲能消耗變化過程;Tomita等[8]、朱中輝等[9]則通過應用Fluent軟件（一款計算流體動力學的軟件）模擬了汽車排氣系統的內部氣流流場，分析了排氣流速和壓力損失之間的復雜關系，得到了擴張腔長度、入口排氣流速和穿孔率等參數對壓力損失影響的變化規律;許自順等[10]、尹潞剛[11]利用 CFD 軟件建立了消聲器內部的“三場”（流場、溫度場和壓力場）模型，并進行了模擬仿真，計算得到了壓力損失的大小;此外，考慮到對于汽車噪聲的研究帶來的實際價值，許多著名的車企（通用、大眾、豐田、沃克等）也進行了汽車噪聲的研究，比如，通用公司設計開發帶有三元催化轉化裝置的排氣消聲器，同時配合有氧氣傳感器，以實現對排氣凈化效果的反饋調節。

通過以上分析發現，當前對于消聲器凈化車輛排放尾氣的相關研究主要集中在消聲器結構設計及性能優化等方面，很少有通過耦合新技術手段來提升消聲器凈化車輛排放尾氣的研究。為此本文采用有限元仿真的方法，研究分析消聲器的模態、流場和耦合振動特性的關系;同時采用復合等離子凈化、納米光催化凈化技術進行消聲器凈化性能設計，以實現對車輛排放尾氣有效處理;最后，對所設計的復合等離子體與納米光催化凈化技術的車用消聲器進行了聲學性能和凈化性能測試，以表征復合等離子體凈化技術車用消聲器的降噪、凈化性能。

1?消聲器結構設計及相關參數

1.1?結構設計

圖1為具有凈化減排效能的消聲器的設計，該排氣消聲器由消聲元件擴張腔Ⅰ、擴張腔Ⅱ、擴張腔Ⅲ、內插管和等離子體結構等組成，其中，等離子結構插入內插管內，隨附著在內插管內壁的納米TiO2發生光催化凈化反應（等離子體結構和內插管內壁附納米TiO2實物如圖2所示）。車輛排放尾氣先從消聲器進口流入擴張腔Ⅰ，實現一級擴張;接著穿過內插管和過渡孔進入擴張腔Ⅱ，實現二級擴張;然后經過內插管流入擴張腔Ⅲ，實現緊密收縮與三級擴張;最后氣體通過消聲器出口流出。

1.2?結構參數

排氣消聲器相關參數見表1。

2?消聲器模態、流場、耦合振動特性數值模擬

等離子體結構和附在內插管內壁的納米TiO2的加入有助于消聲器凈化效能的提升，但是這是否會影響正常排放氣流在消聲器中的流動，是否存在氣場流動干涉等現象，為此進行了具有降解功效的消聲器流固耦合動力學特性分析。

2.1?消聲器網格劃分

利用CATIA（一種三維圖形設計軟件）建立三維實體模型，再轉換格式，將其導入到ANSYS Workbench軟件中進行處理分析，對消聲器模型進行了網格劃分，其中在保證網格質量的基礎上，考慮消聲器進出口處計算數據變化梯度的影響，為了較好地反映數據變化規律，采用了比較密集的網格。如圖3所示。

2.2?消聲器初始條件

采用Engineering Data中的材料及其參數，也可以根據實際情況定義新材料。本文選用的材料為結構鋼（structural steel），其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3[12-13]。

根據牛頓理論，假設排氣系統內為牛頓流體，密度ρ=1.185 kg/m3，動力黏性系數為μ=1 831×10-5 N·s/m2。

基于流體動力學、馬赫數確定氣體是否可以壓縮。馬赫數等于聲速與流速的比，即：150÷711.26=0.21<0.3，因此消聲器內為不可壓縮氣體。

依據雷諾數判斷氣體是否為湍流，雷諾數Re=ρvdμ，其中管徑d=40 mm，當Rek=12 000時，臨界速度為v=3.566m/s。

設定進氣口邊界條件為氣體流速60 m/s、靜態壓力為0 Pa。

2.3?消聲器仿真性能分析

（1）消聲器內流場仿真

圖4為流經消聲器氣體3D流線云圖，速度流線圖反映了消聲器內氣體流動動態變化趨勢。

由圖4可知，氣體從進氣管進入，在進氣管端口處，由于等離子體反應器的存在使得氣體流動空間縮小，氣體流速上升。隨后一部分氣體從進氣消聲管上的穿孔流出，速度上升，進入第Ⅱ腔，進入排氣管或者第3消聲管。另一部分氣流進入第Ⅰ腔和第Ⅲ腔，由于第Ⅰ腔空間較大，氣流速度下降。接著進入第Ⅰ腔的氣流碰觸消聲器壁，進入第3消聲內管。進入第3消聲內管內的氣流，通往第Ⅰ腔，碰觸消聲器壁后，流入排氣管排出。從整體看，消聲器內氣流存在局部渦流現象，該現象有助于等離子體產生的等離子體與氣流反應，有利于提高反應效率。

圖5為排氣系統的壓力分布云圖，由圖5可知，基本上每個腔室都會消減進氣管內的壓力。3個腔室內壓力變化不太明顯，進氣管壓力約為18 kPa，排氣管壓力約為13 kPa，整體約下降5 kPa左右。其原因為氣流在管道和腔室內流動時，速度變化大，造成部分能量損失。

（2）流固耦合振動特性

消聲器內的流固體耦合旨在考查流場作用下變形固體的各種行為以及固體變形對流場影響等相互之間的作用效果[14-16]。表2為消聲器無耦合和耦合模態參數值對比情況，在低頻階段（<200 Hz），氣體對主消聲器模態參數有明顯的影響，消聲器耦合后模態參數比無耦合時增加。模態參數的增加，對于發揮消聲器降噪、減排凈化性能的影響如圖6所示，圖6為消聲器無耦合和耦合振型情況。由圖6可知，氣體對主消聲器的振型影響不大，且主要集中在低頻區，耦合前后，主消聲器主要振型都為擺動和扭轉，滿足對于車用消聲器使用過程中的振動沖擊要求。

3?消聲器性能分析試驗驗證

試驗主要測試消聲器的降噪、減排性能，考查消聲器的插入損失情況和凈化情況，以評價基于等離子凈化技術消聲器的聲學和減排性能。

3.1?消聲器降噪、減排性能評價指標

通常采用插入損失來評價消聲器降噪性能，用凈化效率來評價消聲器凈化減排性能[17-20]。

消聲器插入損失的定義為消聲器的插入損失，是指消聲器安裝前、后待測點在一定時間內平均聲壓級的差值。消聲器插入損失（公式中用IL）計算公式為：

式中：LP1、LP2分別為消聲器安裝前、后待測點的平均聲壓。

凈化效率計算公式為：

式中：η為凈化率;CN為凈化器未工作時尾氣中NO含量，10-6;CY為凈化器工作后尾氣中NO含量，10-6。

3.2?聲學性能測試

測試過程中排氣消聲器、排氣管的長度、管徑、形狀和彎曲度在臺架上的安裝都盡可能地模擬實車使用時的狀態。在與排氣出口軸向成45°方向上500 mm處，放置的傳聲器應指向排氣口，如圖7所示。測點距地面高度、距非反射面大于1.2 m。

使用1型聲級計（2個）固定在假想線180°兩端測量聲壓級，其兩端聲壓級測量結果差值應小于2 dB。記錄所有測量結果數值，數據處理取平均值，試驗如圖8所示。

圖9為發動機在額定轉速3 600r/min時，所設計消聲器的插入損失測試結果。由圖9可見，在0～5 000 Hz的整個頻段內，消聲器整體插入損失大于17 dB，在0～1 000 Hz的頻段，插入損失為11 dB，在1 000～3 000 Hz的頻段，插入損失為16 dB，在3 000～5 000 Hz 的頻段插入損失大于20 dB，整體消聲效果最好。這表明，阻抗復合式消聲器的設計，首先，利用管道截面的突變，使沿管道傳播的聲波避過消聲器向聲源處反射，從而使聲能反射回原處，達到一定消聲的目的;其次，管壁小孔內的空氣柱具有一定的聲質量，孔頸口由于截面突變具有一定的聲阻抗，密閉的空腔具有一定的聲容，構成一個動力吸振系統，當聲波傳到孔徑時，孔內空氣柱像“活塞”一樣振動起來，一部分聲能通過空氣與腔壁的摩擦轉換為熱能耗散掉，另一部分由于截面面積突變反射回聲源方向，從而達到再次消聲的目的;最后，等離子結構和附在內插管內壁的納米TiO2的加入，車輛排放尾氣經過內插管時，等離子體反應過程中氣隙間的電場強度越高，放電空間中產生的微放電數量就越多，這使得微放電強度增加，空間中的傳輸電荷量隨之增加，放電空間發生的等離子體化學反應的效率提高。這在降解車輛排放尾氣的同時，衰減了尾氣在管內的流速，降低了尾氣的動能，使得更多的能量被耗散和分解，從而促進了系統的消聲性能。

3.3?凈化性能測試

測試之前，首先將AUTO5-1型汽車尾氣分析儀調零，消除排氣系統殘留氣體的影響;然后將尾氣分析儀自帶采集傳感器插入到消聲器尾管中;測試過程中，紀錄采集車輛排放尾氣的污染物氣體數據。

試驗系統如圖10所示，其凈化試驗結果如圖11所示。由圖11可以發現，在沒有等離子凈化或光催化凈化措施的狀態下，通過消聲器的尾氣體積分數（NOx體積分數）均高于有等離子凈化或光催化凈化措施的狀態下的尾氣體積分數。通過表3可知對比無任何凈化措施與僅有等離子體凈化措施的排放結果可以發現，當等離子體反應器工作后， NOx凈化率最小為7.45%，最大凈化率為38.81%，說明等離子反應器確實起到凈化作用;對比無任何凈化措施與有等離子體凈化+光催化凈化措施的排放結果可以發現， NOx凈化率最小為20.51%，最大凈化率為47.76%，說明等離子與光催化聯合起到了凈化作用，并且NOx在怠速狀態可下降至0.74×10-6。這表明等離子體與N-TiO2光催化的耦合作用進一步加強了消聲器的凈化效果，原因是等離子體耦合光催化實現NOx降解的途徑主要有3條：第一是電場能量直接作用于NOx分子，使其更易分解;第二是釋放的等離子體，主要包括高能自由電子、氮的亞穩態以及氮的高振動激發態直接與氧氣和水分子碰撞后產生的羥基自由基與活性氧原子等高活性自由基，這些活性自由基與NOx分子發生反應而分解NOx;第三是氮的亞穩態及氮的高振動激發態發出的紫外光可合理利用激活光催化劑（納米N-TiO2），在催化劑表面發生類似于光催化的氧化反應降解NOx。

4?結論

為了解決汽油發動機所造成的綜合污染問題，本研究結合消聲器的設計原理，將等離子體凈化技術、納米材料凈化技術應用到消聲器中，并通過有限元軟件對其進行仿真優化，最后搭建試驗臺進行降噪、減排試驗。具體結論如下。

（1）復合等離子體凈化技術、納米光催化凈化技術消聲器的氣體流動、振動數值模擬表明：氣體對消聲器的振型影響不大，且主要集中在低頻區;耦合前后，主消聲器主要振型都為擺動和扭轉，且整體沒有出現明顯氣阻現象。

（2）復合等離子體凈化技術、納米光催化凈化技術消聲器的插入損失試驗顯示，所設計的主消聲器整體插入損失為17 dB，在0～1 000 Hz 的頻段插入損失11 dB，在1 000～3 000 Hz 的頻段插入損失為16 dB，在3 000～5 000 Hz 的頻段插入損失大于20 dB，整體消聲效果較好。

（3）復合等離子體凈化技術、納米光催化凈化技術消聲器的凈化性能試驗顯示，在等離子凈化或光催化凈化措施的狀態下，NOx降解效果明顯，其中復合等離子體凈化和納米光催化凈化，最大凈化率高達47.76%，凈化效果理想。

【參?考?文?獻】

[1]DESANTES J M， TORREGROSA A J， BROATCH A. Experiments on flow noise generation in simple exhaust geometries[J]. Acta Acustica United with Acustica， 2001， 87（87）： 46-55.

[2]MUNJAL M L， KRISHNAN S， REDDY M M. Flow-acoustic performance of perforated element mufflers with application to design[J]. Noise Control Engineering Journal， 1993， 40（1）： 159-167.

[3]李劍虹.管路間單級三腔式消聲器的消聲特性研究[D].杭州：浙江工業大學，2018.

LI J H. The acoustic attenuation performance of the single-stage three-cavities muffler between lines[D]. Hangzhou： Zhejiang University of Technology， 2018.

[4]王志強，代曉旭，周維.基于Virtual Lab仿真分析某項目進氣系統聲學性能優化[J].汽車實用技術，2021，46（14）：110-112.

WANG Z Q， DAI X X， ZHOU W. Simulation and analysis of acoustic performance optimization of air intake system based on virtual lab[J]. Automobile Applied Technology， 2021， 46（14）：110-112.

[5]肖旻.基于GT-POWER的抗性消聲器仿真研究[D].大連：大連理工大學，2013.

XIAO M. The simulation and research of the resistant muffler based on GT-POWER[D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2013.

[6]牛寧，朱從云，李力.穿孔共振消聲器的聲場傳遞機理研究[J].機械設計與制造，2008，2（2）：176-177.

NIU N， ZHU C Y， LI L. The study of transmission matrix of perforated and resonance muffler[J]. Machinery Design & Manufacture， 2008，2（2）： 176-177.

[7]朱福.共振式消聲器消聲性能分析及測試方法研究[D].上海：上海工程技術大學，2017.

ZHU F. Study on performance analysis and test method for resonant muffler[D]. Shanghai： Shanghai University of Engineering Science， 2017.

[8]TOMITA T， MORI T， ONISHI Y. Β-Arrestin 1 （ARRB1） serves as a molecular marker of the peripheral circadian rhythm[J]. International Journal of Oral Science， 2019， 11： 32.

[9]朱中輝，楊盛捷，李佩陽，等.排氣消聲器消聲性能優化設計研究[J].柴油機設計與制造，2019，25（1）：28-30.

ZHU Z H， YANG S J， LI P Y， et al. Study on optimal design of muffler noise attenuation performance[J]. Design and Manufacture of Diesel Engine， 2019， 25（1）：28-30.

[10]許自順，張強，咸凱.基于 LMS virtual lab的抗性消聲器聲學性能研究及優化[J].內燃機與動力裝置，2016，33（1）：72-77.

XU Z S， ZHANG Q， XIAN K. Acoustic performance research and optimization of resistant silencer based on LMS virtual lab[J]. Internal Combustion Engine and Power Plant， 2016， 33（1）：72-77.

[11]尹潞剛.抗性消聲器單元氣流二次噪聲的仿真分析[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，30（12）;24-31.

YIN L G. Simulation analysis of secondary air flow noise of resistant silencer unit[J]. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2016， 30（12）：24-31.

[12]鄧兆祥，趙海軍，趙世舉.對沖孔對分流氣體對沖消聲單元壓力損失的影響[J].內燃機學報，2017，35（2）：178-184.

DENG Z X， ZHAO H J， ZHAO S J. Influence of punching on pressure loss of shunt gas hedging anechoic unit[J]. Transactions of CSICE， 2017， 35（2）：178-184.

[13]譚凱， 康紅艷， 董喜俊. 低溫等離子體技術處理汽車尾氣的研究[J]. 中國環保產業， 2011，2（2）： 27-29.

TAN K， KANG H Y， DONG X J. Research on treatment of automobile exhaust gas by plasma technology in low temperature[J]. China Environmental Protection Industry， 2011，2（2）： 27-29.

[14]胡海清，郭妍，李東暉.基于計算流體動力學的燃燒箱熱學特性建模及優化[J].森林工程，2020，36（1）：60-67.

HU H Q， GUO Y， LI D H. Modeling and optimization of thermal characteristics of combustion chamber based on computational fluid dynamics[J]. Forest Engineering， 2020， 36（1）：60-67.