發動機排氣噪聲優化研究

段繼翔 張曉雪 魯成 徐士 周勝余 李風芹

摘要： 針對整車通過噪聲超標問題，進行分析確定為發動機排氣噪聲高導致。針對發動機排氣噪聲進行分析，確定采用優化后處理消音結構提高后處理消音能力方式降低排氣噪聲：通過對三種消音結構后處理的仿真計算，確定不同方案對后處理插入損失的影響。通過對裝配三個消音結構后處理的整車進行通過噪聲試驗驗證，確定插入損失最優方案后處理可解決整車通過噪聲問題。

Abstract： Through the analysis of the Passing Noise problemof the vehicle， determined that the engine exhaust noise caused. The exhaust noise of engine is analyzed and the optimized catalyst silencing structure is adopted to reduce exhaustnoise. The influence of different schemes on insertion loss was determined by studying the catalyst of three silenced structures. The optimal post-processing scheme of insertion loss is adopted to solve the passing noise problem of vehicle.

關鍵詞： 通過噪聲;排氣噪聲;后處理消音結構;插入損失

Key words： passingnoise;exhaust noise;the silenced structure of catalyst;insertion loss

中圖分類號：U448.213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0004-04

0 ?引言

天然氣商用車自上世紀90年代在國內逐漸推廣開始，近年來市場容量逐年提升，應用范圍越來越廣。近期國務院發布的《關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》表示，要積極擴大電力、氫能、天然氣、先進生物液體燃料等新能源、清潔能源在交通運輸領域應用。在政策推動下，天然氣商用車未來應用前景廣闊。天然氣發動機由于普遍使用單點預混點燃式技術路線，燃燒周期長于柴油機，發動機調速率低于柴油機[1]。同等配置下天然氣商用車整車的加速性較同馬力柴油機商用車差。隨著用戶對整車動力性要求不斷提高，調速特性優化也更加重要。隨之而來的整車燃燒排氣噪聲也隨之提高，天然氣商用車噪聲控制的就顯得愈加重要。

整車噪聲不僅對駕駛人員感官造成影響，而且車輛在加速通過時會對外界帶來嚴重的噪聲污染。因此相關法規對整車加速通過噪聲的限值要求在不斷降低，噪聲的分析和控制成為整車開發過程中的關鍵控制要素。本研究針對某型天然氣商用車排氣噪聲高導致通過噪聲超標問題，使用仿真及試驗驗證手段，分析不同消音結構方案對后處理插入損失的影響，最終確定抑制排氣噪聲最佳后處理消音方案，達到降低整車通過噪聲的目的。

1 ?整車通過噪聲問題

匹配天然氣發動機的某型N3類6×4牽引車在按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》進行的整車通過噪聲測試時產生了通過噪聲超出法規限值問題，無法滿足車輛開發要求。其中測試車輛主要技術參數及配置見表1所示。

測試試驗按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求開展。測試實驗天氣條件環境溫度必須在5℃～40℃范圍內，傳聲器高度處風速不超過5m/s，確保測試結果不受陣風影響。噪聲采集設備采用滿足GB/T3785.1要求的LMS加速行駛車外噪聲采集測試試驗設備。測試場地選取平整試驗場地，加速起點線與加速終點線間加速段長度為2×（10m±0.05m）。試驗場地以測量場地中心為基點、半徑為50m的范圍內，沒有大的聲反射物，如圍欄、巖石、橋梁或建筑物等。試驗路面和其余場地表面干燥，沒有積雪、松土或爐渣之類的吸聲材料。傳聲器附近沒有任何影響聲場的障礙物，并且聲源與傳聲器之間沒有任何人站留。測量場地應達到的聲場條件為在該場地的中心放置一個無指向性小聲源時，半球面上各方向的聲級偏差不超過±1dB。測試過程中當汽車參考點通過加速起點線時，必須盡可能迅速地將加速踏板踩到底（汽車不能自動降檔至比城市工況中通常使用檔位更低的檔位），并保持到汽車最后端通過加速終點線，或汽車參考點通過終點線后至少5m（以先達到的位置為準），然后盡快地松開加速踏板。整車測試工況采用8檔進行，當連續四次測試結果偏差不超過2dB（A）時視為聲級有效測試結果。記錄過線發動機轉速為950±50r/min。

根據測試試驗結果分析，整車通過噪聲超出法規限值84dB（A）要求。通過噪聲測試結果見表2所示。利用LMS Test.Lab分析軟件設置相應濾波器，通過對濾波后的時域信號和原始時域信號進行對比分析，評估確認噪聲主要貢獻在200Hz-1400Hz范圍內。通過噪聲噪聲圖譜見圖1所示。

按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求進行8檔全負荷排氣近場噪聲測試，噪聲分布頻率與通過噪聲超限頻率高度一致。排氣近場噪聲圖譜見圖2所示。分析判斷：排氣近場噪聲試驗與通過噪聲試驗高分貝噪聲區域分布高度一致，判定通過噪聲超限的主要原因為發動機排氣噪聲大[2]。

發動機的排氣噪聲主要來源于發動機燃燒。在整個發動機工作過程中，隨著工況的變化，進排氣流量也不斷變化。特別是發動機加速過程中，隨著負荷增加，增壓器的轉速快速增加。發動機的進氣流量快速增加。同時發動機排氣流量也快速增加，廢氣氣流快速通過后處理結構，排氣尾管口噪聲急劇增大，造成整車噪聲超限[3～5]。

2 ?排氣噪聲優化方案及驗證

在發動機性能指標特別是動力性經濟性指標不變化的情況下，發動機進氣及排氣流量的變化難以調整，因此發動機難以通過燃燒控制來調整排氣噪聲。排氣噪聲的大小更依賴于被動的噪聲控制。消音器在整個排氣系統中起到被動噪聲控制的作用，合理的消音結構能夠有效降低排氣噪聲[6]。根據傳遞路徑的不同，消聲器噪聲可分為結構噪聲和空氣噪聲。前者通過橡膠隔振器、吊耳由排氣系統傳給車身，引起地板、頂棚和內飾件振動，產生輻射噪聲;另一部分由消聲器本體輻射產生，直接進入駕駛室。兩類噪聲均與消聲器結構模態和聲腔模態關系密切，對整車NVH性能有直接影響[7]。本車型受限于整車布置空間，采用了三元催化器與消音器集成的后處理結構，具有尾氣催化凈化和消音雙重功能。

2.1 改進方案

因整車布置受限，后處理外形結構尺寸無法進行大的改動，設計優化方向為在后處理現有三元催化載體布置不變情況下，對消音結構部位優化。從而達到進一步增加后處理在整個排氣系統中的插入損失，提升后處理消音能力的目的。確定優化方向如下：

①優化廢氣氣流流道，減少可能產生高速湍流的結構。去除消音孔管結構，降低孔管對氣流的擾動作用，進而降低廢氣湍流產生的幾率。

②提高廢氣流通面積，降低排氣阻力。加大排氣尾管的直徑，降低尾管對排氣的節流作用。

在后處理整體外形尺寸不變的情況下，新設計后處理改進方案見表3所示，方案結構示意圖見圖3所示。

2.2 仿真驗證

插入損失表示安裝消音結構前后的在消音器出口某測點處的聲功率級或聲壓級的差值。插入損失就反映了消聲結構前后聲學性能的變化，直接反饋消聲結構在系統中使用時的實際消聲的能力強弱[8～9]。對原方案及改進方案后處理在GT-power仿真軟件進行3D建模，采用后處理一維模型與發動機耦合計算后處理在排氣系統中的插入損失，從而評估各方案優化效果。仿真模型見圖4所示。

根據仿真計算結果分析，改進方案后處理較原方案插入損失均有較大提升。三個方案后處理插入損失仿真對比如圖5所示。改進方案1后處理在全轉速范圍內較原方案插入損失提升7dB（A）作用。改進方案2后處理在發動機轉速1300r/min以下改進效果差于改進方案1，但仍高于原方案2dB（A）以上;在發動機轉速1300r/min以上改進方案2在三個方案中最優，較原方案改進幅度大于8dB（A）。

2.3 試驗驗證

選用一輛實驗車進行試驗改裝，先后安裝原方案、改進方案1、改進方案2三個方案后處理，按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求開展整車通過噪聲測試。測試設備、環境、場地等要求需滿足國家標準要求。整車測試工況采用8檔進行，當連續四次測試結果偏差不超過2dB（A）時視為聲級有效測試結果。記錄過線發動機轉速為950±50r/min。

利用LMS Test.Lab分析軟件進行噪聲分析，對三個方案噪聲圖譜進行對比分析：改進方案1后處理及改進方案2后處理較原方案對比，在370-2300Hz頻率內的高頻噪聲明顯減少。裝配三個方案后處理的車輛通過噪聲噪聲圖譜對比見圖6所示。整車裝配改進方案1后處理時通過噪聲為85.9dB（A），隨較裝配原方案后處理時通過噪聲明顯降低但仍不滿足標準限值84dB（A）要求。整車裝配改進方案2后處理時通過噪聲為82.3dB（A），滿足整車通過噪聲限值要求。三個方案后處理通過噪聲試驗測試結果見表4所示。

根據整車裝配三個方案后處理通過噪聲測試結果，最終確定取消孔管結構、增大尾管直徑的后處理方案為消音效果最優方案，滿足整車開發需求。

3 ?結論

本文針對某型發動機排氣噪聲大導致整車通過噪聲超標問題，通過對后處理消音結構的優化改進，提高了后處理的插入損失，達到了發動機排氣噪聲優化目的。根據分析仿真及試驗驗證過程，得出如下結論：①后處理消音結構對發動機排氣噪聲影響顯著，合理的結構設計將大大降低發動機排氣噪聲。②消音結構中的孔管會降低后處理插入損失，減弱后處理消音能力;增大后處理尾管直徑，可提高高排氣流量時的后處理插入損失，提高后處理消音能力。③采用后處理一維模型與發動機耦合計算的仿真方式，能準確的評估后處理在發動機不同轉速下的插入損失。

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