增程式輕卡排氣消聲器聲學(xué)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

增程式輕卡是在純電動(dòng)輕卡的基礎(chǔ)上增加了增程器(發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組)以提高電動(dòng)輕卡續(xù)駛里程的新能源車輛。增程器是既能發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛又能給車載動(dòng)力電池組充電的輔助動(dòng)力裝置。根據(jù)增程器運(yùn)行控制策略，車輛運(yùn)行過程中，當(dāng)電池電量低至某個(gè)數(shù)值時(shí)，增程器會(huì)根據(jù)電池電量的多少運(yùn)行不同的功率，并給車輛的電池充電。同時(shí)為了滿足客戶需求，會(huì)增加車輛定置增程器強(qiáng)啟充電功能。綜合考慮電池的可充電功率以及整車的經(jīng)濟(jì)性和NVH性能，車輛定置強(qiáng)啟充電時(shí)，增程器的功率通常是最低功率點(diǎn)。車輛定置增程器充電工況(定功率定轉(zhuǎn)速)及加速工況下的排氣口噪聲，是衡量增程式輕卡NVH性能的重要指標(biāo)。排氣消聲器對增程器運(yùn)行時(shí)的減振降噪起著非常重要的作用，而傳遞損失與壓力損失是評價(jià)消聲器聲學(xué)性能及空氣動(dòng)力學(xué)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，兩者相互聯(lián)系又相互制約。在對消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要求其具有較高的消聲量和盡量低的壓力損失 。

本文針對某增程式輕卡排氣口噪聲高的問題，通過實(shí)車測試及分析，確認(rèn)主要為中低頻噪聲貢獻(xiàn)。采用數(shù)值計(jì)算方法對排氣消聲器進(jìn)行聲學(xué)分析及空氣動(dòng)力學(xué)分析，在確保排氣系統(tǒng)壓力損失滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)車驗(yàn)證，消聲器優(yōu)化后，排氣口噪聲明顯改善。

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1 原狀態(tài)排氣口噪聲及優(yōu)化前后消聲器結(jié)構(gòu)

1.1 原狀態(tài)排氣口噪聲

該車型匹配的增程器為三缸機(jī)，定置充電工況下，增程器的工作轉(zhuǎn)速為2000rpm，實(shí)測排氣口噪聲在50Hz及100Hz頻率處存在峰值，為增程器1.5階、3階激勵(lì)。由圖1可知，加速工況下排氣口噪聲在2030rpm、2530rpm、3400rpm轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)峰值，根據(jù)增程器結(jié)構(gòu)特征計(jì)算得出，為增程器7.5階、6階、4.5階激勵(lì)，頻率在253Hz左右。因此，消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化須重點(diǎn)降低中低頻的噪聲。

1.2 優(yōu)化前后消聲器結(jié)構(gòu)

受整車總布置的空間限制，消聲器的外形尺寸不能被改變。因此，只能通過優(yōu)化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來滿足降噪的要求。消聲器結(jié)構(gòu)主要分為抗性、阻性及阻抗復(fù)合三種結(jié)構(gòu)。原方案消聲器為抗性結(jié)構(gòu)，為增大消聲頻率范圍，優(yōu)化方案考慮改為阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)。從進(jìn)出口管管路走向、各擴(kuò)張腔容積、內(nèi)部管路及隔板穿孔率及增加吸聲材料等幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后消聲器方案如下：原方案消聲器為抗性結(jié)構(gòu)，由三個(gè)腔組成，入口管為彎管，在第二、三腔處有穿孔，穿孔率18.6%，第一、二隔板上均分布有4mm的圓孔，穿孔率28.6%，形成共振和擴(kuò)張混合腔。出口管為直管，由第一腔穿至第三腔，在第二腔內(nèi)分布有穿孔管，穿孔率17.4%。優(yōu)化后消聲器采用阻抗復(fù)合結(jié)構(gòu)，第一、二隔板上均分布有3.5mm圓孔，穿孔率9.6%，增加第一腔長度，可有效降低低頻噪聲；入口管改為直的穿孔管，穿孔率46.5%，同時(shí)插入第二腔，這樣可以降低壓力損失且對消聲頻率消聲性能影響較小；出口管使用圓弧形擴(kuò)張口，降低壓力損失，第二腔填充吸聲材料(玻璃棉)，增加聲阻，增大有效消聲頻率范圍，同時(shí)增加穿孔管(穿孔率26.8%)，使三個(gè)共振腔串聯(lián)，并使其共振頻率錯(cuò)開，有效地增加消聲頻率范圍，同時(shí)可以降低壓力損失。

2 優(yōu)化前后消聲器聲學(xué)性能仿真

由式(3)結(jié)果可知，排氣管中的Re值遠(yuǎn)大于4000，因此，采用標(biāo)準(zhǔn)

-

湍流模型進(jìn)行計(jì)算 。

(1)

這是6個(gè)月至2歲的幼兒特有的疾病，是由皰疹病毒引起的，潛伏期10余天。患過幼兒急疹后有終身免疫力，大部分的寶寶都會(huì)在2歲之前發(fā)病，如果2歲之前未發(fā)病，以后也不會(huì)發(fā)病。

式中，

(

)為入射聲功率；

(

)為透射聲功率；

(

)為入射聲壓；

(

)為透射聲壓；

(

)為消聲器進(jìn)氣管口的面積；

(

)為消聲器排氣管口的面積。抗性或阻抗復(fù)合性消聲器的消聲特性是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，與聲源無關(guān)，因此仿真計(jì)算過程中將聲學(xué)流體材料設(shè)定為空氣。給定進(jìn)口氣流速度，采用有限元分析方法計(jì)算出消聲器進(jìn)口及出口處的聲壓值，利用公式(1)即可得到傳遞損失。本文采用商用聲學(xué)有限元軟件Virtual. Lab來仿真分析消聲器的傳遞損失。在計(jì)算的時(shí)候，采用定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系的方法來模擬穿孔管上的小孔。

圩堤設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為在湖盆區(qū)圩堤以防御相應(yīng)湖口22.50m(吳淞)的洪水位，在五河尾閭區(qū)圩堤防御各河20年一遇的洪水位，穿堤建筑物設(shè)計(jì)洪水位按所在堤段設(shè)計(jì)洪水位加高0.5m，堤防等級為4級。主要建設(shè)內(nèi)容為堤加高加固、堤基堤身防滲處理、堤岸堤坡防護(hù)、堤系建筑物除險(xiǎn)加固。至2013年，第六個(gè)單項(xiàng)共下達(dá)計(jì)劃投資25.0億元，其中國投資金13.4億元，地方自籌11.6億元。

式中，

為消聲器內(nèi)插管直徑，m；

為密度，kg/m

；

為粘度，Pa·s。

3 優(yōu)化前后消聲器排氣背壓仿真

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對消聲器優(yōu)化前后排氣系統(tǒng)(見圖4)進(jìn)行流場建模及仿真計(jì)算。仿真模型中，消聲器壁面網(wǎng)格尺寸為3mm，內(nèi)部流場采用四面體網(wǎng)格。

式中，

為質(zhì)量流量，kg/h；

為時(shí)間，s；

為入口半徑，m。

(2)

根據(jù)增程器運(yùn)行策略，增程器以最高功率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速為4000rpm，消聲器進(jìn)氣管口的質(zhì)量流量為247kg/h，額定轉(zhuǎn)速下消聲器進(jìn)氣管口的氣流速度可由式(2)計(jì)算：

雷諾數(shù)：

假設(shè)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)初始部署時(shí),每一對鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)存在共享密鑰,能夠建立安全的通信連接。在應(yīng)用優(yōu)化算法提高節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率時(shí),可能會(huì)破壞這些已經(jīng)存在共享密鑰的安全連接,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的安全連通率降低。初始部署以及改進(jìn)的單目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法、多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法和改進(jìn)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法在迭代200次以后存在共享密鑰節(jié)點(diǎn)的安全連接的仿真結(jié)果如圖3,圖中的連線表示節(jié)點(diǎn)之間存在共享密鑰的安全連接。

(3)

圖3為消聲器優(yōu)化前后傳遞損失的仿真對比曲線，從圖中可以看出，優(yōu)化后消聲器在全頻段內(nèi)傳遞損失較原方案均有不同程度的提升。受周期性通過頻率的影響，優(yōu)化前后消聲器的傳遞損失均出現(xiàn)了不同程度的拱形衰減及共振點(diǎn)。對比可知，管路優(yōu)化及各擴(kuò)張腔容積的改變使得優(yōu)化后消聲器在共振點(diǎn)處頻率范圍明顯變窄。消聲器擴(kuò)張腔及內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，消聲器在300Hz以內(nèi)的低頻段傳遞損失改善幅度較大，其中，50Hz、100Hz及253Hz等低頻段的傳遞損失平均提升了29.5%，阻性材料的增加使得400～600Hz、800～1000Hz、1300Hz以上頻段內(nèi)消聲量均較原方案得到了提高。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，排氣系統(tǒng)進(jìn)氣口處的質(zhì)量流速設(shè)定為39.57m/s，排氣口設(shè)定為壓力出口。設(shè)定壁面絕熱且無滑移，且消聲器內(nèi)部氣流為穩(wěn)態(tài)、可壓縮的理想氣體，對優(yōu)化前后消聲器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬。

排氣消聲器的傳遞損失定義為入射聲功率與透射聲功率之比的對數(shù)，其計(jì)算公式為：

我國天然氣分布式能源至今處于起步階段，和單純?nèi)济喊l(fā)電相比，其建設(shè)和運(yùn)營成本均要高一些。在目前財(cái)稅、金融和價(jià)格不配套的情況下，天然氣分布式能源的節(jié)能、環(huán)保、減少用地等社會(huì)效益很難體現(xiàn)出來。按照天然氣分布式能源“以熱（冷）定電，熱（冷）電平衡，就近利用，余電上網(wǎng)”的原則，余電應(yīng)取得合理的上網(wǎng)電價(jià)，目前四川省沒有針對天然氣分布式能源核定標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，如按燃煤標(biāo)桿電價(jià)0.4019元/kW·h，將嚴(yán)重虧損。

排氣系統(tǒng)壓力損失的主要原因有三個(gè)方面：一是空氣與排氣管道壁面摩擦引起能量消耗；二是消聲器內(nèi)部插管與擴(kuò)張腔的截面突變導(dǎo)致氣體流動(dòng)沖擊和渦流；三是阻性材料的增加導(dǎo)致氣體流動(dòng)受阻。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得到排氣系統(tǒng)進(jìn)氣口及排氣口壓力值，計(jì)算出消聲器優(yōu)化前后排氣系統(tǒng)各位置點(diǎn)的壓力值如表1所示。對比可知，優(yōu)化前后排氣系統(tǒng)壓降主要發(fā)生在位置⑥和⑦之間，優(yōu)化方案較原方案壓降增大2.03kPa，主要為消聲器結(jié)構(gòu)改變引起。消聲器優(yōu)化后排氣系統(tǒng)總背壓值稍高于原方案，但小于背壓指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。圖5為優(yōu)化前后消聲器內(nèi)部壓力分布云圖。由壓力云圖可知，壓力損失較大的部位為消聲器進(jìn)氣管穿孔段、中間管出口處及排氣彎管入口處。這些部位是導(dǎo)致整個(gè)排氣系統(tǒng)壓力損失的重要原因。由結(jié)果可知，優(yōu)化后消聲器內(nèi)的壓力分布根據(jù)各腔特征分為三個(gè)區(qū)域，總體呈逐漸降低的趨勢。入口管采用直管，增加穿孔，氣流順暢，氣體流通面積增大，小孔內(nèi)氣流速度迅速降低，壓力下降；氣流達(dá)到第二腔后，吸音材料使得氣流受阻，流速進(jìn)一步降低，從而消耗氣流能量，壓力顯著下降；氣流達(dá)到第三腔后，流速再次降低，壓力進(jìn)一步下降。

4 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

車輛定置增程器充電工況下排氣口噪聲頻譜對比如圖6所示。優(yōu)化后消聲器在25～630Hz頻段內(nèi)5個(gè)噪聲峰值均有明顯改善，約5～12dB(A)，與傳遞損失仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。中心頻率為400Hz的頻率段，排氣口噪聲較原方案降低了5 dB(A)以上，與傳遞損失仿真結(jié)果較吻合。在中心頻率630Hz以上的中高頻段噪聲下降約2dB(A)。優(yōu)化后，車輛定置增程器充電工況下排氣口噪聲總值由81.2 dB(A)降低到78.2 dB(A)，主觀感受明顯改善，滿足整車設(shè)計(jì)要求。

增程器加速工況下排氣口噪聲對比如圖7所示，由對比曲線可知，在問題轉(zhuǎn)速2030rpm、2530rpm、3400rpm下排氣噪聲總聲壓級顯著降低，整個(gè)加速工況下，排氣口噪聲平穩(wěn)增加，無明顯突出峰值，主觀感受明顯改善，排氣口噪聲大問題得到有效解決。

5 結(jié)語

針對某增程式輕卡排氣口噪聲過大問題，通過分析實(shí)車測試的噪聲頻譜及增程器階次激勵(lì)特征，確認(rèn)排氣口噪聲主要為中低頻噪聲貢獻(xiàn)。為降低排氣口噪聲，優(yōu)化了消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。仿真分析可知，改變進(jìn)氣管走向，出氣管形狀、消聲器內(nèi)部各腔容積、隔板及管道穿孔率以及適當(dāng)增加阻性材料能有效改善消聲器對中低頻噪聲的消聲性能。消聲器優(yōu)化后，雖然排氣背壓略有升高，但仍然滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)車測試消聲器優(yōu)化后，車輛定置增程器充電工況下排氣口噪聲降低3.0dB(A)，加速工況下，在問題轉(zhuǎn)速2030rpm、2530rpm、3400rpm下排氣口噪聲總聲壓級顯著降低，整體噪聲曲線變得平穩(wěn)，主觀感受明顯改善，排氣口噪聲大問題得到有效解決。本文針對消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化內(nèi)容及其對排氣口噪聲的降噪效果對其他增程式輕卡或同類產(chǎn)品排氣口噪聲大問題的解決具有較好的指導(dǎo)意義。

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