某中大型MPV加速排氣嘯叫排查

莫偉樹，黃 瑞，繆宣和，毛德龍，許忠杰，曾憲民

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

近年來，面對來勢洶洶的電動車，燃油車的進化從未停止，HEV/PHEV/REEV等等，各種類型動力汽車發(fā)展迅猛。在未徹底解決電池存儲、電池能力密度低等續(xù)航問題之前，汽油、柴油引擎作為汽車主要動力在未來十年仍將是市場主流，消聲器作為噪聲污染控制件日漸受到重視，國家也制定了更為嚴厲的噪音控制措施。如何兼顧降噪、成本、可靠性，仍將是汽車排氣消聲器面臨的重要考驗。

本研究以某中大型MPV車型為例，探討在加速工況下出現(xiàn)的明顯排氣嘯叫異響情況，利用三維流場仿真分析、查找，并確定高溫高速氣流流經(jīng)消聲器內(nèi)部內(nèi)插連接管上細小消音孔道產(chǎn)生嘯叫聲的區(qū)域及解決方策。

1 問題的提出

某中大型1.8T MPV車型在量產(chǎn)前全工裝樣車高速主觀評價反饋：整車空載以100 km/h及以上時速行駛，油門踏板10%～30%深度，后排乘客能清晰聽到尖銳的排氣尾管嘯叫；中低速（20～50 km/h）行駛過程大油門（模擬駕駛員駕車超車工況）加速，乘客能清晰感知排氣嘯叫聲，且排氣尾管有嚴重的尖銳異音，同時車內(nèi)第二、三排座位可明顯感知連續(xù)轟鳴，嚴重影響車輛乘坐舒適性，客戶駕乘體驗差，存在較高的售后抱怨及投訴風險，需對指摘的故障現(xiàn)象進行排查，并針對性解決[1]。

2 布置形式

該車型排氣系統(tǒng)根據(jù)車身及底盤結(jié)構(gòu)差異性要求，按前主排氣消聲器+后輔助排氣消聲器的單排氣尾管布置形式，如圖1 所示。

圖1 排氣布置示意[2]

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

原方案排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主排氣消聲器筒體內(nèi)部采用擴張腔、共鳴腔的阻抗復合型消聲單元結(jié)構(gòu)，消聲容積約23.5 L；輔助排氣消聲器筒體內(nèi)部采用消音棉包裹消聲器內(nèi)部內(nèi)插連接管上細小消音孔道的阻性消聲單元結(jié)構(gòu)，消聲容積約4.5 L。

圖2 原方案排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

4 嘯叫樣件測試確認

將已確定嘯叫的整套排氣消聲器更換至整車上，按嘯叫指摘工況進行噪音試驗，測量車內(nèi)、前排氣主消聲器殼體近場噪聲，如圖3、圖4所示。

圖3 車內(nèi)噪音頻譜

圖4 前排氣主消聲器筒體近場頻譜

從實車測試數(shù)據(jù)可以看出，該套排氣消聲器加速工況存在異響帶，異常嘯叫問題，且基本確定嘯叫聲由前排氣主消聲器內(nèi)部發(fā)出。

5 嘯叫聲產(chǎn)生的原因

車輛行駛過程中出現(xiàn)的排氣尾管口嘯叫聲，是屬于高頻噪聲類型，經(jīng)常在突然加速或者高轉(zhuǎn)速下的小油門工況下產(chǎn)生。結(jié)合調(diào)音方案，根據(jù)以往排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計及噪音調(diào)試過程中遇到類似的嘯叫聲的經(jīng)驗判斷，排氣尾管口類似口哨聲的嘯叫很有可能是由高溫高速氣流流經(jīng)前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的細小排氣緩沖消音孔道引起。

為了驗證經(jīng)驗推論判斷的正確性，對原排氣消聲器方案進行三維內(nèi)流場仿真分析，觀察前排氣主消聲器內(nèi)部排氣緩沖管易引起嘯叫的小孔流速及湍動能分布情況，為此次排氣尾管加速嘯叫聲產(chǎn)生原因提供理論根據(jù)。

6 原方案三維仿真分析

6.1 計算邊界條件、網(wǎng)格參數(shù)及物理模型

前排氣主消聲器入口排氣尾氣質(zhì)量流量按0.158 kg/s，前排氣主消聲器入口排氣尾氣溫度按850℃，排氣尾管出口相對壓力0 kPa，排氣尾管出口環(huán)境溫度相當于室溫300 K。

模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格類型，基礎面網(wǎng)格尺寸為10.0 mm，最小面網(wǎng)格尺寸為1.0 mm，最大面網(wǎng)格尺寸為8.0 mm，邊界層數(shù)為2，邊界層厚度為1.0 mm。

計算物理模型調(diào)用穩(wěn)態(tài)、流動湍流、多項式密度、分離求解器等。

6.2 模擬仿真分析結(jié)果

該車型排氣消聲器三維流場仿真分析結(jié)果如圖5、圖6，結(jié)果表明：

（1）從速度矢量分布云圖來看，前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的細小排氣緩沖消音孔道熱氣流速度比較大，尾氣流速最大達到了289 m/s，該內(nèi)插管處緩沖消音孔道流速過大是引起嘯叫的部位。

（2）從湍流動能分布云圖來看，該內(nèi)插管處緩沖消音孔道的周圍的湍流動能比較大，最高達到了2802 J/kg，高溫高速流經(jīng)該處消音孔道造成較多的能量損耗。

（3）基于速度矢量及湍流動能云圖，基本確定該車型加速工況產(chǎn)生的嘯叫，由前排氣主消聲器筒體內(nèi)插管上的消音孔道設計不合理導致。該處孔道詳細示意，如圖7所示。

7 優(yōu)化改進方案設計

7.1 方案設計

本次故障嘯叫發(fā)生位置位于前排氣主消聲器內(nèi)插出氣管的入口位置，該處孔道存在相當于該處腔體內(nèi)設計的赫姆霍茲消聲器，該結(jié)構(gòu)在降低低頻、窄頻帶噪音方面有較強針對性[3]，經(jīng)整車性能及排氣調(diào)音過程數(shù)據(jù)確認及查證該車型未對低頻、窄頻帶有特殊要求，故優(yōu)化方案取消此處孔道。

圖5 原方案前排氣主消聲器筒體流體域速度矢量

圖6 原方案前排氣主消聲器筒體湍流動能

圖7 加速嘯叫產(chǎn)生位置

7.2 優(yōu)化方案與原方案三維仿真對比分析

7.2.1 排氣消聲器排氣背壓仿真分析對比結(jié)果

一般而言，排氣背壓過大，將引起機械功增多、功率降低、燃油消耗率惡化等問題。理想情況下，一套性能優(yōu)異的排氣消聲器，必須擁有較大的消聲量和較小的排氣背壓，但對于一套特定的排氣系統(tǒng)，要獲得較大的消聲量，就必然會以增大排氣背壓為代價。因此，對排氣系統(tǒng)壓力場進行分析，不但是發(fā)動機性能的要求，也是消聲系統(tǒng)消聲性能的要求。

從圖8更改前后排氣消聲器背壓對比及表1更改前后該套排氣消聲器背壓變化情況可知，方案變更前后排氣消聲器總背壓變化小于5 kPa，排氣消聲器背壓變化值滿足排氣消聲器調(diào)音前后背壓變化值不大于5 kPa的設計目標。對本車型取消前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道能否解決故障問題點還需通過實車主觀評價及測試后進行確認。

圖8 更改前后排氣消聲器背壓對比

7.2.2 排氣消聲器內(nèi)部氣流速度矢量仿真分析對比結(jié)果

從圖9更改前后排氣消聲器內(nèi)部氣體流速對比示意圖，方案變更前后排氣消聲器內(nèi)部速度矢量由289.5 m/s下降至228.6 m/s，排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)排氣尾氣排出速度降低21%。對本車型故障問題點改善情況還需通過實車主觀評價及測試后進行確認。

表1 更改前后該套排氣消聲器背壓變化情況

圖9 更改前后排氣消聲器內(nèi)部氣體流速對比

7.2.3 排氣尾管馬赫數(shù)分析對比結(jié)果

（1）計算邊界條件、網(wǎng)格參數(shù)及計算模型

前排氣主消聲器入口排氣尾氣質(zhì)量流量按0.158 kg/s，前排氣主消聲器入口排氣尾氣溫度按850℃，排氣尾管出口相對壓力0 kPa，排氣尾管出口環(huán)境溫度相當于室溫300 K。

模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格類型，基礎面網(wǎng)格尺寸為10.0 mm，最小面網(wǎng)格尺寸為1.0 mm，最大面網(wǎng)格尺寸為8.0 mm，邊界層數(shù)為2，邊界層厚度為1.0 mm。

針對排氣消聲器，采用STAR-CCM+進行前處理及網(wǎng)格劃分，計算物理模型調(diào)用穩(wěn)態(tài)、流動湍流、理想氣體、分離求解器等。

（2）仿真分析排氣尾管馬赫數(shù)對比結(jié)果

從圖10更改前后排氣尾管馬赫數(shù)對比示意圖，方案變更前后排氣尾管馬赫數(shù)由0.33591上升為0.3388，尾管馬赫數(shù)上升0.0029，排氣尾管馬赫數(shù)變化是否出現(xiàn)怠速、加速尾管流噪出現(xiàn)轟鳴。前排氣消主聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)更改導致的排氣尾管口馬赫數(shù)變化對整車影響，需通過實車主觀評價進行確認。

圖10 更改前后排氣尾管馬赫數(shù)對比

7.3 優(yōu)化排氣消聲器主觀評價

按照優(yōu)化方案制作樣件，并裝配至整車，并組織故障問題點指摘人員進行各工況實車確認結(jié)論為：經(jīng)實車確認整改方案有效，排氣尾管尖銳嘯叫明顯降低，主觀評價分值達到該車主觀評價目標。

7.4 優(yōu)化排氣消聲器噪音測試

測試結(jié)果如圖11顯示，此次排氣消聲器優(yōu)化對車內(nèi)聲學性能的提升效果明顯，加速嘯叫轉(zhuǎn)速段噪音降低約10 dB。

8 結(jié)語

通過CFD三維內(nèi)流場仿真分析確認該車型在加速時出現(xiàn)嘯叫聲的點，確認前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道氣流存在異常，提出了解決方案，經(jīng)計算仿真及實車主觀評價、噪音試驗驗證，確認能通過取消前排氣主消聲器出氣內(nèi)插連接管上的孔道可有效降低排氣尾氣流經(jīng)該位置時的流速，能有效解決該車型加速嘯叫問題，嘯叫轉(zhuǎn)速段噪聲比原方案降低約10 dB。

圖11 更改前后車內(nèi)噪音對比