汽车排气消声器设计研究

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20 05年第 2期

车

辆

与动

力

技术

Ve il& P we e h o o y hce o r T c n lg

总第 9期 8

文章编号：10 4 8 2 0 0 0 4 0 0 9— 6 7( 0 5)2— 0 9— 4

汽车排气消声器设计研究宋艳冗，葛蕴珊，张宏波 (京理工大学机械与车辆工程学院，北京 10 8 )北 0 0 1

摘

要：基于管道声学理论，利用 A L公司的 B o软件建立排气消声器模型，进行某轿车的排气消声器改进设 V os t

计 .实验证明，这种设计方法能够充分考虑发动机排气气流对消声性能的影响，并可以在消声器设计过程中兼顾发动机的综合性能和消声器的消声性能，是排气消声器设计的理想方法 .关键词：噪声；消声器；插入损失中图分类号：T 4 3 4 K 1 . 7文献标识码：A

S ud n t hil h us u e sg t y o he Ve ce Ex a tM f r De i n lS ONG Ya—o g, nrn GE Yu—h n, ns a ZHANG n— o Ho g b

( c ol f c aia a dV hc l n ier g e igIs tt f eh oo,B in 0 0 1 hn ) S h o o h ncl n e iua E g ei,B in tueo c nlg Me r n n j ni T y e ig10 8,C ia j

Ab ta t Ba e n t e te r ff w u ta u t s. smu aig mo e fa muf ri sa l h d b — sr c: sd o h h oy o o d c o si l c i ltn d lo f e se tbi e y u l s sn h ig t e AVL BOOS T, a d i rv d d s n o ee h u tmuf ro a si lme td T ets e n mp o e e i ft x a s f e fa c ri mpe ne . h e tr— g h l s l e ty t a h i lt n meh d i b e t o sd rte u se d o fte g s f m h x a s ut tsi h tte smu ai to s a l o c n i e h n ta y f w o h a r s f o l o te e h u t muf ra d gv

te t n t oh te c mp e e sv e fr n e o n i e a d muf r I i n i e l f e n ie atn i o b t h o rh n ie p r ma c fe gn n fl . t s a d a l o o e meh d t e in muf r t o o d sg f e . l

Ke r s: n ie mu e; i s rin ls y wo d os; l f r n e t o s o

发动机排气噪声是汽车噪声的主要噪声源.对发动机排气噪声的控制，可以对噪声源本身采取措施，这需要从噪声源机理分析人手，采取相应对策，但这往往会影响到发动机其他方面的性能，因

型，在此基础上对消声器结构进行改进设计 .实验

证明，本文介绍的方法可以方便的考察更改消声器的结构对排气噪声的影响，达到消声器和发动机最佳匹配的目的 .

而需要综合考虑并进行大量的实验研究¨ .此外， 仅靠从噪声源本身采取措施，其降噪量也是很有限的.最有效、最简单的降噪措施是采用结构合理的排气消声器.1 1消声器模型 .

1数学模型

作者将发动机排气系统作为消声器的噪声源，利用 A L B ot件建立了发动机和排气系统模 V os软收稿日期：2 0 0 4—1—1 1 1

消声器内部结构复杂，包括管道、穿孔管、扩

作者简介：宋艳冗 (9 1,女，硕士生；葛蕴珊 (95一) 18一) 16,男，教授，博士生导师

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5 O

车辆与动力技术

20 0 5年

张室、共振室等部件，假设其内部气体流动为一维非定常流动，以一维流体动力学和管道声学为理论基础建立模型，基本方程可以写成如下形式：一 ++连续方程亚 p a t++“ +p “

发动机工作过程包括缸内燃烧和进排气系统换

气，都是以热力学第一定律为基础的，其数学描述如下： d m ) (“— 一 一

●一口+一 以 一

=。,

dPc.

dF Q+ 一

a Q

d B mBB B,

() 1

() 4

动量方程能量方程

十

塑+u

() 2

式中

m为缸内气体质量； c c P为缸内气体压力；“

为气体比内能；为曲轴转角；一。为缸内气体

p() 3

0塑

( k一1 P( ) q+u F)=0,

推活做功警为料成量∑ 动塞的；燃生热；警为 d —d缸壁热量损失； 为流出气体带走的焓值.

式中 P为密度；“为速度；F为管道截面，由于此处为刚性管道，因而：;p为压力；F为单 0

位气体质量上所受的摩擦力；0为音速；q为单位时间内，单位质量气体从管壁吸收的热量，q U :o(—T; ) 热系数.12 .发动机模型

2排气噪声计算和消声器设计为使发动机排气噪声在各种工况下都能得到有效的控制，试验测量了某轿车用汽油机安装空管时在各种转速下的排气噪声的倍频程频谱，如图 1所示.

为管壁温度；T为气体温度；为换

∞口\

鼷{缸、

图 1发动机排气噪声的倍频程频谱

以图 1排气噪声频谱外包络线为依据，并根据车外加速噪声限值标准，设计了如图 2所示的抗性消声器方案 1,并且在 A L B ot cut s中建立 V os A osc i消声器各扩张室模型.按照气体流动方向，方案 1

据能量叠加原理，可以求得消声器的合成插入损失.

I厂[]]厂二 r _—] I声源扩张室 ( )扩张室 1 a、2模型边界

消声器的第 1和第 2扩张室的进气管和排气管在扩张室的两侧，建立模型如图 3所示，而第 3和第 a4扩张室的进排气管在扩张室的同侧，模型如图 3 b

所示.取频率间隔为 1 z 0H,输出频率范围为 2 0~ 50 0H之间各频率的单扩张室插入损失，然后根 0 z

边界

( )扩张室 3 4模型 b、图 2消声器设计方案 1 图 3各扩张室模型

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第 2期

宋艳冗等：汽车排气消声器设计研究

考虑气体流动对消声器性能的影响，计算了发动机排气流量分别为 0 1g s 0 0 k/, . 1 g s . k/, . 5 g s 0 0 k/ (对应发动机转速大约分别在 550/ i、40 0/ 0 rm n 0 rmi、10 0/ n时消声器的插入损失，如图 4 n 0 rmi)所示 .6 O

量为 0 1 g s的合成消声量频率特性曲线，并与 . k/时方案 1消声特性做了比较，如图 7 .声源扩张室

号 5

o一 2< O

边界图 5扩张室模型

耀 1 0O

频率/ z H( )排气流量为 0 1 g s a . k/7 0∞ 60 5O 40 3O

( )方案 2 a

一 2< O耀 1 0O

∞/鞲姆 p

∞∞∞∞∞ 频率/H z( )排气流量为 0 0 k/ b .5 gs8 0

0

( )方案 3 b 图 6加隔板后的两种设计方案

号 6 7 0 o

O

频率/H z

( )排气流量为 0 0 k/ c . 1gs图 4排气流量变化时方案 1声器的消声性能消

由图 4可见，在考虑气体流动影响时，不同发动机工况下，方案 1消声器在低频范围内消声效果都较差 .而发动机的排气噪声主要集中于小于 3 0 0 H的低频段 .所以为了提高方案 1消声器在低频 z范围的消声性能，在仿真计算过程中试图调整图 3 所示的消声器各个扩张室的特征尺寸，效果并不明显.图 7 3种不同方粟消声特性曲线

由图 7可以看出，在低于 60 H 0 z的频段，方案 2和方案 3消声器的t声量明显高于方案 1肖，而

且方案 3优于方案 2;在频率为 23 0H左右，方 0 z案 3的消声效果有了明显提高；其他频段的 3种方案的t声性能则没有明显规律 .由于发动机在低频肖

为了使消声器在低频范围有较好的消声效果， 在消声器某个腔内增加了一隔板，以便在扩张室式 t声器中增加共振消声效果 .增加隔板的扩张室在肖 A LB ot cut s V os A o sc中采用了图 5所示的扩张室模 i型.保持消声器总体外观尺寸，经过调整该扩张室

范围的噪声较大，所以保证消声器在低频段的消声性能更为重要 .由以上计算可知，方案 3消声器的消声性能最好 . 为了计算发动机在安装消声器后的功率损失， 利用 A L B ot件建立了某轿车用汽油机安装方 V os软案 3消声器前后的运行工况模型，如图 8示.模所型中，消声器用稳压腔代替，稳压腔并不起消声作用，而只在计算中模拟消声器的阻力损失 _ . 2 J

隔板位置及其余 3个扩张室的尺寸分布，确定了两种消声器方案，如图 6所示 .其中，按照气体流动方向，方案 2在第 1张室内加入隔板，方案 3在扩第 4扩张室内加入隔板.计算了两种方案

在排气流

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车辆与动力技术

20 0 5矩

( )发动机模型 a

( )发动机加消声器模型 b图 8发动机装消声器前后模型

为了证明所建模型的准确性，实验测量得到了该车用发动机在各转速下的输出功率和比油耗.图 9、图 l 0表示实测结果与计算结果的比较.

下功率损失比均在 3以内，满足小于 5%%的要求 . 方案 3消声器在消声性能和功率损失两方面均符合设计要求 .表 1发动机安装消声器后的功率损失和功率损失比

≥、、

瓣

200 30 400 500 600 0 00 0 0 0

转速/ rri 1 (. n ) a 图 9发动机功率验证曲线31 O

鎏 。24 0Z0 0 30 0 400 500 60 0 0 0 0 00

3结论 将发动机作为消声器的声源，可以顾及排气的转速/ rmi 1 (. n )

质量流量对消声器的影响，并可以对发动机的经济

图 l发动机油耗验证曲线 O

性、动力性和消声器的消声效果进行综合研究，是排气消声器设计的理想方法 .本方法也可以方便的考察更改消声器的结构对排气噪声的影响，达到消

由图 9、图 l 0可以看出，功率和燃油消耗率的计算结果与实测结果基本一致 . 根据模拟计算得到的发动机安装消声性能最好

声器和发动机最佳匹配的目的，使消声器的研究和设计更加方便、快捷.参考文献

的方案 3消声器后的功率损失和功率损失比表示在表 l中. 由表 l可以看出，随着发动机转速的增加，安

装消声器后的功率损失和功率损失比都有所增加， 这是由于发动机转速增加使排气背压增加，从而使消声器中的流动阻力增加，从而增加了功率损失.由表可知，安装方案 3消声器后，发动机在各转速

[]葛蕴珊 .二冲程轿车排气消声器的设计研究[]车 1 J.辆与动力技术，1 9 2:1—5 9 9( ) .[]葛蕴珊，张宏波 .基于发动机热力过程的排气消声 2

器设计[] J .汽车工程 .20,2 3:25— 7 . 04 6( ) 7 28

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