排氣歧管異響解決方案

束銘宇

（玉柴聯合動力股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

前言

排氣歧管是連接發動機排氣出口到排氣系統的零件，它工作溫度高，振動大，工作條件苛刻[1]，因此排氣歧管的開發主要考慮流動性能對發動機工作動力性的影響、結構在高溫振動條件下的機械強度及壽命、在發動機冷熱交變的工作條件下的熱疲勞性能，很少關注本文中出現的異響現象，

本文某 1.5L歧管開發過程中出現在急踩油門過程中存在 “沙沙”異響，為解決該異響問題，我們設計了很多種結構及測試，最終解決了該異響問題。并得出開發經驗，排氣氣管的管路長度一般大于150mm，才能降低出現本文中的異響風險。

1 排氣歧管異響問題復現及測試

由于整車安裝空間小，傳感器布置困難，該排氣岐管異響復現在在發動機臺架上進行，模擬整車加速工況，急拉發動機油門，測試歧管的輻射噪聲，同時主觀評價，發現確實存在整車中的“沙沙”異響。排氣歧管發動機臺架輻射噪聲測試結果如圖 1，經音頻回放分析及主觀評價，同時對比整車測試結果，“沙沙”異響頻率都在2500Hz左右。通過拆卸部分發動機臺架附件或屏蔽隔離手段，查出聲音為歧管產生的噪聲，初步判斷為歧管大平面區A、B產生，如圖1所示。

圖1 歧管發動機臺架輻射噪聲測試結果

2 異響原因排查

該“沙沙”異響噪聲頻率很高，在 2500Hz左右，發出區域固定，推測該噪聲可能有三種來源：①為發動機燃燒產生的噪聲；②為氣流沖擊歧管壁面產生的結構輻射噪聲；③為排氣氣流經過歧管管路產生的二次氣流噪聲。根據這三種可能假設，我們通過改變歧管設計來進一步驗證噪聲來源，共對比分析了五種（分述為排氣岐管一至五）不同結構形式的排氣岐管來分析驗證噪聲來源，并最終消除“沙沙”異響。

2.1 發動機噪聲源排查

發動機燃燒噪聲按照頻率分可分為兩個區域，1000Hz以內的低頻區，該區域內噪聲較大，主要為發動機燃燒的接次噪聲，有不連續性特征；1000Hz～3000Hz的中頻區，由于發動機本身大部分結構剛度處于該區域，發動機結構本身對燃燒噪聲的衰減量低，噪聲容易被激起[2]。故燃燒噪聲中有時在該頻率范圍內較大。而本文中的異響噪聲頻率為2500Hz左右。為了排除是否為發動機燃燒，選用了圖2所示排氣歧管一，為一種長管路結構的排氣岐管，在發動機臺架中以相同工況進行輻射噪聲測試，排氣歧管一結構及輻射噪聲測試結果如圖3所示。排氣岐管一的頻譜特性，與異響歧管相比在2500Hz的異響帶范圍噪聲減少10dB（A）以上，主觀評價中沒有發現有“沙沙”異響，由此推斷該異響不是有發動機燃燒噪聲產生，而是由歧管本身設計不當產生。

圖2 排氣岐管一

2.2 歧管噪聲問題排查

為了驗證“沙沙”異響噪聲是否來自歧管的A和B區域的結構振動，提高排氣歧管A、B兩表面的結構模態，在原異響件的基礎上，將歧管A及B區域壓了兩個凹坑，為歧管二，見圖 4，根據輻射噪聲產生理論，如果異響是由于結構表面剛度不足引起，改變表面結構模態后，噪聲將會產生變化，頻率會偏移或噪聲會較小或消失[3]，歧管二的測試結果表明該結構歧管的輻射噪聲頻率變化不大，且頻率范圍變寬，“沙沙”異響在主觀評價中變大，該結構測試表明“沙沙”異響不是由于A、B兩平面區域的結構振動而產生的輻射噪聲。

圖3 排氣岐管一臺架輻射噪聲測試結果

圖4 排氣歧管二

圖5 歧管三

根據該噪聲的頻率范圍，我們考慮可能為氣流再生噪聲[4]，根據歧管一的測試結果，推斷該異響噪聲可以通過改變歧管設計來解決，綜合歧管二的測試結果，推測要解決該“沙沙”異響問題，需要重點改善歧管的流道，從氣流組織上解決。由于歧管一不滿足整車空間裝配要求，我們在空間裝配位置不變的基礎上，設計了如下圖5歧管三、圖6歧管四及圖7歧管五幾種歧管并進行臺架輻射噪聲測試。圖5歧管三設計是在A、B兩表面壓淺坑，以減弱1、2及3、4缸之間的氣流干涉，但相鄰缸1和2及3和4的氣流仍然相互串通，臺架輻射噪聲結果和原結構相比，異響頻帶變窄，但主觀評價仍有“沙沙”異響，主觀評價及測試結果都表明異響噪聲和原歧管相比減弱。圖6歧管四是在歧管三基礎上，增加壓坑深度，進一步隔離1、2及3、4缸之間的氣流干涉，但鄰缸1和2及3和4仍有部分氣流未達到完全隔離的效果，氣流竄動的截面減小，竄氣量減少，歧管四的臺架輻射噪聲測試結果和歧管三相比，異響頻帶噪聲變小，但主觀評價仍有“沙沙”異響，異響比歧管三減弱，圖7歧管五是在各支內部增加四根小管，以達到完全隔離四個缸之間的氣流影響，這四個歧管中，歧管二、三、四是為了快速找到噪聲原因二臨時做的設計方案，歧管五是根據歧管二、三、四的尺寸及測試結果，分析得出的歧管入口隔離長度初步設計達到150mm。歧管五的噪聲測試頻譜結果表明異響噪聲頻率范圍內噪聲降低了20dB（A）左右，主觀評價沒有“沙沙”異響噪聲。從圖4～圖7中幾種結構的對比結果可以看出該歧管“沙沙”異響為1、2及3、4缸之間氣流干涉引起，要解決該氣流噪聲，在歧管根部各缸出氣的流道應該隔斷，使各缸之間氣流沒有在入口一定范圍內沒有相互影響。

圖7 歧管五

2.3 歧管噪聲問題排查

圖8 定型歧管設計

根據以上“沙沙”異響的原因分析，綜合歧管的其它性能設計要求，制造工藝性及成本因素，在安裝空間不變的情況下，為解決該異響問題，最后將歧管設計成如下圖8結構并對其進行臺架輻射噪聲測試，測試結果見圖 9。最終設計結構臺架輻射噪聲頻譜中沒有出現異響頻帶，主觀評價沒有異響。

圖9 定型歧管臺架輻射噪聲測試

3 結果及結論

在某 1.5LAT車型歧管開發中，發現在急加速工況下歧管存在“沙沙”異響，通過對比分析五種不同結構形式的排氣岐管來分析驗證噪聲來源，最終消除“沙沙”異響，并取得如下結論：

（1）該排氣岐管異響噪聲頻率為2500Hz左右，與長管路結構排氣岐管的頻譜特性對比，排除該異響是由發動機燃燒噪聲產生。

（2）經過對比分析，發現該噪聲是由于各歧管入口流道設計過短位置處產生氣流干涉而產生的氣流噪聲，增加各缸入口單獨的流道長度，消除出口處各流道相互影響，可以消除該噪聲。

（3）在歧管設計中應該避免歧管入口流道設計過短，各流道至少在 150mm以上，并應達到完全隔離的狀態，避免各缸之間氣流的相互干涉。

[1] 劉志勇,夏毅敏,戴湘麗.排氣岐管開裂故障問題[J].實驗力學,2007,22(5:500-502).

[2] 張志華.內燃機排放與噪聲控制[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1999:1-141-149.

[3] 郭磊.預測與降低柴油機油底殼輻射噪聲方法的研究[J].汽車工程,2006年（第28卷）第7期.

[4] 羅虹.消聲器氣流再生噪聲測試技術研究[J].噪聲與振動控制,2010年10月第5期.