汽車排氣消聲器性能分析及改進

呂學峰 于志冬

【摘 要】由汽車發動機排出的高溫氣體在進入排氣消聲器時，將對消聲器的消聲性能產生較大的影響。高溫不僅可以改變氣體的屬性，還會對消聲器內的聲傳播產生影響。因此，探究溫度對消聲器消聲特性的影響是非常有必要的。本文提出了一種可有效降低排氣溫度的排氣換熱系統，并對其進行仿真分析和試驗驗證，證明設計的可行性。

【關鍵詞】汽車排氣；消聲器；性能

引言

排氣噪聲是主要的汽車噪聲之一，消聲器作為控制汽車排氣噪聲的關鍵部件，其消聲性能和壓力損失對汽車的噪聲水平、動力性能和經濟性具有顯著影響。消聲器傳統設計中往往以傳遞損失和壓力損失作為評價參數對其進行靜態設計。雖然該方法在一定程度上能獲得消聲器的聲學性能情況，但難以考慮發動機對消聲器性能的耦合影響，因此往往難以達到預期的消聲效果。

1、國內研究現狀

相比國外的學術研究，國內學者研究消聲器的起步較晚，直到20世紀80年代后期，我國學者開始對消聲器進行研究，為國內消聲器研究奠定了基礎。在科研工作者的不斷努力研究下，我國在消聲器研究方面取得了階段性的研究成果。上世紀80年代后期國內學者們利用一維聲傳遞矩陣開啟了對消聲器聲學性能的研究歷程。1988年，盛勝我研究了具有聲能耗散時抗性消聲器的傳遞矩陣，找出了聲能衰減的三種主要原因，并利用直接堵塞法測得了矩陣元素值，得出了在具有聲能耗散時聲波在管道中的傳遞矩陣。1991年，黃其柏、夏薇在考慮排氣氣流和溫度的影響下，研究并得到了四種常用消聲元件（突變插管、剛性直管、摩擦穿孔板和穿孔聲管）的傳遞矩陣，并通過試驗驗證了該理論的正確性。1994年，蔡超等人根據消聲器傳遞矩陣分析方法，在未考慮氣流再生噪聲問題的影響下，得到了拖拉機抗性消聲器12種不同聲學子結構的傳遞矩陣，該研究為后期的消聲器工程設計創造了條件，大大拉近了我國在一維聲波研究領域與國外的距離。

在探討消聲器內部氣流對聲學特性的影響方面，國內學者做出了很多努力。劉伯潭等人基于計算流體力學，利用Star-CD軟件對復合式消聲器內部流場進行了數值仿真，探究了消聲器內部氣流對其聲學性能的影響。羅虹等人使用數值分析方法對消聲器內部的流場、溫度場及聲場進行分析，證明了消聲器的流場和溫度場對消聲性能具有重要的影響。李國祥等人通過研究一種具有典型結構的消聲器流場和溫度場，研究表明氣流溫度降低時，抗性消聲器的傳遞損失曲線會向低頻方向移動。劉晨等人利用GT-Power軟件探究了高溫氣流對三通穿孔管和直通穿孔管消聲器在靜態時傳遞損失的影響，研究表明高溫氣流對消聲器的聲學特性能夠產生直接影響。

2、仿真模型建立

副消聲器為一簡單擴張式結構，進、出口管徑為36mm，管壁厚度為1mm，擴張比為8；主消聲器由三腔三管組成，中間管和出口管在中間腔室部分均開有18個直徑為7.8mm的均布小孔。

由于GT-Power軟件采用一維有限體積法對流體動力學流動方程進行求解，因此在用GEM3D軟件建立好消聲器幾何模型后，需要將模型離散化處理。排氣管路離散長度一般為氣缸直徑的0.55倍。本文中汽油機的氣缸直徑為78mm，因此定義排氣管路離散長度為42mm。排氣管路壁面熱傳導求解模塊參數設置如下：表面熱傳導系數為15W·（m2·K）-1，壁面厚度為2mm，表面散熱系數為0.8。

3、仿真結果分析

3.1、插入損失仿真分析

插入損失指安裝消聲器前后，管口向外輻射噪聲聲功率級之差。它不但與消聲器本身的結構有關，而且與聲源及末端的聲學特性有關，因此相比于傳遞損失更能反映消聲器的實際消聲效果。根據發動機常用轉速范圍和企業要求，選取發動機的轉速范圍為1000～2500r·min-1，對消聲器的聲學性能進行分析。圖3為原消聲器的轉速在1000～2500r·min-1時的插入損失仿真結果，其中虛線為企業要求的插入損失目標值。由圖3知，在轉速為1000～2500r·min-1整個范圍內，消聲器的插入損失均未達到要求，尤其在常用轉速2500r·min-1時，仿真值與目標值相差最大，消聲效果最差。

3.2、壓力損失仿真分析

壓力損失指進、出口管中截面的全壓差。由于較高的壓力損失會降低發動機的動力性能，因此，在排氣系統優化設計中不僅要獲得較好的聲學特性，還要盡可能的減少壓力損失。在發動機節氣門全開情況下仿真得到的消聲器壓力損失結果，其中虛線對應企業允許的最大壓力損失值。隨著轉速的增加，整個排氣系統的壓力損失呈上升趨勢，但遠小于目標值2.0×104Pa，消聲器空氣動力性能良好。

4、結構多參數、多目標、多工況優化

4.1、響應面擬合及質量評價

通過建立響應面模型，就可以對參數因子輸入的不同值進行插值計算，最后通過在響應面搜索合適的結果，得出所需的最佳響應，連接彎管直徑和主消聲器穿孔直徑對壓力損失和尾管噪聲的響應圖。由于響應面的擬合精度對后續的優化結果有重要影響，因此需要對響應面的擬合質量進行評價，其主要評價指標組成包括模型總方差的誤差分數（R-Squared，R-Sqr即2R）代表指標、修正的2R（AdjustedR-Squared，AdjR-Sqr）指標和預測的2R（Q-Squared，Q-Sqr）指標。其中AdjR-Sqr指標具有更高的可靠性，能排除過度擬合的影響，因此采用AdjR-Sqr指標對響應面的擬合質量進行評價。

4.2、消聲器結構多參數、多目標優化

在采用擬合精度較好的響應面的基礎上，對消聲器結構進行多參數、多目標優化。優化過程中采用遺傳算法進行求解。根據實際情況，優化條件設置為尾管噪聲最小，而壓力損失不超過2.0×104Pa；轉速1000r·min-1時的權重系數為0.3，轉速為2500r·min-1時的權重系數為0.7。將各個參數的全局最值代入GT-Power計算模型中進行求解，得到改進前、改進后插入損失和壓力損失的對比結果，優化后消聲器的整體插入損失有了明顯提升，且都在目標值以上，尤其在轉速2500r·min-1下，其值由18dB提升至32dB，效果顯著。雖然系統壓力損失整體也呈上升趨勢，但變化相對較小。在常用轉速2500r·min-1下，改進后的壓力損失最大值為1.3×104Pa，遠低于目標值2.0×104Pa。

結束語

針對某汽車消聲器插入損失過低的問題，基于DOE方法，對消聲器結構進行多參數、多目標優化，改進后的消聲器整體插入損失有了明顯提升且基本在目標值以上，尤其在轉速2500（r·min-1）下，其值由18dB提升至32dB，效果顯著；雖然壓力損失增至1.3×104Pa，但遠小于目標值2.0×104Pa，消聲器的綜合性能得到了提高。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）