某混合動(dòng)力汽車(chē)怠速排氣噪聲研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化

林尚錦 劉淑玉 龐士明 黃名宗

林尚錦

本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，任排氣系統(tǒng)工程師，主要從事汽車(chē)排氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。

摘要：某混合動(dòng)力汽車(chē)怠速工況下排氣噪聲比傳統(tǒng)燃油車(chē)大，且噪聲波動(dòng)范圍大，須找出排氣噪聲波動(dòng)大的影響因素，細(xì)化混動(dòng)車(chē)型排氣噪聲測(cè)試方法，制定設(shè)計(jì)優(yōu)化方案降低怠速排氣噪聲。研究表明，該混動(dòng)車(chē)型怠速充電標(biāo)定對(duì)排氣噪聲影響較大，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后怠速排氣噪聲有很大改善。該研究對(duì)后續(xù)混動(dòng)車(chē)型怠速排氣噪聲測(cè)試方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);怠速噪聲;混動(dòng)怠速;CAN跟蹤;排氣消聲器

中圖分類(lèi)號(hào)：U473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（ 2021） 06-0073-05 Exhaust Noise Research and Design Optimization on Idling of a

Hybrid Electric Vehicle

LIN Shang-jin， LIU Shu-yu， PANG Shi-ming， HUANG Ming-zong

（ SAIC-GM-Wuling Automobile CO. Ltd. Liuzhou 545007， China）

Abstract：A hybrid electric vehicle exhaust noise is larger than traditional fuel vehicle and itvary greatly in a large range on idle condition. It is required tofind out the influence factors ofexhaust noise volatility and refine the hybrid vehicle exhaust noise test methods. It must makeoptimization design solutions to reduce exhaust noise on idle condition. The study shows thatthe hybrid electric vehicle idle charging calibration had a greater influence on exhaust noise，and. The study has significance reference and guidance for exhaust noise test method anddesign optimization for hybrid electric vehicle on idle charging condition.

Key Words： Exhaust System， Idle Noise， Hybrid Idle， CAN Tracking， Exhaust Muffler

1 前言

隨著國(guó)家碳達(dá)峰目標(biāo)的加快和油耗法規(guī)越趨嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車(chē)作為降低汽車(chē)碳排放和降低汽車(chē)油耗的重要技術(shù)解決方案之一，越來(lái)越受到汽車(chē)廠家的重視。然而混合動(dòng)力汽車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)工況更復(fù)雜，對(duì)汽車(chē)的NVH提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是怠速工況挑戰(zhàn)更大。某混合動(dòng)力汽車(chē)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，怠速工況排氣出口噪聲比傳統(tǒng)燃油車(chē)大很多，且波動(dòng)范圍大，無(wú)法滿(mǎn)足噪聲要求，需找出怠速排氣出口噪聲波動(dòng)大的影響因素，并制定方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善怠速排氣噪聲。

汽車(chē)排氣系統(tǒng)主要功能之一為降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲，常用基本消音元件擴(kuò)張腔、赫姆霍茲諧振腔、四分之一波長(zhǎng)管等來(lái)降低排氣噪聲，消音元件消聲性能常用傳遞損失來(lái)評(píng)，排氣出口處最終噪聲指標(biāo)由聲壓級(jí)大小來(lái)評(píng)價(jià)[1]。本文采用傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)單個(gè)消聲器方案的好壞，采用距離排氣出口500mm@45。處的噪聲聲壓級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)最終噪聲指標(biāo)，如圖1所示：2噪聲特征分析

經(jīng)觀察分析，該混動(dòng)汽車(chē)怠速噪聲波動(dòng)很大，初步判斷與動(dòng)力電池SOC饋電狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩負(fù)荷工況相關(guān)。跟蹤采集CAN報(bào)文發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、電池電量和排氣出口噪聲數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：排氣出口噪聲（如圖2）跟發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩負(fù)荷（如圖3）強(qiáng)相關(guān)，而發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和電池電量SOC（如圖4）強(qiáng)相關(guān)：

（1）當(dāng)電池電量SOC≤a時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用大扭矩負(fù)荷帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提高充電功率給動(dòng)力電池快速補(bǔ)電，此時(shí)排氣口噪聲比較惡劣;

（2）當(dāng)a<電池電量SOC≤b時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用穩(wěn)定扭矩帶動(dòng)發(fā)電機(jī)采用穩(wěn)定充電功率給動(dòng)力電池穩(wěn)定補(bǔ)電，此時(shí)排氣口噪聲趨于穩(wěn)定;

（3）當(dāng)電池電量SOC>b時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降到傳統(tǒng)燃油車(chē)怠速水平，此時(shí)排氣口噪聲回落到傳統(tǒng)燃油車(chē)噪聲水平。

由此可見(jiàn)，排氣出口噪聲波動(dòng)隨動(dòng)力電池SOC饋電時(shí)整車(chē)標(biāo)定的發(fā)動(dòng)機(jī)充電扭矩影響較大。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)大扭矩狀態(tài)時(shí)間很短暫即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故只需解決穩(wěn)定充電狀態(tài)工況的排氣口噪聲即可。原車(chē)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)排氣出口總聲壓級(jí)為67.4dB，1/3倍頻圖顯示噪聲主要集中50-250Hz中低頻。利用G T_Power[2]分析計(jì)算原車(chē)副消和主消傳遞損失發(fā)現(xiàn)，在中低頻傳遞損失不足，表面消聲器中低頻消音能力偏低，最終導(dǎo)致排氣口噪聲大，如圖6所示：

3 排氣消聲原理

排氣降噪常用消音元件擴(kuò)張腔、霍爾姆茲諧振腔、四分之一波長(zhǎng)管來(lái)降低排氣噪聲，消聲性能常用傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)。

（1） 1/4波長(zhǎng)管

如圖7所示，1/4波長(zhǎng)管是安裝在主管道上的一個(gè)封閉管子，傳遞損失理論計(jì)算公式[1]：

其中，TL為傳遞損失dB;m=S2/S1為擴(kuò)張比，對(duì)于圓形截面m=D2/d2，D為主管道直徑，d為1/4波長(zhǎng)管直徑;九為噪聲波長(zhǎng);L為1/4波長(zhǎng)管長(zhǎng)度。

當(dāng)L=

4時(shí)，傳遞損失TL達(dá)到最大值，此時(shí)，共振頻率理論計(jì)算公式為[1]：

（2）

（2）赫姆霍茲諧振腔

赫姆霍茲諧振腔如圖8所示，由一個(gè)封閉主腔室和喉管組成，喉管連接在主管道上，傳遞損失理論計(jì)算公式[1]：

（3）

其中，TL為傳遞損失dB;SI為支管道截面積，S2為主管道截面積;fc為共振頻率;偽激勵(lì)頻率。

當(dāng)激勵(lì)頻率和共振頻率相等時(shí)，即f=fc時(shí)，傳遞損失TL達(dá)到最大值，所以，共振頻率理論計(jì)算公式為[1]：

（4）

（3）擴(kuò)張腔

如圖9所示，擴(kuò)張腔由一個(gè)主腔室和兩邊與之相連接的進(jìn)出氣口管道組成，傳遞損失理論計(jì)算公式[1]：

TL=lOxlg

其中，TL為傳遞損失dB;m=S2/S1為擴(kuò)張比，對(duì)于圓形截面m=D2/d2，D為擴(kuò)張腔直徑，d為管道直徑;九為噪聲波長(zhǎng);L為擴(kuò)張腔長(zhǎng)度。

當(dāng)L=

4時(shí)，傳遞損失TL達(dá)到最大值。此時(shí)，共振頻率理論計(jì)算公式為[1]：

（6）

然而，排氣系統(tǒng)常用帶插入管的擴(kuò)張腔來(lái)進(jìn)行調(diào)音，如圖10所示。帶插入管的擴(kuò)張腔除了基本擴(kuò)張腔的功能外，還附帶有1/4波長(zhǎng)管的額外效果，插入管的長(zhǎng)度La或Lb決定了1/4波長(zhǎng)管消音中心頻率[1]，即：

結(jié)合（1）～（7）公式定性分析：

（1）對(duì)于1/4波長(zhǎng)管和擴(kuò)張腔：①擴(kuò)張比mT越大，傳遞損失TL↑;②長(zhǎng)度↑或La或Lb↑越大，中心頻率fc↓越低;

（2）對(duì)于赫姆霍茲諧振腔：①體積V ↑&L↑越大，中心頻率fc↓越低;②連接管道截面積S1↓越大，中心頻率fc↓越低。

由于底盤(pán)空間的限制，排氣消聲器一般布置副消聲器（如圖11）和主消聲器各（如圖12）。排氣消聲器很少出現(xiàn)上面明顯的擴(kuò)張腔、赫姆霍茲諧振腔和1/4波長(zhǎng)管，常見(jiàn)設(shè)計(jì)在一個(gè)大殼體內(nèi)隱藏起來(lái)、以穿孑L消聲器的形式構(gòu)成復(fù)合消聲器。穿孔數(shù)量越多，相當(dāng)于一個(gè)擴(kuò)張腔，穿孔數(shù)量越少，相當(dāng)于一個(gè)赫姆霍茲諧振腔，內(nèi)管和隔板上穿孔數(shù)量和位置決定了消聲特性[1]。

4 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

某混合動(dòng)力車(chē)型排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖13所示，副消在前、主消在后。原方案排氣消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14和圖15所示：

（1）副消優(yōu)化方向：

方案FMOI：增加隔盤(pán)，隔盤(pán)上打孔，副消形成2個(gè)擴(kuò)張腔，如圖17所示：

方案FM02：在方案FM01基礎(chǔ)上，外徑到120mm，提高擴(kuò)張比m↑，如圖18所示：

（1）主消優(yōu)化方向：

方案RMOI：在原方案基礎(chǔ)上增加1塊隔盤(pán)，隔盤(pán)不開(kāi)孔，形成新增1個(gè)赫姆霍茲諧振腔，喉管做成細(xì)長(zhǎng)型，增強(qiáng)低頻消音能力，如圖16所示。

方案RM02：在原方案基礎(chǔ)上增加2塊隔盤(pán)，隔盤(pán)上打孔，形成雙邊雙出口結(jié)構(gòu)，單邊3腔一雙邊6腔結(jié)構(gòu)，如圖19所示：

利用GT-POWER計(jì)算各個(gè)方案?jìng)鬟f損失[2]，結(jié)果如圖20所示。對(duì)比傳遞損失，副消方案FM02和主消方案RM02中低頻消音能力更好。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)副消和主消各個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行排列組合驗(yàn)證，在整車(chē)半消音室進(jìn)行排氣出口噪聲測(cè)試，結(jié)果如表1。結(jié)果表明，優(yōu)化組合2-4效果較好。由于優(yōu)化組合2副消方案直徑Φ120mm改變了外部邊界，導(dǎo)致副消與周?chē)慵g隙不符合要求，不予采用;優(yōu)化組合4主消RM02采用雙尾管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更改較大不符合項(xiàng)目時(shí)間要求，不予以采用。最終選擇優(yōu)化組合3（副消FMOI+主消RMOI）作為最終方案。對(duì)比低頻50-250Hz噪聲結(jié)果，優(yōu)化組合3（副消FM01+主消RMOI）低頻噪聲明顯降低，如圖21所示。結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化組合3排氣出口噪聲完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在針對(duì)該混動(dòng)車(chē)怠速排氣噪聲波動(dòng)大、測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定的問(wèn)題研究，優(yōu)化了測(cè)試方法，測(cè)試方法上采用同時(shí)跟蹤采集整車(chē)CAN發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和動(dòng)力電池電量SOC報(bào)文工況數(shù)據(jù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，提高副消外徑和主消雙尾管方案值得后續(xù)新車(chē)型設(shè)計(jì)借鑒。該問(wèn)題解決過(guò)程和方法對(duì)類(lèi)似問(wèn)題解決具有重要參考和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍、諶剛、何華，《汽車(chē)噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用》，北京理工大學(xué)出本社，2006.P203/P214/P206/P208/ P225/P212/ P240-243

[2]馬忠，黃平《基于GT-Power軟件的穿孔管消聲器傳遞損失預(yù)測(cè)研究》，現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2008年5月第2期No.130

專(zhuān)家推薦語(yǔ)

蔡文新

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

動(dòng)力總成專(zhuān)業(yè)總工程師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

作者所述論文來(lái)源于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，其解決問(wèn)題方法具有較高的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，其數(shù)據(jù)可靠，理論和推導(dǎo)正確。文字表達(dá)清晰，條理和邏輯明晰，易于閱讀。是工程師設(shè)計(jì)過(guò)程中很好的借鑒材料，建議出版。