摩托車消音器的優化設計研究

鄭榮鉅

摘要：隨著社會的不斷發展，人們越來越意識到噪音對健康的影響，關于噪音的法規也變得越來越嚴格。發動機噪音是評估發動機技術質量的重要指標，并且對市場上的發動機競爭有重大影響。發動機噪音主要是由排氣噪音引起的，排氣噪聲控制可以有效地控制發動機噪聲。如今，安裝排氣消聲器是控制排氣噪聲的重要方法，它既簡單又有效。

關鍵詞：摩托車;排氣消聲器;優化方法

中圖分類號：TH113.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0018-02

0 ?引言

在整個摩托車的設計中，運輸發動機不僅有消聲的作用，而且直接影響發動機的性能。排氣系統的更改將影響進氣系統，并因此影響整個引擎的動力特性。由于大多數摩托車使用者居住在農村，道路和地形區域較差，因此對摩托車的性能和焊接能力的要求較高。在實際應用中，已經發現現有排氣管與消聲器之間的連接會進一步中斷，因此有必要研究摩托車消音器的安裝方法和設計的合理性。本文重點研究了摩托車噪音的控制方法，通過分析消音器的原理來進行設計的優化，希望能夠為摩托車降噪優化提供有效參考。

1 ?摩托車噪聲現狀及控制方法

通常噪音的主要來源來自于發動機排氣，發動機所排氣體溫度能夠達到800℃，壓力約為0.4-0.5MPa。當發動機排氣門打開時，廢氣從脈沖狀空間散發出來，形成非常大的能譜，頻響范圍從幾十個到10，000Hz以上的復雜聲音是一種寬帶聲音。現在，世界上每個國家都將噪音水平作為測試車輛和設定聲音控制聲音標準的基準。根據從125毫升到250毫升摩托車的平均噪聲限值，與其他國家進行比較。顯然，中國與其他國家之間仍然存在差距，改善摩托車功能并降低排氣噪聲仍然非常迫切。

控制汽車噪聲控制的主要方法是控制聲源，并使用聲音控制技術來控制汽車的分配模式，例如吸聲、噪聲分離、振動分離、減水、人身保護等，使得震動和聲波降低以此達到降噪的效果。目前有效使用最為廣泛的降噪方法是采用排氣消音器，針對降低摩托車噪音所開發的高性能輸出消音器通過改造結構的方法有效提升了消音器的質量。

2 ?消聲器的種類及其評價

消音器從原理上將能夠阻止聲音的傳播并且消除空氣中的動力學噪音的同時還能夠不影響空氣的通過。消音器種類較多，如小孔消音器、微孔板消音器、阻性消音器、阻抗符合消音器以及抗性消音器等。消音器的質量可以從三個方面來考慮：

2.1 消聲器的消聲性能（消聲聲功率級和頻譜特性）

①消聲器的噪聲水平通常反映在傳輸和插入的損失中。傳輸損耗定義為消聲器的輸入音量和輸出音量之間的差：LTL=LW1-LW2

其中，LTL為聲功率傳遞損失，dB;LW1、LW2為消聲器輸入和輸出的聲功率級。

傳輸損耗完全取決于消聲器的聲音傳輸矩陣，這是消聲器的主要屬性。實踐表明，在嚴格的實驗室控制條件下，預計的傳遞損失通常和實測的值是相同的。

②插入損耗定義為在安裝消音器之前和之后在恒定測量位置測得的計算出的聲級（或總聲壓級，帶壓級）之差：LL=Lp1-Lp2

其中，LL為聲壓級插入損失，dB;Lp1、Lp2為安裝消聲器前、后在某點測得的聲壓級。

插入損失主要與排放條件和聲援信號有關，并非消音器的固有屬性。由于在安裝和拆卸消聲器之前和之后很難量化這些因素，因此需要進一步的分析和研究以更好地預測安裝損失。

③現階段也可以通過安裝損耗來檢測消音器的性能。在對消聲器的降噪效果進行評估時，只采用正常的音量和壓級是不足夠的，還需要深入了解消音器在各個頻率上的壓級。

2.2 消聲器的空氣動力性能

發動機消聲器的空氣動力性能用發動機的功率損失比RN來表示：RN=×100%

其中，Pe1為內燃機在標定工況下不使用消音器的功率;Pe2為內燃機在標定工況下使用消音器的功率。

關于降低汽車（包括摩托車）噪音設計的當前性能，如果要求消音器小，重量輕，并且當噪音降低到20～30時其功率損耗應小于5%，當消音量提高至20～30dB時，由于消聲器的體積不能過于增加，因此其功率損耗應相應降低，但不應超過7%。

2.3 消聲器的結構性能（尺寸、價格、使用壽命等）

通過消音器的具體性能以及空氣動力學的特征就能夠決定消音器的尺寸，通常尺寸越小價格也越便宜，使用壽命也越長。

3 ?摩托車發動機排氣消聲器的要求

設計摩托車發動機排氣系統時，應考慮以下要求：①良好的降噪性能，請嘗試使觸摸機的頻率特性與泵的頻率特性相匹配。②降低對排氣流的阻力并減少排氣。③必須確保其具有較高的耐高溫性，良好的防銹性，并且不允許污染，并且不允許廢氣無線電裝置污染和生銹。選擇設備時，避免使用玻璃棉之類的材料，因為這樣的吸收劑會阻塞并降低潤滑劑的性能。④具有良好的空氣動力學性能，因此暴露于高溫空氣中后不會產生再生聲音。⑤性能良好，能夠長期使用以及滿足使用的要求。⑥結構見解，體積合理，重量輕，成本低，工藝性能好。

4 ?排動管的優化設計

具有二行程汽油發動機的摩托車發動機排氣系統，用于檢查流動效果，該系統由傳動管和消音器組成。圖1顯示了普凌PL50汽油機排氣系統和濟南JM250汽油機的示意圖。

從圖1中可以看出排氣管與消聲器之間的關系是十分復雜的。想要建立一個好的系統需要仔細的分析和計算。讓我們從精心設計的排氣管開始。

提出了排氣管的構造，這是因為二沖程汽油發動機的充氣性能低，并且在通風過程中通過排氣口損失了大量新的充氣。它的設計理念是原始的，僅在清潔孔之后。打開后會導致氣缸充氣在排氣系統上產生“泵吸效應”，并加速空氣交換過程，這需要排氣管中的空氣流在適當的時候在排氣口形成低壓點。為了實現上述目的，在排氣系統中內置了擴散器，使得上升的氣體由于管段的膨脹而產生強烈的負波。在進行建筑設計（L1、L2、L3、β1、D、d）合理時，打開清潔口后不久，該負壓波便通過排氣管流回排氣口，從而在排氣口上施加負壓。通過按壓好壞來加快進氣和排氣的通風過程。當掃氣口關閉而排氣口未關閉時，排氣系統中的氣流對新的排氣口產生“反壓”作用，新進料的反壓返回到氣缸。這就要求在這段時間內，在高壓區附近的排氣管中可能形成排氣口，設計特定的步驟來在膨脹管后面設計一個密封管，以使氣體由于其橫截面的減小而產生正壓力波，并計算結構的相應尺寸（β2、D、L4、L5、d1、d2），以便正壓力波在掃氣口剛剛關閉后返回排氣口。

5 ?消音器的優化設計

為了改進現有摩托車消音器的設計，有必要在以下方面改進其性能：①在所需頻帶上加大消音量;②確保摩托車安裝消音器，同時降壓也在可控范圍內;③在提供消聲器時，消聲器應盡可能便宜并且使用壽命長。研究表明，隨著消音室擴音室長度的增加，音量呈指數增加，從而導致其截止頻率朝著低頻變化，并增強了阻止低波的能力。此外，增加容積還可以有效地降低后向壓力并改善發動機性能，因此，在充分利用小配件的情況下，增加第一增壓室的容積非常重要。研究表明，現有摩托車后面的膨脹室寬度很小。根據理論研究，我們發現，隨著消聲器膨脹室寬度的增加，增加的速率將相應地增加，而最大的減少量也將相應地增加。如上所述，這還將增加其音量，這將改善低噪聲的降低。因此，應在優化消音室的的同時拓寬膨脹室的寬度。排氣管的選擇對摩托車消音器的消音量有直接的影響，排氣管直徑越小消音量的減少就會越大，降低下波的切割頻率，但是排氣管的直徑不能太小，因為減小排氣管的直徑會大大增加空氣流速，就會直接影響到發動機的具體性能，因此在對消音器進行優化時需要縮小排氣管的直徑。

6 ?消聲器結構參數的選擇

6.1 消聲器擴張比選擇

經研究與分析可以得出消聲器膨脹率能夠直接影響到聲音的輸入量，因此對消聲器的性能而言應當選擇合適的擴展率。增加膨脹率可以通過縮小消聲器入口或者縮小出口管的寬度或者縮小消音器寬度來完成。消聲器的進氣管直徑受到內燃機循環出口尺寸的局限性，一旦大于內燃機的最大輸出量就會增加反向壓力，進而導致功率飆升增加噪音，也會嚴重地影響到消音器的質量。另外，消聲器的外部尺寸也有一定的范圍限制，不能夠太大。在消聲器的整體結構中應當選擇適合的擴張率，通常控制在9-16之間。這樣就能夠達到最大的降噪水平。

6.2 消聲器容積的選擇

選擇消音器體積時，盡可能選擇最大的溶劑，這樣就能夠有效降低下限失效頻率，提升降噪的效果。消聲器的音量過小會導致功率損耗的增加。

6.3 消聲器內部結構的選擇

為了滿足排氣消音器的要求，選擇消音器的結構時需要加長孔。通常，將拉伸孔連接至模制管和由油漆制成的板以形成多級消聲器。研究表明，級數越多，降噪程度越大，同時，可以改善非常高的壓力效果，但級數大于5時，增益會增加階段數少2～5。

7 ?結語

從增加消音器的設計和靈活性的效果來看，設計優化方式工作的發動機系統似乎更有意義。

①疲勞分析涉及許多因素：材料質量，焊接質量，機械技術，機械質量和部分操作條件都將對疲勞壽命產生重大影響。因此，人們普遍認為疲勞質量分析是可靠的，換句話說，在分析中發現的薄弱環節是準確的。②根據消音器的原始設計添加加強板是解決故障問題的絕佳方法。同時，將識別出的連接板放置在消聲器重量的中央可以顯著降低故障系數值的可能性。③考慮到疲勞壽命最小值的轉移的問題，內部消音管延伸到連接管的下端以加強排氣面積并防止疲勞失效。獲得這些結論可以有助于優化消音器的設計，解決排氣消音器斷裂問題，增加公司產品的預期壽命并提高公司產品的競爭力。

參考文獻：

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