汽油机排气系统消声器设计研究

SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEVol.38No.5

Oct.2009

汽油机排气系统消声器设计研究

杨黔清

1,2

3

　鄂加强　陈尹梅

11,2

　蒋玉秀

1,2

(1-湖南大学机械与汽车工程学院　湖南长沙　410082　2-柳州职业技术学院汽车与环境工程系)

摘　要:传统的设计中消声器设计为抗式消声器,但排气噪声的频带较宽,抗性消声器只能对中、低频率的

噪声有很好的吸收作用,对高频噪声不能吸收。为了扩大吸收频率,本设计针对某国产轿车排气系统消声器的实际情况,进行了以下工作:1)基于排气噪声频带较宽,后消声器设计为阻抗复合式,前消声器设计为直通的消声效果显著的阻式消声器;2)通过经验公式对消声器具体结构参数进行计算和设计,并对其进行定性分析。此外,还对某国产轿车排气系统进行了包括排气歧管、催化转化器、尾管在内的设计。关键词:排气系统　噪声　消声器　阻抗式消声器　抗式消声器中图分类号:TK421　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-0630(2009)05-0020-05

DesigningandStudyontheMufflerofExhaustSystemforGasolineEngine

YangQianqing,EJiaqiang,ChenYinmei,JiangYuxiu

1,2

1

1,2

1,2

1-CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,HunanUniversity(Changsha,Hunan,410082,China)

2-DepartmentofAutomotiveandEnvironmentEngineering,LiuzhouVocational&TechnicalCollegeAbstract:Intraditionaldesign,mufflerwasdesignedasreactivemuffler.Butthefrequencyoftheemissionnoiseisverywide.Reactivemufflerjusthasgoodabsorptiononmiddle2frequencyandlow2frequencynoiseandhasnoeffectonhigh2frequencynoise.Towidentherangeoftheabsorptionfrequencyandtodeadenthenoise,thefollowingdesignwascarriedoutforadomesticsedansconsideringitspracticalconditions:1,Basedonthewiderangeofnoisefrequency,thepre2mufflerwasdesignedasimpedancecompoundmufflerandthelattermufflerwasdesignedasreactivemuffler;2,Usingempiricalformula,mufflers’parameterswerecalculat2edanddesigned,andqualitativelyanalyzed.Inaddition,theexhaustmanifold,catalyticconvertersystemandtailtubewerealsodesignforthissedans.

Keywords:Exhaustsystem,Noise,Muffler,Impedancecompoundmuffler,Reactivemuffler

引言

国内目前对排气消声器的研究设计仍停留在经验

设计或借鉴成熟设计的水平上,一般仅凭经验加少量的试验或借鉴设计成熟的消声器来试凑设计汽车排气

[1]

消声器。

在当今的消声器设计中,阻力计算已有较成熟的方法,但是由于影响消声量的因素复杂,声学理论计算与实际测得的消声量有较大差别,对于消声器的消声性能仅采用理论计算往往不够,而现今还没有合适的

途径测得消声量,本设计首先对某汽油机的排气系统进行方案设计,重点是找出影响消声器性能的因素,并对其消声性能进行理论分析,优化结构参数使消声器性能得到改善,最终确定方案。最后用UnigraphicsNX对排气系统进行三维结构建模。

1　消声器的结构设计

1.1　消声器设计要求

1)具有良好的消声性能,即要求消声器具有较好

的消声频率特性,在所需要的消声频率范围内有足够

3基金项目:国家“985”工程———汽车先进设计制造技术创新平台资助;广西教育厅科研项目[200708LX262]。　作者简介:杨黔清(1970-),男,硕士研究生,讲师,主要从事车辆检测、控制与智能故障诊断研究。

第5期杨黔清等:汽油机排气系统消声器设计研究　　　

车排气系统中吸声结构与气流方向平行,根据估算消声器内的气流速度在23～45m・s,故选择穿孔板和玻璃布

[4]

-1

大的消声量。

2)具有良好的空气动力性能,要求消声器对气流损失要小,做到装上消声器后,所增加的阻力损失不影响设备的工作效率,保证进排气通畅。

3)在结构性能上,要求消声器体积小,结构简单,

[2]

便于加工,经济实用,无再生噪声等。

汽车消声器按消声原理与结构可分为抗式消声器、阻式消声器和阻抗复合型消声器三类。为提高降噪效果,本次设计用前后两个消声器。消声器的主要结构参数包括:有效容积、外形尺寸及腔数。消声器是内燃机的一个总成,因此其结构参数的选择必须以内燃机的参数为依据。1.2　前消声器的结构设计1.2.1　前消声器有效容积的计算

前消声器设计为阻式消声器,主要吸收高频噪声,结构如图1所示:

。

护面穿孔板,一般孔径取5～8mm。气流速度越大,孔径应越小。穿孔率(即穿孔面积与整个面积之比)要大于20%,本次设计中穿孔率取30%,孔径取8mm。

护面穿孔板的计算:护面穿孔管的表面积:S=(π×50+2×67)×360=104760

孔的面积:S圆πr×r=π×3×3=28.26孔的个数:

N孔=

S×30%=1110

28.26

实际生产中为了加工方便,孔的个数取1100。1.2.4　吸声材料的选取可以作消声器的吸声材料有很多,如:玻璃棉、矿渣棉、防水玻璃棉、石棉、工业毛毡等。考虑到排气管的温度及吸声效果,我们选用耐高温的超细玻璃棉作为吸声材料。此超细玻璃棉可在1000℃的高温下正常工作,且消声效果好。它具有直径细、纤维长、重量轻、不易燃、防蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软不刺手等特点。吸声性能除了与吸声材料有关外,还与吸声材料的厚度及密度有关,增加吸声材料的厚度和密度,可以提高中、低频的消声效果

[4]

图1　前消声器结构图

消声器容积与消声量有关,美国Nelson消声器公

[3]

司Dean.Thomas推荐消声器容量估算式:

V=QVhn

。为本课题所设计的消声

-3

1000TN

-1

(1)

器选用厚度为20mm,密度为30kg・m的超细玻璃棉作为吸声材料。这样既可以使整个消声器的结构紧凑、重量轻,又可以取得很好的消声效果。1.2.5　消声器外形尺寸确定及容积验算

式中,Vh-发动机的排量,L;n-发动机额定功率下的转速,r・min;T-发动机的冲程数;N-发动机

的气缸数;Q-常数,按不同的消声要求,可取值为2～6;

将某国产轿车的各参数代入式(1),估算得出消声器的有效容积如式(2)

1.6×2×6000(2)V前==4.8L

10004×41.2.2　消声器的外形选择

综上所述,结合厂家给出的数值,消声器的尺寸如下:

椭圆截面:长轴:157mm;短轴:90mm;

长:360mm验算:

由消声器的上述尺寸计算得出容积如下所示:V前=π×45×45×360+67×90×360×=4.45L

(3)

消声器的截面以圆形为宜,但在本次设计中,考虑

到汽车排气系统总布置,选择类跑道式。1.2.3　护面穿孔板的选择与计算

阻式消声器是在气流之中工作的,吸声材料容易被气流带走,因此设计时吸声材料必须用牢固的护面(如用玻璃布、穿孔板或钢丝网)固定起来。如果护面的形式不合理,吸声材料会被气流吹跑或者护面装置激起振动等都将导致消声器的性能下降,本设计中,汽

考虑到消声器的内部管腔的影响,使其有效容积小于上述计算所得的容积,所以,可满足式(2)算得的数值。故假定的消声器尺寸可以采用。1.2.6　前消声器的建模

建模时首先建立两个同心的矩形,分别以矩形的一边为直径做圆,做出的图形为类跑道式,然后拉伸,得到前消声器的外壳;再在类跑道平面上画一矩形,以

21

　　小　型　内　燃　机　与　摩　托　车　　　　　　　　　　　　第38卷

矩形一边为直径做圆,再拉伸360mm的厚度,得到吸

收层。再以同样方法得到护面穿孔板。在护面穿孔板上打孔,可通过圆柱体进行布尔减运算,得到圆孔;然后[引用]→[圆周阵列]进行通孔板的建模。最后得到消声器的三维模型。如图2所示。

消声器总长:L=L1+L2+L3+L4=0.503m,符合消声器要求的长度。1.3.4　隔板、穿孔管、护面穿孔板的穿孔率及孔径的

确定

　　在消声器中增加了穿孔管及穿孔板声学元件。穿孔声学元件主要利用小孔对气流的阻滞作用达到消声的目的。穿孔声学元件的降噪量主要与穿孔率、小孔孔径有关。穿孔率越小、小孔孔径越小,消声量越大。但穿孔率过小、小孔孔径过小,气流的流动阻力损失则越大,造成发动机功率损失亦大,经济性能变差。一般穿孔声学元件小孔孔径取为<3mm～<8mm,穿孔率可

[6]

取为7%～15%。

为了减少阻力,在扩张室中可将内接管插入管用穿孔管(穿孔率P高于30%)连接起来,实际做成通管,在固定的地方穿孔。这样可以大大改善空气动力[6]

性能而对消声器的频率消声性能影响不大。

对于消声器中间的两块挡板,初取其穿孔率为30%,B/D=1.6,取孔径为8mm,则孔的中心距为1.6×8=12.8mm。

1)隔板孔数的计算:S椭圆=π×73×73+146×46=π×100×75=23450

S圆=π×R×R=π×24×24=1809S=S椭圆-S圆=23450-1809=21641S孔=π×r×r=π×4×4=50.24

S×30%N孔==129

50.24

经计算得穿孔板孔数为129个,实际生产为了加工的方便取88个。

2)穿孔管孔数计算:第一段穿孔管:

πRL=2×π×S圆柱面=224×170÷4=6405

S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625

S×9.5%N孔==96

19.625

经计算得穿孔管孔数为96个,实际取90个第二段穿孔管:

πRL=2×π×S圆柱面=224×142÷4=5351

S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625

S×30%N孔==80

19.625

经计算得穿孔管孔数为80个。实际取75个第三段穿孔管:

πRL=2×π×S圆柱面=224×106÷4=3994

S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625

图2　前消声器三维建模图

1.3　后消声器的设计

1.3.1　后消声器有效容积的计算

后消声器结构如图3所示。

图3　后消声器结构示意图将某国产轿车的各参数代入式(1),估算得出消

声器的有效容积如式(4)

V后=1.6×5×60001000

4×4

=12L(4)

1.3.2　消声器的外形选择

消声器的截面以圆形为宜,但在本次设计中,考虑

到汽车排气系统总布置,选择类跑道式消声器。1.3.3　后消声器长度的确定

根据要求进气口的直径为48mm,消声量在15dB左右,设第1节扩张室的峰值频率为500Hz;第2节扩张室的峰值频率为600Hz;设第3节扩张室的峰值频率为

[5]

800Hz;设第4节扩张室的峰值频率为1000Hz;根据消声量的大小可以初取扩张比m=10。

进排气口截面积:S1=π×d×d/4=π×48×48/4=1018

第1扩张室长度:L1=c/(4×f)=340/(4×500)=0.170m

第2扩张室长度:L2=c/(4×f)=340/(4×600)=0.142m

第3扩张室长度:L3=c/(4×f)=340/(4×800)=0.106m

第4扩张室长度:L4=c/(4×f)=340/(4×1000)=0.085m

22

第5期

S×30%杨黔清等:汽油机排气系统消声器设计研究　　　

1.3.7　后消声器的三维建模

N孔=

19.625

=61

经计算得穿孔管孔数为61个。实际取60个第四段穿孔管:

πRL=2×π×S圆柱面=224×85÷4=3201

S圆=πr×r=π×2.5×2.5=19.625

S×30%N孔==48

19.625

经计算得穿孔管孔数为48实际取45个3)前护面穿孔板:S=(π×53+2×46)×170=43931.4S圆=πr×r=π×4×4=50.24

S×30%N孔==262

50.24

4)后护面穿孔板:S=(π×53+2×46)×85=21965.7S圆=πr×r=π×4×4=50.24

S×30%N孔==131

50.24

1.3.5　吸声材料的选取

可以作消声器的吸声材料有很多,如:玻璃棉、矿渣棉、防水玻璃棉、石棉、工业毛毡等。考虑到排气管的温度及吸声效果,我们选用耐高温的超细玻璃棉作为吸声材料。此超细玻璃棉可在1000oC的高温下正常工作,且消声效果好。它具有直径细、纤维长、重量轻、不易燃、防蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软不刺手等特[7]

点。吸声性能除了与吸声材料有关外,还与吸声材料的厚度及密度有关,增加吸声材料的厚度和密度,可以提高中、低频的消声效果。为本课题所设计的消声

-3

器选用厚度为20mm,密度为30kg・m的超细玻璃棉作为吸声材料。这样既可以使整个消声器的结构紧凑、重量轻,又可以取得很好的消声效果。1.3.6　消声器外形尺寸确定及容积验算

综上所述,结合厂家的给出的数值,消声器的尺寸如下:

后消声器:椭圆截面:长轴:192mm;短轴:146mm;长:523mm。验算:

由消声器的上述尺寸计算得出容积如下所示:V后=π×51.5×51.5×85+46×103×85+π×73×73×106+46×146×106+π×73×73×142+146×46×142+π×51.5×51.5×170+46×103×170=9.5L

考虑到消声器的内部管腔的影响,使其有效容积小于上述计算所得的容积,所以,可满足式(2)算得的数值。故假定的消声器尺寸可以采用。

建模时首先建立两个同心的矩形,分别以矩形的一边为直径做圆,做出的图形为类跑道式,然后拉伸503mm,得到前消声器的外壳;再在类跑道平面上画一矩形,以矩形一边为直径做圆,再拉伸170mm的厚度,得到吸收层。再以同样方法得到护面穿孔板。在护面穿孔板上打孔,可通过圆柱体进行布尔减运算,得到圆孔;然后[引用]→[圆周阵列]进行通孔板的建模。将坐标系移至吸收层末段建立两个同心的矩形,分别以矩形的一边为直径做圆,得到类跑道式,拉伸2mm得到第一块隔板,在上面打孔,做布尔运算,然后做矩形阵列,最后得到消声器的三维模型。如图4所示。

图4　后消声三维模型图

在进行扩张式消声器设计时,可以初步确定消声

器的结构参数,当使用条件确定,则可以进一步计算或实测插入损失。若实测结果表明在所有感兴趣频率上的插入损失量不足,通常情况下通过增大容积以增大扩张比来增加扩张式消声器的插入损失,如不增加容积,通过缩小扩张室长度以增大扩张比,则可能在低频段上无法满足要求。若实测结果表明仅在某些频率上插入损失量不足,则可以在不增加消声器容积的条件下,通过调整其它结构参数。消声系统管道参数对排气噪声的消减有着显著的作用,要想达到理想的消声性能,不仅要正确选择其结构组成,还要重视尺寸、参

[8]

数的变化对其影响。

2　排气系统的设计

2.1　歧管的设计要求及方案

排气歧管是靠近发动机的部分,由于排出气体的温度高达900℃,因此要求材料具有良好的抗氧化性、高温强度和热疲劳特性。而且,为能进行复杂的形状加工,还要求材料应具有良好的成形性。采用不锈钢制作的排气歧管根据其构造的不同,可以分为两类。一类是将钢板冲压后焊接而成,另一类是将钢管弯曲后焊接而成,对于后者,还有的使用双重管构造的钢管。

排气歧管的结构设计主要目的是减小各缸间的排气干涉,减小排气的压力,提高充气效率。设计中假定发动机发火次序为1-2-4-3。由于进气门的提前开启和滞后关闭,使得相邻工作缸之间易产生气流干涉。所以,为了排除各缸的排气干扰现象,设计时,各

23

　　小　型　内　燃　机　与　摩　托　车　　　　　　　　　　　　第38卷

缸单独使用一个歧管,各歧管直径相同,且将排气重叠

的1缸和4缸放在一个排气总管,各自的歧管对称。缸2和缸3放在一个排气总管,两总管再通过一Y型管汇合。

这样,1缸排出的废气要经过1缸排气歧管和一汇总管和Y型管才到达相邻工作缸2缸,所以,减小了排气干扰。1缸4缸距离最近,1缸的废气最先到4缸,但1缸与4缸的工作间隔较大,干扰也小,所以,各缸间的干扰均较小。另外,1缸排气接近结束时,排气压力已经很低,这时第2缸已经开始排气,排气压力较高,2缸的排气流经两总管接合处时,流速很高,使接合处压力降低,这个低压对第1缸会产生引射作用,因而减小气缸内的残余废气量。2.2　催化转化器的方案设计

本设计采用快速起燃λ传感器FLS(fastlight-offlambdasensor),如图5所示。

表明,排气管的直径和长度对消声器的消声量及排气阻力影响极为显著。排气尾管直径大,通过性好,则气流阻力小,但消声量亦小。反之,排气尾管直径小,气流阻力大,消声量亦相应增大。很显然,排气尾管直径的大小,还决定着扩张室扩张比的大小。当消声器扩张室的容积较大时,尾管长度可取小些,反之可取

[8]

大些。

图6　尾管的形状图3　结论本设计是对某国产轿车的排气系统消声器进行设计和分析。本文设计的消声器为两级式消声系统,包括前消声器和后消声器,前消声器设计为阻式消声器,主要吸收高频噪声;后消声器设计为阻抗复合式,主要吸收中、低频率的噪声,将多节扩张室和内插管结合起来,扩大了消声频带和消声量。并且利用吸声效果较好的超细玻璃纤维作为吸声材料,加上穿孔板和穿孔管的运用,使之达到良好的降低噪声的效果。尾管设计为直管,减少了排气阻力。催化转化器采用快速起燃λ传感器FLS,能有效地降低污染物排放。

最后在考虑了排气系统各部分的布置后,得到最终的装配图,达到了本次设计的要求。

参考文献

　1　刘东,于长江,徐展.汽车排气消声器的优化设计[J].东

北汽车运输,2003,2(14):23～28　2　马菊元.噪声控制工程[M].中南工业大学出版社,1993　3　郑忠才,马洪芳.发动机新型阻抗复合式排气消声器的设

计与实验研究[J].山东内燃机,2003,20(2):6～10　4　吴炎庭,袁卫平.内燃机噪声振动与控制[M].机械工业

出版社,1999

　5　钟绍华,金国栋,张选国,章鸿.消声器优化设计及其性能

分析方法的研究[J].内燃机工程,2005,1(26):55～59　6　曹让明.内插管式消声器结构优化与试验研究农业机械

学报[J].2003,6(34):22～24　7　陈秀娟,实用噪声控制与振动控制[M].化学工业出版

社,1995

　8　王中琪,高理福.结构因素对消声器性能的影响[J].西南

工学院学报,2000,1(15):67～70

(收稿日期:2008-11-03)

图5　快速起燃λ传感器FLS图

由于常规λ传感器需要达到某一温度才能开始工作,冷启动条件下λ传感器处在工作温度限值之下,大多数发动机管理系统缺省少过浓操作。传感器更快地起燃可以使发动机管理系统更早地控制其混合气浓度,达到其化学计量比,这样就可以降低排放。FLS可以降低33%HC、66%CO和46%NOx;同时,由

于过浓运行的时间减少,可以节约近5%的燃油消耗。这种方法无需额外费用,只需将λ传感器安置在离排气歧气管近一些,对该类传感器热负荷要求较高。2.3　尾管的设计

消声器后的排气尾管有两个作用:一是可进一步降低噪声;二是将含有有害成分的废气引导到整车合适的位置排入大气。排气尾管位置的设计必须合理,它应使发动机排出的废气不致吹到车身上和进入进气滤清器。排气尾管也对整车的美观性有一定的影响。设计得合理,将对整车的外形起到画龙点睛的作用。尾管末端的出口形设计时,首先应考虑采用正切口形式;斜切口形式的声场有方向性,在车上布置时应予以重视,从一般音质来说,尾管形状如图6a所示,在尾管上打有许多小孔的消声效果最好,其次是6b前端切成斜面的直管,然后是6c前端切成直角的直管,6d所示的弯管噪声最大。考虑到加工经济性,选择6c消声器的排气尾管结构有两个参数,即尾管直径和长度。尾管直径通常等于或小于进气管的直径。试验和实践都

24