汽车排气消声器性能研究--标准科技论文格式

基于台架试验的汽车排气消声器性能研究摘要基于现有发动机台架，按照某汽车排气消声器的实际装车状态搭建了性能测试系统，测得发动机各转速下的排气背压、排气及壳体噪声。依据试验结果和开发要求对消声器结构进行了优化设计并试验验证，结果表明优化后的消声器各转速下的排气背压都有降低，在高转速（4800RPM以上）时排气背压降低了45KPA,基本满足要求；低转速时（10003200RPM）插入损失均在27DB（A）以上，在高转速（4800RPM以上）时，排气噪声下降了约3DB（A）。瞬态试验表明急减速时发动机的排气和壳体噪声要比急加速时高。关键词消声器；压力损失；插入损失；气动噪声；台架试验中图分类号TK4134DOI103969/JISSN1000565X消声器是降低汽车排气噪声而被广泛采用的装置。消声器理论设计复杂1，消声器的试验研究越来越受到重视。国外，DESANTES等建立了常温下消声器噪声研究的试验装置2；CHUMACHER等搭建了汽车用内燃机排气消声器试验台，研究了多种消声器的消声性能3；JEBASINSKI等分别建立了气流条件下消声器气流再生噪声的测量装置和无气流条件下消声器传声损失的测量装置4；TAKASHIYASUDA等通过台架试验在消声室测量了排气瞬态噪声5。在国内，阮登芳等采用电热丝加热，设计了排气消声器热态试验台6；邹雄辉等搭建了对气体流速能进行自动控制的消声器压力损失试验台7；王雪仁等设计了船用柴油机排气消声器性能试验台8；刘晨等研究了高温气流对穿孔管消声器声学性能的影响9；刘勇强等设计隔声罩来隔离背景噪声进行排气噪声测量，并通过台架实验验证此种测量方法10；李沛然等采用试验方法研究隔板缝隙对消声器声学性能的影响11；余飞进行了汽车排气消声系统稳态及急加速过程的台架试验，并把排气管引到半消声室内进行噪声测量12。上述研究表明对消声器的性能测试逐步从冷态到热态，从稳态到瞬态，并不断探索排气系统的流速、流量，温度等参数的控制方法。为考虑发动机实际工况对消声器消声特性的影响，本文基于现有发动机试验台架，选用装载消声器的车辆发动机及排气系统，搭建满足测试要求的性能测试系统测试消声器的性能。1消声器性能测试系统基于现有发动机台架，按照GB/T47592009内燃机排气消声器测量方法和QC/T6312009汽车排气消声器总成技术条件和试验方法，建立排气消声器性能测试系统，如图1所示。图1排气消声器性能测试系统图各设备和仪器安装的相对位置如图2所示。图2排气消声器性能测试系统示意图发动机测控系统；CAN总线；数据采集仪；燃油箱；手动阀；油耗仪；三元催化转换器；副消声器；主消声器；发动机；弹性联轴器；测功机；出水管；进水管；油门执行器；油门踏板；安装支架；电缆线如图12所示的排气消声器性能测试系统是在湘仪发动机试验台架（主要包括GW160型电涡流测功机，湘仪FC3000发动机自动测控系统，FC2022多通道数据采集仪）的基础上，采用与消声器实际装车所用的发动机（带ECU）、排气系统（主要包括前、后三元催化转化器，主、副消声器和排气管道）及与消声器等长的圆柱形空管，按实际装车状态相连，并带有AVANTMI7008动态信号分析仪、油耗分析仪、多通道安捷伦采集系统。2消声器性能试验消声器性能评价指标主要为压力损失和插入损失。其中压力损失表征消声器对尾气阻力的大小，主要反映消声器对发动机功耗的影响；插入损失反映消声器的消声性能，还与噪声辐射声源的特性和待测消声器出口阻抗有关。21试验方法温度测量方法在发动机排气总管出口下游75MM处及三元催化器和消声器前后约50MM处钻孔并焊接螺纹孔，安装高温PT100型热电偶，并经多通道安捷伦数据采集系统测出温度。压力测量方法在与消声器等长的圆柱形空管及消声器前后20MM左右处钻孔并焊接螺纹孔，通过螺纹连接将高温尾气经铜管引出，冷却后尾气通过和铜管相连的PVC管（可耐200）引入到数据采集仪的压力变送器，然后经数据采集系统测得各测点的压力。压力损失的计算公式为（1）12EXEXP式中装消声器时测点的压力只装圆形空管时测点的压力2EX压力损失。单位均为。KPA噪声测量方法用排气管将发动机排气引到台架实验室外，实验室墙壁内附有约10CM厚吸声材料，可消除发动机噪声对墙外排气噪声测量的影响，噪声测量地点位于空旷的户外，微风（一般风速小于2M/S），附近背景噪声一般低于50DBA。根据GB/T47592009选择45测量法13，即排气噪声传声器布置在与排气气流轴向成45方向上05M处，传声器指向排气口，测点距离地面高度大于1M，排气噪声的测量如图3所示。为防止高温高速尾气对测点的冲击和对传声05M4发动机排气管消音墙消声器传声器图3排气噪声测量示意图器的腐蚀，传声器在测量排气噪声时戴有防风球。尾管壳体辐射噪声的测量将传声器置于距离壳体表面01001米，传声器指向排气系统壳体。排气噪声及尾管壳体辐射噪声经传声器后通过米勒贝姆A计权声级计进行测量，并经AVANTMI7008动态信号分析仪对数据进行处理，测得各发动机转速下的噪声A、C计权或频带声压级，基准值为20，再计算出消声器的插入KPA损失，其计算公式为14221LD式中只装空管的排气噪声P装消声器的排气噪声；2插入损失，单位均为分贝（DB）22试验注意事项（1）内燃机在确定工况下运行，油温、水温达到稳定时才能测量；（2）风速超过1M/S时，应使用防风罩，超过5M/S时，应停止测量；（3）在试验前测量环境背景噪声，当背景噪声与各测点噪声差值在10DBA以下需要减去背景噪声修正值，其计算公式为153011LGPLK式中测量噪声声压级PL背景噪声声压级背景噪声修正值，单位均为分贝（DB）。123试验过程按排气系统实际装车状态连接后调试发动机，确保各测试传感器和仪器正常工作、发动机运行参数稳定后才开始试验。分别进行装消声器和不装消声器只装等效空管的试验，试验前要确保试验台架及噪声测量设备符合试验条件，才开始采集数据。231稳态试验先测背景噪声和发动机稳定怠速下的噪声，然后在发动机节气门全开状态下，使发动机转速稳定在1000R/MIN，再从1200R/MIN开始，每隔400R/MIN稳定一次，直到5600R/MIN，共计14个工况点，依次测得发动机的功率、转速、油耗、进气压力、冷却水和机油温度，排气系统各测点压力、温度及排气噪声，在每个测试工况点控制发动机转速误差不大于5R/MIN，每个工况点的测量时间为30S50S。232瞬态试验先启动发动机，让发动机在怠速下稳定运行一段时间，然后在发动机节气门全开状态下，在4分钟内将发动机转速从怠速均匀地增加到5600RPM,然后再在4分钟内将发动机转速从5600RPM均匀地降到稳定怠速状态，采集发动机瞬态工况下的温度、压力及噪声数据，信号采集频率范围覆盖发动机排气噪声的所有频带。3试验结果及分析31排气温度通过试验测得发动机排气温度如表1所示，其中T1，T2分别为不装消声器只装空管和安装消声器时排气总管处尾气的温度。表1某发动机各工况下的排气温度转速R/MIN转矩NM功率KW只装空管T1装消声器T210008949333751620119810361304175280016001129190495542402004108722752655010240012583166005533028031234362637063703202124641866106650360013114946900689040051364571699571204400129159573007410480012516297530753052011242676761077205600113466576307820由表1可知，随着发动机转速的增加，排气温度逐渐升高，增加到一定温度时增加的幅度变小，并趋于稳定，基本符合发动机排气温度增长的规律16。装消声器与只装空管时相比较，排气温度在低转速时温度上升的速度要慢，但在2800RPM待消声器预热后温度上升的速度要快，在5600RPM时排气温度比只装空管时高了近20，达到782。32排气背压通过试验测得发动机排气系统各测量点的压力情况如表2所示。，分别为装消声器1EXP2时和只装空管时排气总管的压力。表2某发动机各工况下的排气背压转速R/MIN转矩NM功率KW装消声器（KPA）1EX只装空管（KPA）2EX压差损失P（KPA）10008949320150512001036130302010160011291906040202000108722780651524001258316120952528001234362130105253200124641817013535360013114942301854540001364571320250704400129159537031060480012516294303805052001242676500415855600113466553044090由表2可看出消声器的排气背压也是随转速的提高而增加，在低转速时（10003200RPM）消声器和等效管的排气背压相差不大，差值小于5KPA；而高转速时，排气背压增大很快，在5200RPM以上时超过要求值（该发动机要求排气背压值45KPA），到5600RPM时排气背压值达53KPA。较大的排气背压加大了发动机的功率损失，使发动机的输出功率降低，因此从动力性角度有必要对原消声器加以改进以降低高转速下的排气背压。改进前后的排气背压如图4所示。图4各发动机转速下排气背压比较从图4可看出在整个转速范围内优化后的消声器排气背压比原消声器都有降低，在高转速时（4800RPM以上），排气背压降低更明显，降低了约45KPA，与空管等效管的排气背压差值最大值为9KPA（出现在5600RPM处），与原排气消声系统相比，降低了发动机的功率损失，提高了输出功率。33排气噪声整个测试过程中（除急减速过程外）没有啸叫等异响情况出现。每次试验前后测试的背景噪声均在46DB（A）左右，而各测点（除怠速工况外）总噪声级比背景噪声级最少高15DB（A），因此，未对测量结果进行修正而直接对数据进行处理分析。331稳态噪声空管及安装消声器后各转速下排气口的稳态噪声总值如图5所示。图5发动机各转速下排气噪声比较优化前后消声器的插入损失如图6所示。图6发动机各转速下消声器插入损失比较由图5，6可看出消声器排气噪声声压级随转速的提高而增加，如果不安装消声器，在1000RPM时排气噪声将达到90DB（A）以上，高转速时更是接近120DB（A）；安装消声器后，在不同转速下噪声都有不同程度的降低，插入损失范围为7322DB（A），在1600RPM插入损失最大，在5600RPM插入损失最小。低转速时（10003200RPM），插入损失均在20DB（A）以上，在该范围内优化后的消声器排气噪声比原消声器也有明显降低，插入损失均在27DB（A）以上，消声效果较好；但在3200RPM以上转速，消声器的插入损失迅速降低，消声效果变差，高转速时（4800RPM以上），原方案插入损失不足10DB（A）。但与要求相比，3200RPM以上优化前后的消声器的插入损失不满足行业标准汽车排气消声器总成技术条件和试验方法（QC/T6312009），但比原方案相比（除怠速工况外）插入损失都有提高，消声效果得到改善。各转速下壳体辐射噪声如图7所示。图7发动机各转速下尾管壳体噪声与限值比较由图7可知，发动机各转速下壳体的辐射噪声均在限定值以内。稳态噪声测试还给出了各转速下排气及壳体噪声，这里仅以5600RPM时的噪声为例来分析，5600RPM时的排气及壳体噪声如图8所示。图85600RPM时的排气及壳体噪声由图8可知，在5600RPM时排气及壳体噪声随频率的变化规律基本一致，且峰值都出现在1000HZ左右，消声器对低频段（5000HZ以下）噪声起到了一定的降噪作用，平均降低了34DB（A），但对高频段噪声基本没有作用。332瞬态噪声升降速过程中排气及壳体噪声如图9所示。图9升降速过程中排气及壳体噪声对比由图9可知，发动机节气门全开状态下，发动机转速在4分钟内从怠速均匀地增加到5600RPM，再经过4分钟内从5600RPM均匀地降到稳定怠速状态过程中，发动机排气和壳体噪声分别随转速的升高而升高，随转速的降低而降低；发动机排气和壳体的二次噪声也随转速变化的规律基本一致；排气噪声比壳体噪声要大，与稳态结果一致；但降速过程中的发动机排气和壳体噪声要比升速过程中高，表明该发动机急减速比急加速状态下排气噪声更大。减速过程中发动机排气及壳体噪声如图10所示。由图10可知，在节气门全开的急减速过程中，发动机排气壳体辐射噪声在高转速（4000RPM以上）图10减速时排气及壳体噪声时，在频率1000HZ左右会出现高于60DB（A）的噪声，而排气噪声在高转速（3600RPM以上）时，几乎所有频段都会出现较大的噪声，在10002800HZ之间排气会出现啸叫声。4结论（1）基于现有发动机台架，依据GB/T47592009内燃机排气消声器测量方法和QC/T6312009汽车排气消声器总成技术条件和试验方法，确保发动机和排气系统严格按照实际装车状态相连，搭建了某汽车排气消声器的性能测试系统，能满足消声器性能测试要求。（2）利用搭建的消声器性能测试系统测得各转速下的发动机排气背压、排气及壳体噪声，并计算出消声器的压力损失和插入损失，对照开发要求得知该发动机在5200RPM以上排气背压超出标准（45KPA），3200RPM以上排气噪声便超出了限值要求。根据实验结果分析提出了优化措施，并进一步制作消声器样件进行试验验证。（3）优化后的消声器各转速下的排气背压都有降低，在高转速时（4800RPM以上），排气背压降低更明显，降低了约45KPA，基本满足排气背压要求；低转速时（10003200RPM）优化后的消声器排气噪声比原消声器有明显降低，插入损失均在27DB（A）以上，消声效果较好；在3200RPM以上，与原方案相比插入损失都有提高，在高转速（4800RPM以上）时，排气噪声下降了约3DB（A）。（4）瞬态试验表明急减速时发动机排气和壳体噪声要比急加速高，排气甚至会出现啸叫声。高转速与急减速时排气噪声仍然超出限值，需要对该消声器进一步优化设计。参考文献1张德满,李舜酩,门秀花单缸发动机消声器压力损失的CFD研究，华南理工大学学报自然科学版，2010,38（3）1291322JMDESANTES，AJTORREGROSA,ABROATCH，EXPERIMENTSONFLOWNOISEGENERATIONINSIMPLEEXHAUSTGEOMETRIESCACUSTICAUNITEDWITHACTAACOUSTICA,2001，87146553SCHUMACHER,SPARKSABENCHTESTFACILITYFORENGINEMUFFLEREVALUATIONCSAEPAPER，20030116484ROLFJEBASINS，SASCHALENG，MARCOJESSETA1INVESTIGATIONONWHISTLENOISEINAUTOMOTIVEEXHAUSTSYSTEMMUFFLERSCSAEPAPER，20050123615TAKASHIYASUDA，WUCHAOQUN，NORITOSHINAKAGAWA，ETALPREDICTIONSANDEXPERIMENTALSTUDIESOFTHETAILPIPENOISEOFANAUTOMOTIVEMUFFLERUSINGAONEDIMENSIONALCFDMODELAPPLIEDACOUSTICS,2010,7187017076阮登芳，邓兆祥等内燃机消声器特性试验装置的研究及应用内燃机工程，2004，25439417邹雄辉车用消声器CFD模拟及压力损失试验台的研制D武汉理工大学20078王雪仁，张天元等管道和消声器声学性能的试验测量技术研究J内燃机工程，2006,439449刘晨，季振林，胡志龙高温气流对穿孔管消声器声学性能的影响J汽车工程，2008，30433033410刘勇强,左承基,黎幸荣发动机排气噪声测量方法的实验研究噪声与振动控制,2011,31117918311李沛然，邓兆祥，