汽车排气噪声控制技术.doc

汽车排气噪声控制技术一、前言 随着我国经济的飞速发展，汽车保有量在迅猛增加，在一些大城市汽车数量更是急剧增加，汽车噪声已经成为危害城市环境的重要因素，为了限制汽车的噪声，国家已经制定了越来越严格的强制性噪声标准，汽车产业政策也规定未经认证合格的产品不得销售、进口和使用，因此降低汽车噪声已经成为各汽车生产厂家面临的一项重要课题。大量试验表明汽车排气噪声是汽车主要噪声源之一，降低排气噪声是降低汽车噪声的主要途径。二、排气噪声产生的原因和消声机理内燃机排气消声器主要由声学滤波或消耗声能的装置组合而成,它对不同频率的噪声有不同的消声性能.因此在设计消声器时,必须知道在各个频率成分上所必须的消声量,即所谓必须的消声量频率特性.在设计消声器时应当考虑噪声的强度及相应的频率特性.一般汽车噪声控制标准中多规定A声级,但仅给出A声级,而不对排气噪声进行频谱分析并不能找出在哪个成分上必须消减的噪声峰值,也就不能获得在各个频率成分上必须的消声量.发动机工作时，可燃混和气在极短时间内发生高温高压燃烧，排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管仲急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流呈脉动形式在排气管中流动。由于气流的急剧流动，就产生了强烈的排气噪声，根据排气过程产生噪声的机理，排气噪声中一般含有以下成份：1)、排气压力脉动声；2)、气流流过气门、气门座等处产生的涡流声；3)、由于边界气流扰动产生的噪声；4)、排气出口喷流噪声；消除排气噪声的原则是消除废气气流的能量，平衡气流的压力波动。发动机的排气能量主要集中在低、中频段,而高频段也有较高的能量。本着这个原则消除排气噪声可采取下列方法：1)、对次变动气流方向；2)、让气流通过收缩而又扩大的断面；3)、将气流分割为很多小的支流，并眼不平滑表面流动；4)、冷却气流；三、排气系统的构成1、排气系统的特性1)、净化排出气体的作用，使之达到排放标准。2)、降噪的作用，达到排放标准。2、排气系统的组成：歧管，热端，冷端。1)、歧管的特性：歧管是连接热端与发动机之间的连接管，发动机出口温度在1000左右，歧管温度一般在800左右，所有要求的材料必须是耐高温、强度高、抗热疲劳.材料一般选择的SUS429，这种材料在900以上有很好的机械性能和抗热疲劳性能。2)、热端的特性位于歧管与冷端之间，温度一般在750-800之间，材料一般选择的SUS429或SUH409，大多数转化器一般都放在热端。3)、冷端的特性冷端是指消声部分，一般分前中后，前消温度在750左右，中消温度在500左右。温度低于800，选择材料是一般耐热钢。后消温度在200左右，尾管在100左右，选择材料是一般是抗腐蚀性的低耐热钢等，尾管一般选择装饰性不锈钢材料。四、转换器的组成和作用1、发展历史：人类在治理汽车排气污染的历程中，在70年代中期之前主要采取以改善燃烧过程为主的机内净化技术措施，这些措施尽管对降低排气污染起到了很大的作用，对汽车的动力性和经济性带来副面影响，这种技术难以满足日益严格的排放法规，人们开始研究机外净化技术-三元催化转化器，可以使COHCNOX降低90%以上。2、种类：半壳式、压入式、捆绑式1)、半壳式封装力不易控制，要求载体目数低，不能适合高标准的要求.2)、压入式封装力易控制，即适合载体目数低的，又适合载体目数高的，但投资高，占地面积大的特点。3)、捆绑式封装力可靠，适合各种转换器的直径及材料壁厚，但投资高3、组成：壳体、减振层、载体、催化剂涂层4部分组成1)、催化剂壳体由耐高温的不锈钢材料组成，以防止氧化皮脱落造成载体的堵塞。为了保证催化剂的反应温度，许多转换器的壳体具有双重结构，防止高温辐射，外面装有隔热罩.2)、减振层：膨胀垫，钢丝网垫两种.作用：密封保温和固定载体的作用，防止震动及壳体受热变形对载体造成的损害.现在减振层大多采用膨胀垫.3)、膨胀垫：由膨胀云母硅酸铝纤维粘结剂组成.膨胀垫第一次受热时体积明显膨胀，冷却时收缩很小，这样保证壳体与载体之间的完全密封.4)、载体：一般为蜂窝状陶瓷材料，也有金属载体的。截面分布正方形小孔.5)、涂层：在载体孔道的壁面涂有一层催化剂活性层，以AL2O3为主，其粗糙的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大到7000倍。在涂层表面分布活性材料的贵金属，铂（PT）铑（RH）钯（PD），铂（PT）主要催化CO和HC的氧化反应，铑（RH）用于催化NOX的还原反应.钯（PD）价格便宜，因此全钯催化剂也是研究方向.2CO+O22CO2;4HC+5O24CO2+2H2O2CO+2NO2CO2+N2;4HC+10NO4CO2+2H2O+5N2五、排气消声器的基本类型当前安装实用、高效、长寿的排气消声器是降低汽车噪声的最有效手段。排气消声器实质上是声滤波器，象电滤波器一样，其消声性能随声频率发生变化。按消声机理划分，消声器分由阻性、抗性、阻抗复合型三大类，基本消声单元如图1。图11、阻性消声器阻性消声器（图2）：是在消声器内壁上粘接一层吸声材料或在内腔填充吸声材料，当声波遇到吸声材料时，部分声能被吸收，同时由于吸声材料表面不平滑所产生的流阻降低的废气流动速度，从而使废气能量降低，达到降低噪声的目的，一般借助固定在气流流动的内壁或按一定方式排列在管道中的吸声材料的吸声作用，使沿管道传播的噪音随距离的增加而衰减.常用玻璃棉。阻性消声器的声学性能主要取决于声吸收结构和吸声材料的流阻，它通常具有宽频带降声的特性，一般应用于轿车。由于汽车废气具有高温、高速、带油污、有时还带有火的特点，因此阻性消声器所采用的吸声材料应耐高温、耐冲击、不怕油污和火。优点：中高频宽范围，特别是刺耳的高频；缺点：高温以及气体的吹出而丢失。图22、抗性消声器抗性消声器（图3）一般由一个或多个空腔和共鸣腔或有限管段组成，当废气通过抗性消声器时产生阻抗失配。阻抗失配使部分声能向声源反射或在空腔内来回，从而达到降低排气噪声的目的。抗性消声器一般是借助管道的突然扩张及收缩，或旁接共振腔，使沿管道传播的噪音在截面突变处一部分向声源反射，而不通过消声器，达到消声的目的。这种消声器多用于载货汽车。隔板将外壳分成了尺寸不等的滤声室，多空管在室内穿过，与外壳形成空腔，当排气气流通过时，产生阻抗失配，从而降低排气噪声。1、扩张室抗性消声器；利用管道内截面积的变化而引起的声阻抗不匹配所产生的反射和干涉作用达到噪音的衰减，这种扩张室消声器的效果主要取决于管道的截面比及所采取的膨胀腔的数量。2、共振式抗性消声器利用小孔处的空气柱和空腔内的空气所构成的弹性震动系统，当外界噪音频率等于腔内空气频率时，将引起空气柱发生共振，共振时空气柱与颈壁产生剧烈摩擦，声能因克服摩擦阻力而消耗，减低噪音。3、干涉式抗性消声器利用旁通管的长度与主管道不同，等于1/2波长的奇数倍，在管的汇合处，由于位相相反而减弱.只对一个或几个声调有消声效果。图33、阻抗复合型消声器阻抗复合型消声器是将抗性消声结构和阻性消声结构组合在一起所形成的一种消声器。由于在抗性消声器的内部多伴随发生交变的声压和质点增强效应，因此只要在抗性消声器内壁上粘接少量的吸声材料，便可以吸收很大的声能。在阻抗复合消声结构中，阻性消声结构消除高频噪声，抗性消声结构消除低频噪声。六、消声器的制造与设计1、从发动机发声的能量来看,发动机排量越大,它排除的废气量就越多,排气噪声的能量就越大,要消声到允许值,就必须采用大容量的消声器.另一方面,排量越大,消声器承受的高温、高速脉冲气流越多、越强烈,在消声器内就越容易产生再生噪声,因此除了必须仔细设计消声器内部结构形状使其符合空气动力学性能要求外,还必须在消声器内部使脉冲迅速平稳下来.消声器容量越大,它对脉冲缓冲作用越大。2、单腔消声器很难满足发动机排气噪声消声量的要求,实用的发动机排气消声器大多由24腔组成。研究表明,消声器的消声量并不是随腔数的增加而按比例增加。相反腔数越多,排气背压越大;消声器的功率损失也越大;并且消声器的结构、重量、工艺性能都差,因而超过4腔将是得不偿失的。消声器腔数选择原则是在满足消声量要求的前提下,尽量选用腔数少的消声器。3、穿孔管、穿孔板的穿孔率及孔径的确定新型消声器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3mm8mm,穿孔率可取为7%15%。4、吸声材料的选取新型2号和3号消声器的第一腔和第四腔内布置有多孔吸声材料。当声波传到多孔吸声材料表面时大部分将被吸收,从而达到消声的目的。内燃机排气消声器选用的吸声材料除应有较高的吸声系数外,还应具有耐高温、耐腐蚀的特性，一般选用超细玻璃纤维和岩棉作为消声器吸声材料。这两种吸声材料的吸声系数都很高,特别在中高频上的平均吸声系数均超过018。超细玻璃纤维耐高温700,岩棉耐高温650,且这两种材料均具有较好的耐腐蚀性能,所以完全能满足内燃机的使用条件。4、加工工艺结构形式可采用变薄拉伸、反向挤压及复合挤压的方法制造左右两个筒体。采用氩弧焊将两个筒体焊接在一起，该工艺方案通过了小批量生产。另外根据旋压缩口原理，也可通过一个长管坯进行旋压缩口获得。优缺点：变薄拉伸与挤压工艺复杂，需要专用设备；火焰加热旋压成形，需动用冷设备，要求冷热操作配合及时；摩擦热挤成形要求材料的塑性好一些。5、气密性保压试验任何一种结构的贮气消声器产品在与其他连接铝管焊接后均需进行气密性及耐压试验。气密性试验用压缩干燥空气或氮气充入贮气消声器总成内，将其沉没于水中，利用内外气体压差检查有无泄漏，如有气泡出现，说明气密性不好，有泄漏。耐压试验时，先缓慢升压到3.92MP，保压3min,，对所有焊接接头和连接部位进行检查，如有泄漏，修补后须重新试验。合格后将压力升高到5.88MP，保压1min,，同时再次进行检查，如有泄漏，修补后重新试验。由于气压试验具有较大的危险性，为了防止突发性的长管爆破事故，可车加工2-4只尼龙套，保压试验前套在长管上，以防止长筒体发生爆缺陷时对人员的伤害。七、排气消声器的其它方法发动机排气噪声是一种具有明显中低频特性的宽频带噪声，其最大噪声量可高达130dB(A)。研究表明，由机动车辆引起的噪声污染目前已占到城市噪声污染的80%，而发动机排气噪声则是汽车车外低频噪声的主要声源。对发动机排气噪声的治理有无源法和有源法两种。尽管无源消声器比较成熟，但仍存在一些缺陷，如消声量取决于消声器的结构参数，适应性差；内部结构复杂，气流阻力大，排气背压高，降低了发动机的整机动力性和经济性；在对低频噪声(500Hz以下)治理时，必然增大其设计尺寸，不仅提高了制造成本，而且增加了安装空间需求和安装难度，甚至无法正常安装，效费比很低。因此，有源消声技术成为发动机排气噪声治理领域近年来备受关注的一个热点。发动机排气有源消声技术就是指去掉传统的消声器或简化其内部结构，在排气管道的某个环节引入有源消声技术，从而达到降低排气噪声的目的。有源消声环节可以是基于阻抗控制机理的半有源消声系统，也可以是基于声波干涉机理的有源消声系统。前者通过使用有源阻性吸收元件或抗性声波抑制元件实现消声；后者则通过实时地产生与排气噪声声波中的低频成分幅值相等而相位相反的次级抵消声波，并使之与原排气噪声声波在