简析如何优化汽车排气消声器性能

摘要：随着驾乘人员对驾乘舒适度、操控性的不断提升，汽车生产企业对汽车消声器性能指标提出了更高的要求，因此进一步优化消声器内部结构是提升汽车排气消声器性能指标重要途径。

关键词：汽车排气消声器;消声器性能;优化

汽车排气消声器主要是通过消声器的内部结构如：迷宫式结构、扩张室、共振腔、阻性包等结构的阻性、抗性、阻抗复合消声器形式，消耗、隔离排气噪声能量达到降低排气系统噪音的功效。

排气消声器性能的好坏，主要通过实车试验检测和主观评价、发动机台架试验室及消声室等进行相应的消声器插入损失，汽车加速行驶车内、外噪声及车辆定置噪声等性能的测试评价。

优化是根据排气噪声频谱的波峰及超标部分的情况，通过CAE仿真设计计算分析调整、改变消声器结构达到降低波峰及超标排气噪音的目的

1.某款MPV汽车排气消声器优化项目介绍

主机厂对该车现有排气系统性能指标比较满意，但对采用的双模态消声器总成的双模态阀门产品耐久性有些担心，希望有个备用方案。故需对消声器现有结构进行优化取消双模态阀门。

（1）项目目标：新系统性能指标不低于原方案水平（原方案作为目标）。

（2）项目资源：主机厂提供：测试用车

采集系统：LMS 数据采集系统，振动噪声仪、转速表、车速测量仪、PCB 传声器，压力传感器，BK 声级计，Dell 移动工作站等。冷流试验台、样件试制。

2.原汽车排气消声器性能测试

首先通过实车及实验设备对原排气系统性能测试，测试内容是：检测车内（驾驶员左右两侧、中排、后排）、车外噪声值（定置、汽车加速通过）、排气系统背压值及模态测试。

2.1 排气系统性能测试

为了更好地了解原产品（双模消声器）的实际性能，以及了解主机厂所提供的试验车的车辆性能，特制定原产品测试与计算计划。

2.1.1 实车测试：测试车辆：主机厂提供的试验车。测试对象： 排气系统总成：

测试对象有：原方案：0#中消（带阀门）、0#中消（全开）、0#中消（全闭）、0#后消（带阀门），以及对比方案中消1#。

（1）实车测试场地：测试场地北京交通部试验场，按照GB 1495-2002布置场地。

（2）测试环境：从测试环境来看，气温为30℃，风速 2-4m/s，为道沥青路。

（3）测试设备：LMS 数据采集系统、振动噪声仪、转速表、车速测量仪、PCB 传声器、压力传感器、声级计。

（4）测试工况：（定置：怠速、2GWOT）

依据GB/T 14365-1993，进行机动车辆定置噪声测量：怠速时的排气尾管辐射噪声及发动机从怠速急加速到转速为6000rpm时提速、减速过程的排气尾管辐射噪声。

依据GB 1495-2002，装载自动变速器的M1轻型车汽车加速测试工况有：

入线车速30km/h、40km/h、50km/h，加速踏板踩到底，直至出线;

2.1.2 冷流测试：测试设备： 冷流台及半消声室 、 测试对象： 排气消声器总成

测试数据： 插入损失、压力、流速、流量等

2.1.3 模态测试：测试设备： 模态振动测试台、测试对象： 排气消声器总成

测试数据： 自由模态、约束模态

2.2 测试数据：

2.2.1 加速行驶车外噪声试验： 自动档模式，加速行驶车外噪声，单位：dB（A）

30km/h进、出线速度（km/h）、转速（rpm）、测量值： 30/1590，39/73.6dB

40km/h进、出线速度（km/h）、转速（rpm）、测量值： 40/1570，52 /69.8dB

50km/h进、出线速度（km/h）、转速（rpm）、测量值： 50/1520，55 / 70.5dB

数据分析：由上表得出，该车加速行驶车外噪声为73.0dB（A），符合国家标准（≤74.0dB（A））。

2.2.2定置怠速尾口噪声59-63dB均高于目标线58dB：

2.2.3阶次噪声：（2阶、4阶、6阶、8阶）均有部分频率高于目标线。

2.2.4 排气背压等均符合目标值曲线。

2.2.5 模态测试结果：自由模态：试验与仿真模态频率相接近，除 4、5、6 阶模态频率误差在 10%左右外，其余各阶均在5%以内。

约束模态：仿真与试验值相接近，差值基本都在 5Hz 范围之内，发动机怠速激励频率为 26.6Hz，二阶横向弯曲和扭转模态频率在 22Hz 和 29Hz 左右，避开了怠速激励频率。因此在怠速下，发动机不存在激起排气系统共振的隐患。

3.结构优化设计排气系统的CAE仿真分析

CAE仿真分析包括：声学计算：一维声学，三维声学计算（GT-POWER、 ANSYS）

流体计算：CFD三维流体计算（Fluen）、结构计算：模态分析 （Nastran）等

针对超出目标线以外的波峰频率进行结构优化设计，优化方案多采用以下方法：当总声压级大部分高于目标线时，可调整消声器容积结合增加阻性包，减小进、出气管管端直径。当低频部分较宽频段高于目标线时，可采用加大消声器或第一腔室容积也可采用双模态阀门。当低频有窄幅波峰高于目标线时，可采用设计共振腔的方式，以消除噪音波峰。当中高频较多部分高于目标线时，可采用增加阻性消声结构的方式。须经过声学分析计算后进行相应的实验验证。

4.消声器的CFD优化

经过测试，虽然该车排气消声器性能良好，但是为了能够仿真分析排气消声器中的气流特性，可以对三维CFD仿真的方式进行使用。

针对副消声器而言，改变第一腔穿孔管的穿孔率，可以降低二次噪声;将孔开在第三腔的内插管表面，降低排气背压;针对主要消声器，第一腔中的排气管长度可改短，提升第一穿孔管的孔径和穿孔率，以便更多的气体流入，第三腔的进气管缩短，降低对挡板的冲击，在第二腔的进气管上开孔，以降低排气背压。

5.对第一轮消声器优化方案进行测试

5.1 经过优化后的排气系统经整车及实验室：测试总消声压级（A）有部分提升。

5.2 定置怠速尾口噪声有明显提升基本达到目标线58dB的要求：

5.3 阶次噪声：（2阶、4阶、6阶、8阶）均有明显改善达到目标线的要求。

6.结语

综上所述，汽车的排气消声系统不仅可以在发动机工作的时候处理产生的废气，而且还采用了消声结构及材料，实施了特殊形式的气流管理，在废气向外排出的同时，通过结构优化设计的气流管理，使排气气流的噪声有所降低。