内燃机排气消声器设计分析技术

内燃机排气消声器设计分析技术交叉型乘用车技术中心动力附件所郑殿玲2013年09月主要内容：一、消声器设计流程二、消声器设计目标三、消声器主要参数计算四、消声器模拟分析技术五、优化设计一、消声器设计流程二、消声器设计目标消声器设计要求声学特性要求空气动力学要求机械和材料要求成本要求安装空间限制消声器的目的就是减少声能的传递。如传递损失、噪声降低量和插入损失。通常用声压级和频谱进行分析。消声器两边的压力差太大，气流阻力也会增加，发动机的功率就会下降。通常用排气背压静压或动压进行分析排气系统中温度很高，材料在这样的高温气体环境中很容易腐蚀；消声器都是薄板材料制造的，在机械振动和气流冲击下，很容易辐射噪声；结构设计(包括材料)必须满足一定的刚度和强度要求。在汽车排气消声器设计中，成本的因素有时是决定性的。在消声器设计时必须加以考虑要达到良好的消声效果，消声器的容积应该越大越好，但是排气系统能够安装的空间都非常有限。所以往往是在限定的空间内来设计消声器。二、消声器设计目标消声器技术目标消声量传递/插入损失优化设计压力损失消声量频谱选定频率对应的消声量选定频率对的传递/插入损失倍频程1/3倍频程最差频率对应的消声量为目标函数总消声量为目标函数传递／插入损失数据消声量数据压力损失数据优化设计文件三、消声器主要参数计算1．消声器的主要评价指标1.1插入损失消声器安装前后消声器出口端声功率级的差值。目标值≤28dB（A）。1.2传递损失消声器在末端为全消声的条件下（末端无反射），消声器入射声功率和透射声功率的差值。1.3消声量消声器进口端截面的声压级和出口端截面的声压级的差值。1.4消声器的阻力损失取决于消声器的空气动力学性能，由发动机台架试验给出。1.5功率损失比取决于消声器的阻力，要求≤5%。三、消声器主要参数计算2．消声器的主要参数计算2.1消声器有效容积的确定国内外有许多人提出了不同公式，与内燃机的排量、气缸数、冲程数、压缩比、是否增压和消声量的要求来确定。一般为发动机排量的10～20倍。★《柴油机设计手册》介绍的公式：“：：式中：n-发动机转速；t-冲程数；i-气缸数；vh-单缸排量（L）；k-系数，取1000-5000★美国某公司推荐公式：式中：n-发动机转速；T-冲程；N-气缸数；Vh-发动机排量；Q-系数；取5～6★英国某公司推荐公式：式中：n-发动机转速；Vh-发动机排量；i-气缸数三、消声器主要参数计算2．消声器的主要参数计算2.2消声器外形尺寸的确定（长度和内经）当消声器容积保持不变时，只改变其内径与长度，L/D越小，空腔越扁，截面积的扩张比m越大,声衰减量也随之增大，但消声频率范围变得很窄。由一些统计的L/D数据，确定长度L。经验推荐值为：3L/D4。2.3消声器气流流通面积的确定（1）速度V：一般将插入管气流的速度u=60~90m/s，消声器内部的气流速度应控制在40~60m/s的范围内。（2）管道直径D的确定由内燃机的排量，合适的气流速度，确定流通面积和直径D。D=2√Q/(πV)三、消声器主要参数计算2．消声器的主要参数计算2.4消声器腔数的确定腔数越多：高频的消声效果好，低频的消声效果差；制造复杂一般应该根据消声特性和消声量来选择经验：要求消声量大于10db时，腔数:2~3要求消声量大于15db时，腔数:3~4要求消声量大于20db时，腔数大于42.5消声器各腔长度的确定第一腔的容积不应小于内燃机排量的1～3倍(主要消除内燃机燃烧过程和进、排气开闭时所产生的冲击噪声，与内燃机标定功率的转速、气缸数、冲程数等有关。)其余L2=L1/2,L3=L2/2这样安排各腔长度的消声器具有消除低、中、高频噪声的全频消声作用。三、消声器主要参数计算2．消声器的主要参数计算2.6吸声材料为增加高频的吸声效果有时需要添加吸声材料，吸声材料厚度和密度对穿孔管阻性消声器的传递损失影较大。随着吸声材料厚度的增加,阻性消声器的消声性能得以明显改善；随着吸声材料密度的增加，消声性能增强，但增加到一定程度时消声性能的影响变差。2.7排气管尾管的长度和直径的确定由于消声器的容积有限，其不足的消声量，尤其是低频部分，有时依靠长尾管消声补偿；另外长尾管还有利于将废气引到车尾，排入大气中。尾管的长度：适中尾管的直径：越小的话，消声量大，但是容易产生气流再生噪声。一般的情况：低速时采用细而长的尾管、高速时采用粗而短的尾管。四、消声器的模拟分析技术▲声学仿真是利用有限元（FEM）、边界元(BEM)及统计能量法(SEA)等技术对特定的声场问题进行数值计算,以获得稳态或非稳态的声场分布,并对仿真结果进行专业化分析、处理及显示。▲消声器的声学特性仿真分析已成为必要工具。借助于声学仿真分析软件包,如GT-power、BOOST、Sysnoise、Virtual.lab、Ansys、AutoSEA等,通过对汽车消声器传声特性、结构声辐射特性深入研究,可以进一步加深对复杂结构声传递问题本质的认识,对指导现有产品性能的优化和新产品的开发有着非常重要的意义。▲与此同时,消声器的流体力学仿真和结构模态仿真也越来越成为设计过程的必要手段,如通过FLUNT、STAR-CD、STAR-CCM+对消声器的温度场、速度场仿真得到流动特性；通过Ansys、Hyperworks、Abaqus等对消声器的结构进行仿真得到固有特性，从而为进一步优化设计提供依据。▲上述几种仿真分析软件联合仿真，更是精确模拟出消声器的实际品质，大大缩短产品开发周期，减少了成本。四、消声器的模拟分析技术传递损失1．一维仿真分析技术四、消声器的模拟分析技术尾管噪声四、消声器的模拟分析技术加速行驶通过噪声四、消声器的模拟分析技术压力损失四、消声器的模拟分析技术2.三维声学仿真分析-1001020304050600100200300400500600700800900100011001200130014001500有限元网格流速分布声压颁布传递损失四、消声器的模拟分析技术3.三维流体力学仿真有限元网格速度流线压力分布压力损失四、消声器的模拟分析技术4.振动模态仿真有限元模型模态振型模态结果五、优化设计1.声学优化传递损失尾管噪声五、优化设计2.流体力学及声学联合优化传递损失阻力损失五、优化设计3.模态优化改进前改进后