排氣系統(tǒng)消聲器設(shè)計技術(shù)規(guī)范.docx

排氣消聲系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范目 錄一、主題與適用范圍 1、主題 2、適用范圍二、排氣消聲系統(tǒng)的總稱說明及功用三、設(shè)計應(yīng)用1、設(shè)計規(guī)則和輸入2、設(shè)計參數(shù)的設(shè)定 2.1 尺寸及重量 2.2 排氣背壓 2.3 功率損失比 2.4 凈化效率 2.5 加速行駛車外噪聲 2.6 插入損失及傳遞函數(shù) 2.6.1 插入損失 2.6.2 傳遞函數(shù) 2.7 尾管噪聲 2.8 定置噪聲 2.9 振動3、 系統(tǒng)及零部件的設(shè)計 3.1 系統(tǒng)布置 3.1.1 布置原則 3.1.2 間隙要求 3.1.3 吊鉤位置的選取 3.1.4 氧傳感器孔的布置 3.2 消聲器的容積確定 3.3 排氣管徑的選取 3.4 消聲器 3.4.1 消聲器的截面形狀 3.4.2 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.5 補償器 3.5.1 波紋管 3.5.2 球形連接 3.6 橡膠吊環(huán) 3.7 隔熱部件 3.8 材料選擇 3.8.1 排氣管、消聲器內(nèi)組件 3.8.2 消聲器外殼體四、參考文獻列表一、主題與適用范圍1、主題: 本指南規(guī)定了與汽車發(fā)動機相匹配的排氣消聲系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配，零部件設(shè)計。2、適用范圍: 本指南適用于裝汽油M1、N1類車的排氣消聲系統(tǒng)設(shè)計。二、排氣消聲系統(tǒng)的總成說明及功用 排氣系統(tǒng)包括排氣歧管、排氣管、排氣凈化裝置、排氣消聲裝置、隔熱部件、彈性吊塊等。一般地，排氣系統(tǒng)具有以下一些功用：(1) 引導發(fā)動機排氣，使各缸廢氣順暢的排出；(2) 由于排氣門的開閉與活塞往復(fù)運動的影響，排氣氣流呈脈動形式，排氣門打開時存在一定的壓力，具有一定的能量，氣體排出時會產(chǎn)生強烈的排氣噪聲，氣體和聲波在管道中摩擦也會產(chǎn)生噪聲,因此在排氣系統(tǒng)裝有排氣消聲器來降低排氣噪聲；(3) 降低排氣污染物CO,HC,NOX 等的含量，達到排氣凈化的作用； 典型的排氣消聲系統(tǒng)如圖1所示：圖1三、設(shè)計應(yīng)用1、設(shè)計規(guī)則和輸入:1.1 排氣系統(tǒng)能很好的將廢氣順暢排出，滿足發(fā)動機的排氣背壓，功率損失比的要求。1.2 排氣系統(tǒng)設(shè)計能滿足現(xiàn)行中華人民共和國法規(guī)要求，具體如下： QC/T571993 汽車勻速行使車內(nèi)噪聲測量方法 GB161701996 汽車定置噪聲限制 QC/T6311999 汽車排氣消聲器技術(shù)條件 QC/T6301999 汽車排氣消聲器性能試驗方法 GB14952002 汽車加速行使車外噪聲限值及測量方法 QC/T5893 汽車加速行使車外噪聲測量方法 GB18352 輕型汽車污染物排放限值及測量方法 GB14365-93 聲學 機動車輛定置噪聲測量方法 GB/T4759-95 內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法1.3 排氣系統(tǒng)零部件必須能經(jīng)受1000的高溫要求以及氣流沖擊，并保證排氣系統(tǒng)可靠性達到10萬公里或者三年(先到者為準)的要求，并要求在三包期內(nèi)插入損失不得減少6dB(A)以上，功率損失不得增加3%以上。1.4 排氣系統(tǒng)必須滿足顧客對噪聲的要求，在整個頻率范圍內(nèi)應(yīng)有足夠的消聲量，同時力求避免產(chǎn)生氣流再生噪聲。1.5 消聲器在滿足消聲量的前提下要體積小，重量輕，便于安裝和維修，有一個較好的價格性能比。除消聲器幾何尺寸和管路走向應(yīng)符合裝車的要求外，消聲器的尾管應(yīng)美觀大方，表面裝飾應(yīng)與車的總體造型相協(xié)調(diào)。2、設(shè)計參數(shù)的設(shè)定2.1尺寸及重量 尺寸和重量需根據(jù)產(chǎn)品所要達到的性能要求以及底盤空間位置來確定，但是在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，做到盡量小為最好。2.2 排氣背壓 排氣背壓指發(fā)動機裝上整套排氣系統(tǒng)后，按 QC/T524-1999 設(shè)定測點測得的壓強(離發(fā)動機排氣歧管出口或渦輪增壓器出口下游75mm處，在排氣連接管里測量，測壓頭與管內(nèi)壁齊平，誤差不大于0.2kPa)。排氣背壓越高，排氣阻力越大，充氣效率也就越低，發(fā)動機功率、扭矩損失也越大。一般來說，考慮到發(fā)動機的功率和扭矩要求，會對排氣系統(tǒng)提出一個具體的排氣背壓要求。 對自然吸氣發(fā)動機，排氣背壓一般設(shè)定在305kPa。 對增壓發(fā)動機，排氣背壓一般設(shè)定在4010kPa。 一般認為消聲器的壓力損失由兩部分構(gòu)成：一是局部壓力損失；二是管壁沿程摩擦阻力損失，兩者都是由于流體運動時克服粘性切應(yīng)力作功引起的。 局部阻力損失發(fā)生在消聲器內(nèi)收縮、擴張等截面突變的地方，大小取決于局部結(jié)構(gòu)型式、管道直徑和氣流速度，與消聲器截面擴張比有關(guān)，即m=s2/s1。沿程阻力損失發(fā)生在消聲器管道壁面，其大小取決于管壁粗糙度及氣流速度的大小，而管道直徑和氣流速度是密切相關(guān)的，所以管徑的選取至關(guān)重要。 所以，通常排氣系統(tǒng)應(yīng)該盡可能地設(shè)計成簡單的走向，而避免過度彎曲的形狀。2.3功率損失比 消聲器的功率損失比是發(fā)動機在標定工況下，使用消聲器前后的發(fā)動機功率的差值和沒有使用消聲器時功率值的百分比。 （P1P2）/ P1100對于值，QC/T 6311999汽車排氣消聲器技術(shù)條件規(guī)定為8，我們一般設(shè)定為28dB，JB/T 5081-91中小功率柴油機消聲器技術(shù)條件規(guī)定功率損失在小于5%時，插入損失應(yīng)25dB。我們要求在發(fā)動機各個轉(zhuǎn)速下的插入損失均大于32dB。 與傳遞損失只考慮消音元件本身不同，插入損失是考慮一個系統(tǒng)。也就是說除了消音元件本身外，插入損失還包括了聲源和出聲口(如進氣口和排氣尾管)的聲學特征，因此這種方法是描述整個系統(tǒng)消音效果的最佳表達方式。2.6.2 傳遞函數(shù): 排氣系統(tǒng)傳遞函數(shù)是指空氣介質(zhì)傳播所引起的聲功率的差值，傳遞損失沒有包括聲源和管道終結(jié)端的聲學特性，它只與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在評價單個消音元件的消音效果或者初步評估系統(tǒng)的消音性能時，通常用傳遞損失。傳遞損失是評價消音元件消音效果最簡單的一種方法，具體測量方法如下：圖2 排氣系統(tǒng)由排氣管，副消聲器、主消聲器組成，如果有三元催化器，則應(yīng)該同時帶上;激勵體聲源（能發(fā)出頻率為20Hz20000Hz的聲源）放置于排氣管的入口端，并用橡膠管與排氣管相連。 參考麥克風放置與前端橡膠管上，并在內(nèi)部接受體聲源發(fā)出的聲功率級;接收麥克風放置于消聲器的尾部，接收經(jīng)過排氣系統(tǒng)傳遞后的聲功率級;對于傳遞函數(shù)的目標值，根據(jù)整車對噪聲水平的要求，其設(shè)定值也不相同，一般的，我們設(shè)定按圖3：圖3 圖中紅線為傳遞損失的限值，在每個頻率下的傳遞函數(shù)的值均在紅線下部。根據(jù)整車的噪聲水平和發(fā)動機的類型不同，可對該紅線位置進行調(diào)整。2.7 尾管噪聲(三檔節(jié)氣門全開加速) 排氣系統(tǒng)尾管噪聲是衡量排氣系統(tǒng)消聲效果的一個主要性能指標。尾管噪聲的測量方法見圖4：圖4尾管噪聲的目標設(shè)定如下： 在急加速和急減速的情況下，整車載荷為 70KgX2，按上述方法進行測量的尾管噪聲見圖 5：當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1000-2000rpm時，噪聲值為82dB(A)，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5000rpm時，噪聲值為92dB(A)，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000rpm時，噪聲值為97dB(A)。圖5 在急加速和急減速的情況下，整車載荷為 70KgX2，按上述方法進行測量的二階尾管噪聲見圖6，四階尾管噪聲見圖 7，六階尾管噪聲見圖 8，八階尾管噪聲見圖 9。圖6圖7圖8圖9 對于以上尾管噪聲曲線，可以根據(jù)不同車型所要達到的噪聲水平的不同進行調(diào)整。2.8 定置噪聲 定置噪聲限值按國標 GB161701996汽車定置噪聲限制執(zhí)行，我們要求定置噪聲85dB(A)。試驗方法按國標 GB14365-93聲學 機動車輛定置噪聲測量方法進行；定置是指車輛不行使，發(fā)動機處于空載運轉(zhuǎn)狀態(tài)，定置噪聲可評價、檢查機動車輛的排氣噪聲水平，不能表征車輛行使最大噪聲級。2.9 振動 排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動機相連，一端通過掛鉤與車體相連。發(fā)動機的振動傳遞給排氣系統(tǒng)，然后在通過掛鉤傳給車體。車體的振動通過座椅、方向盤和地板直接傳給顧客，同時車體的振動也會幅射出去，在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲，所以控制傳到車體的力是排氣系統(tǒng)振動控制的最重要的目標之一。 排氣系統(tǒng)的振動源主要有四個：發(fā)動機的機械振動、發(fā)動機的氣流沖擊、聲波激勵和車體的振動，車體的振動傳遞方向與前面三種相反，車體振動會通過掛鉤傳遞到排氣系統(tǒng)，這種傳遞會逆向傳遞到發(fā)動機，從而加大了發(fā)動機的振動。 為了控制排氣系統(tǒng)的振動，在進行排氣系統(tǒng)設(shè)計時要注意以下幾點：1、要避免與整車固有頻率范圍重合，應(yīng)盡量做到差距越大越好，一般地，車身固有頻率在25Hz34Hz之間，因此排氣系統(tǒng)振動頻率不能設(shè)計在這個范圍內(nèi)。2、在設(shè)計排氣系統(tǒng)時，要使得其模態(tài)越少越好。如果模態(tài)太多，那么系統(tǒng)某些頻率很容易被激勵起來，振動容易被傳遞到車體。通常排氣系統(tǒng)應(yīng)該盡可能地設(shè)計成一條直線，而盡量避免彎曲的形狀。3、合理選擇掛鉤的位置，且掛鉤的剛度要滿足下面的要求： 支架頻率=（ 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速 x發(fā)動機的汽缸數(shù)目）/1204、波紋管和橡膠吊塊的設(shè)計對排氣系統(tǒng)的振動控制至關(guān)重要。3 系統(tǒng)及零部件的設(shè)計3.1、系統(tǒng)布置 3.1.1 布置原則 一個完整的排氣系統(tǒng)，從前到后，一般布置次序是：預(yù)催化器、補償器（波紋管）、主催化器、前消聲器、后消聲器。 排氣管用于連接以上不同部件。排氣管分段以及連接方式主要根據(jù)安裝和維修方便確定。 如果補償器采用球面法蘭，一般不把球面法蘭布置在催化器之前。 對于滿足歐及以下排放標準的排氣系統(tǒng)，由于歐標準不涉及冷啟動階段的排放限制，所以一般可不采用預(yù)催化器而只采用一個主催化器。對于滿足歐及以上排放標準的排氣系統(tǒng)，一般在排氣歧管出口處布置預(yù)催化器（即 CCC，Closed Couple Catalyst）或者在預(yù)催化器前的排氣管段采取良好的保溫措施。主催化器一般布置在車身底板下，所以又叫底板下催化器（Under Floor Catalyst）。 消聲器有一級、二級、三級之分。二級消聲應(yīng)用最多，SUV、跑車等追求動力性的車輛一般才采用一級消聲器。對于二級消聲，我們將其分別稱為前消聲器和后消聲器。根據(jù)聲學原理，消聲器擺放在不同的位置，將產(chǎn)生不同的消聲效果，一般地，推薦如下的消聲器擺放位置（見圖10）：圖103.1.2 間隙要求排氣系統(tǒng)與各相鄰部件地間隙關(guān)系見圖11：圖11 各相鄰部件耐溫在 150以下的越遠離排氣系統(tǒng)越好，相對產(chǎn)生運動部件最少保證與排氣系統(tǒng)的間隙大于 25mm，同時要保證最小離地間隙符合整車布置要求。3.1.3 吊鉤位置的選取排氣系統(tǒng)吊鉤位置的選擇遵循以下原則：（1）、吊鉤應(yīng)該位于振動的節(jié)點上；（2）、吊鉤應(yīng)該在縱向能夠延伸；（3）、吊耳應(yīng)該位于車身結(jié)構(gòu)的剛性處。對于排氣系統(tǒng)吊鉤位置的選取必須借助 CAE 分析來進行，首先對排氣系統(tǒng)進行各階模態(tài)分析(見圖12)來確定排氣系統(tǒng)上的最佳吊鉤位置，根據(jù)此位置來確定車身吊鉤位置，并增加車身吊鉤位置處的剛性。圖123.1.4 氧傳感器孔的布置有時氧傳感器孔需要布置在前管總成或前消聲器總成上，由電控部門確認氧傳感器孔的位置區(qū)域，根據(jù)裝車空間垂直管面布置氧傳感器孔(如下圖所示)，垂直布置能使氧傳感器更多地接觸尾氣，比較真實、敏捷地反映出尾氣中氧離子的濃度信息，從而使ECU能夠更好的進行理論空燃比的反饋控制，改善排放。盡量不要傾斜布置，氧傳感器螺母傾斜會造成排放結(jié)果不穩(wěn)定。3.2 消聲容積的確定 消聲容積指排氣系統(tǒng)所有消聲器的容積之和。消聲器的容積決定了其消聲量，因此容積確定的正確與否，將直接影響到整車的噪聲水平。一般要達到理想的消音效果，消音容積要是發(fā)動機汽缸體積的10倍左右。由于消聲器的容積主要根據(jù)發(fā)動機的最大功率和扭矩決定，我們通常采用以下公式：mkPm消聲器的容量（L） K0.14P輸出功率（Ps）功率單位是馬力，1Ps=1.361kW根據(jù)不同車型對噪聲的要求水平，K 可選 0.100.20 之間不同的值。圖 13 為消聲器容積與發(fā)動機功率之間的關(guān)系。我們盡量將消聲器的容積控制在紅線附件，不能超出藍線范圍。圖13 通常講，消音容積越大，消音效果就越好，當然其背壓也就越大，功率損失增加。但是當消音容積增加到一定的時候，其消音效果的增加慢慢趨緩，如下圖所示。3.3 排氣管徑的選取 為獲得良好的噪聲和低的背壓，在排氣管和消聲器內(nèi)的排氣流速應(yīng)分別低于 0.35c和0.25c（c聲速），我們可根據(jù)此要求來計算排氣管的最小管徑。 假設(shè)某發(fā)動機最大排氣流量為 m(kg/h)，排氣溫度為 T (K)，壓力為 P(Pa)，在溫度T和下氣流密度為（kg/m3），聲速為 c（m/s）。則排氣管最小流通面積 Smin 為: Smin=m/900c。3.4 消聲器 消聲器一般要求有大的消聲量和消聲頻率范圍，小的排氣阻力(即排氣背壓)和良好的耐久性（3 年或者10萬公里無異常）。3.4.1 消聲器的截面形狀 消聲器的截面形狀盡量避免扁平狀，并盡可能往圓形靠近，其設(shè)計方案的選擇如圖14的規(guī)則圖143.4.2 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一個很復(fù)雜的課題。 按消聲器的消聲機理，可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器三類。 阻性消聲器是利用在管道內(nèi)適當?shù)牟贾梦暡牧?，利用聲波在多孔性吸聲材料中傳播時，因摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉，部分的吸收管道中傳播的聲能從而達到消聲的目的，類似電路中的電阻的作用。這類消聲器的特性是在中、高頻范圍內(nèi)有良好的消聲效果，對低頻消聲性能較差。阻性消聲器的傳聲損失與吸聲材料的聲學性能、氣流通道周長、斷面面積以及管道長度等因素有關(guān)，結(jié)構(gòu)示意如下所示： 抗性消聲器是利用各種形狀、尺寸的管道或共振腔，靠管道截面的突變或旁接共振腔等在聲傳播過程中引起引起阻抗的改變而產(chǎn)生聲能的反射、干涉，一部分聲能被反射回聲源，這樣傳遞聲能減少，從而降低所輸出的聲能，達到消聲目的。 抗性消聲器的消聲頻帶較窄，在中、低頻消聲效果較好，高頻較差?？剐韵羝髦饕〝U張消音器和旁支管消音器，旁支消音器通常包括赫爾姆茲消音器、四分之一波長管。赫爾姆茲消音器傳遞損失頻帶比四分之一波長管的消音頻帶要寬一些。赫爾姆茲消音器通常用來消除低頻噪聲，而四分之一波長管用來消除頻率比較高的噪聲。 擴張室式消聲器是抗性消聲器最常用的結(jié)構(gòu)形式，也稱膨脹式消聲器。它是由一個主要腔室和兩邊與之相連接的管道組成的，其最基本的形式是單節(jié)擴張室消聲器，如下圖所示： 阻抗復(fù)合型消聲器是將阻性和抗性消聲器結(jié)合起來，故從低頻到高頻都有較好的消聲效果。在實際噪聲控制工程中，噪聲以寬頻帶居多，通常將阻性和抗性兩種結(jié)構(gòu)消聲器組合起來使用，以控制高強度的寬頻帶噪聲。 目前的汽車消聲器的設(shè)計中，主要結(jié)構(gòu)采用抗性消聲原理，而在其中某些結(jié)構(gòu)則采用阻性原理，而這些阻性消音器也往往是與抗性消音器做成一體而成為混合消音器。典型如圖 15 所示： 圖15 阻抗復(fù)合式消聲器的傳遞損失可以認為是阻抗與抗性在同一頻帶內(nèi)的消聲量相疊加，但由于聲波在傳播過程中具有反射、繞射、折射和干涉等性能，所以消聲值并不是簡單的疊加關(guān)系，尤其對于波長較長的聲波來說，當消聲器以阻性、抗性的形式復(fù)合在一起有聲的耦合作用，因此互相有影響。在實際應(yīng)用中，阻抗復(fù)合消聲器的傳遞損失是通過實驗或現(xiàn)場測量確定。3.5 補償器 補償裝置是排氣系統(tǒng)減振降噪的一個重要部件，同時也是提高排氣系統(tǒng)使用壽命的重要部件。它把由發(fā)動機引起的振動及扭轉(zhuǎn)進行吸收，從而降低排氣系統(tǒng)的振動傳遞，同時改善排氣系統(tǒng)的受力，提高使用壽命。它所吸收的振動主要來自以下三個方面：1、減少或吸收由于載荷變化、路況所引起的運動；2、減少由于發(fā)動機慣性力所引起的振動；3、隔離傳到排氣系統(tǒng)的發(fā)動機產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲；我們常見的補償器有兩種形式：波紋管和球形連接。3.5.1 波紋管 典型的波紋管如圖16所示: 懸掛系統(tǒng)分為兩種，一種是斷耦式，另一種是半斷耦式。 斷耦式，就是采用柔性極高的波紋管（如采用 0.25mm/層2 層的波紋管結(jié)構(gòu)或者波紋管相當長）將發(fā)動機與排氣系統(tǒng)的振動和晃動完全阻隔開。斷耦式的波紋管不起承載作用，所以波紋管后段的排氣系統(tǒng)需設(shè)計前后左右上下六方向位移皆有極好限制作用的懸掛。 半斷耦式，就是采用強度較大的承載式波紋管（如采用 0.4mm/層2 或 3 層的波紋管結(jié)構(gòu)），發(fā)動機的振動和晃動有部分傳遞到排氣系統(tǒng)。采用半斷耦式的排氣系統(tǒng)，吊環(huán)一般設(shè)計的偏軟，并且對前后位移的限制作用不是很明顯。圖163.5.2 球形連接球形連接的零件圖紙見圖17（球形密封墊），圖 18（螺栓），圖 19(彈簧)圖17圖18圖19 球形連接具有空間小的特點，同時能很好的起到補償作用，現(xiàn)越來越被廣泛采用。對于球形連接的設(shè)計，必須滿足以下的技術(shù)要求;1、 在 49kPa（0.5Kgf/cm）壓力下，漏氣量小于 0.79L/min。2、 在振動角為 6，振動頻率為 2.5Hz，所受振動力為 98098N，溫度為 70010C的條件下，完成振動次數(shù)為 100104次。3.6 橡膠吊環(huán)圖 20 所示為汽車排氣系統(tǒng)常用橡膠吊環(huán)。圖20橡膠吊環(huán)有如下作用：1、 將排氣系統(tǒng)與車身相連；承擔排氣系統(tǒng)的自重，并限制排氣系統(tǒng)在各個方向上的自由度和晃動；2、 盡可能的將排氣系統(tǒng)的振動隔離，使之盡可能少的傳遞到車身上。鑒于此，一般地，橡膠吊環(huán)采用材料為EPDM。3.7 隔熱部件如果需