排氣系統(tǒng)消聲器設計技術規(guī)范標準

1、排氣消聲系統(tǒng)設計技術規(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、設計應用1、設計規(guī)則和輸入2、設計參數(shù)的設定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 消聲器內部結構3.5

2、 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，零部件設計。2、適用范圍：本指南適用于裝汽油Ml N僂車的排氣消聲系統(tǒng)設計。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運動的影響，排氣氣流呈脈動形式

3、，排氣門 打開時存在一定的壓力，具有一定的能量，氣體排出時會產生強烈的排氣噪聲， 氣體和聲波在管道中摩擦也會產生噪聲，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?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：抑丁君。芹蘭年代筆直刷布聲器*主淚蘆器圖1三、設計應用1、設計規(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)設計能滿足現(xiàn)行中華人民共和國法規(guī)要求，具體如下： QC/T57 1993 汽車勻速行使車內噪聲測量方法GB16170 1996QC/T631 -1999QC/T630

4、 1999GB1495 2002QC/T58 93汽車定置噪聲限制汽車排氣消聲器技術條件汽車排氣消聲器性能試驗方法汽車加速行使車外噪聲限值及測量方法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1000c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，并要求在三包期內插 入損失不得減少6dB（A）以上，功率損失不得增加3犯上。1.4 排氣系統(tǒng)必須滿足顧客對噪聲的要求，在整個頻率范圍內應有足夠的消聲 量

5、，同時力求避免產生氣流再生噪聲。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符合裝車的要求外，消 聲器的尾管應美觀大方，表面裝飾應與車的總體造型相協(xié)調。2、設計參數(shù)的設定2.1 尺寸及重量尺寸和重量需根據(jù)產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 75mmt,在排氣連接管里測 量，測壓頭與管內壁齊平，誤差不大于士 0.2kPa

6、）。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，排氣背壓一般設定在 30 士 5kPa。對增壓發(fā)動機，排氣背壓一般設定在 40 士 10kPa。一般認為消聲器的壓力損失由兩部分構成：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力作功引起的。局部阻力損失發(fā)生在消聲器內收縮、擴張等截面突變的地方，大小取決于 局部結構型式、管道直徑和氣流速度，與消聲器截面擴張比有關，即 m=s2/s1, 沿程阻力損失發(fā)生在消聲器管道壁面，具大小取決于

7、管壁粗糙度及氣流速度V 的大小，而管道直徑和氣流速度是密切相關的，所以管徑的選取至關重要。所以，通常排氣系統(tǒng)應該盡可能地設計成簡單的走向，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。丫 = (P1-P2) / P1X100%對于丫值，QC/T 631 1999汽車排氣消聲器技術條件規(guī)定為8% ,我們一 般設定為5%。2.4 凈化效率根據(jù)尾氣排放標準的要求，一般要求排氣系統(tǒng)對發(fā)動機排氣的凈化率(凈化 前后排氣的污染物HC、CO NOx含量之比)要求在90%以上。2.5 加速行駛車外噪聲汽車加

8、速行駛車外噪聲需滿足現(xiàn)行中華人民共和國的法規(guī)規(guī)定要求，其具體 測量方法和限值見GB1495- 2002汽車加速行使車外噪聲限值及測量方法和 QC/T 58- 93汽車加速行使車外噪聲測量方法。汽車加速行使車外噪聲是一 個整車噪聲衡量標準，影響汽車加速行使車外噪聲的因素主要有三/四個：發(fā)動機本體噪聲，進氣系統(tǒng)噪聲、排氣系統(tǒng)噪聲和車胎 -路面摩擦噪聲，并且將來車 胎-路面摩擦噪聲會越來越重要。各系統(tǒng)在滿足各自的要求的基礎上盡量做到更 好的噪聲水平?，F(xiàn)行標準規(guī)定2005.1月以后生產的M僂汽車加速行駛車外噪聲限值是74dB(A),以下幾點要特別說明：1、M1類汽車如果裝用直噴式柴油機，具限值增加1d

9、B(A);2、對于越野汽車，其最大總質量大于 2t,如果額定功率< 150kW限值增加 1dB(A),如果額定功率A 150kW 限值增力口 2dB(A)。3、M1類汽車，變速箱前進檔多于四個，P> 140kW P/GVM>75kW/t,并且用第三檔測試時其尾端出線的速度大于61km/h,其限彳1增加1dB(A)通過噪聲在汽車產品開發(fā)中非常重要，針對不同的市場，要達到不同的通過 噪聲標準，所以在產品概念設計階段就必須要確定通過噪聲的目標值。同時還 要考慮到未來幾年的規(guī)定變化，這方面可參照歐美法規(guī)，歐共體的標準是最嚴 格的，不遠的將來汽車通過噪聲標準可能為 71dB(A)。2.

10、6 插入損失以及傳遞函數(shù)：2.6.1 插入損失：消聲器的插入損失為裝置消聲器前后，通過排氣口輻射聲功率級(或者聲壓級)之差。D = L1-L2對于D直，由于各發(fā)動機的噪聲水平以及整車類型不同，所以插入損失的目標值 也不同。QC/T 631 1999汽車排氣消聲器技術條件規(guī)定為 >28dB, JB/T 5081-91中小功率柴油機消聲器技術條件規(guī)定功率損失在小于5%寸，插入損失應>25dR我們要求在發(fā)動機各個轉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

11、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端的聲學特性，它只與自身的結構有關。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，則應該 同時帶上；激勵體聲源（能發(fā)出頻率為20Hz 20000Hz勺聲源）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，并在內部接受體聲源發(fā)出的聲功率級；接收麥克

12、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，其設定值也不相同，一 般的，我們設定按圖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:尾管噪聲的目標設定如下: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)動機轉速為1000-2000rpm時，噪聲值為82dB(A),當發(fā)動 機轉速為50

13、00rpm寸，噪聲值為92dB(A),當發(fā)動機轉速為6000rpm寸，噪聲值為 97dB(A)。9792B7821000200D50006000 (rpm)圖5圖6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 調整。2.8 定置噪聲定置噪聲限值按國標 GB16170- 1996汽車定置噪聲限制執(zhí)行，我們要求 定置噪聲W 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

14、行；定置是指車輛不行使，發(fā)動機處于空載運轉狀態(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，在車內產生噪聲，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

15、。為了控制排氣系統(tǒng)的振動，在進行排氣系統(tǒng)設計時要注意以下幾點：1、要避免與整車固有頻率范圍重合，應盡量做到差距越大越好，一般地，車身 固有頻率在25Hz- 34H此間，因此排氣系統(tǒng)振動頻率不能設計在這個范圍內。2、在設計排氣系統(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)應該盡可能地 設計成一條直線，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)動機最大轉速x發(fā)動機的汽缸數(shù)目）/1204、波紋管和橡膠吊塊的設計對排氣系統(tǒng)的振動控制至關重要。3 系統(tǒng)及零部件的設計3.1 、系統(tǒng)布置3.

16、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n及以下排放標準的排氣系統(tǒng)，由于歐n標準不涉及冷啟動階段 的排放限制，所以一般可不采用預催化器而只采用一個主催化器。對于滿足歐 田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催化器(即ccg Closed Couple Catalyst )或者在預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

17、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):甚初小土處苦哭三元催化器融肖聲器圖103.1.2 間隙要求排氣系統(tǒng)與各相鄰部件地間隙關系見圖11：圖11各相鄰部件耐溫在150 c以下的越遠離排氣系統(tǒng)越好，相對產生運動部件最 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

18、選取排氣系統(tǒng)吊鉤位置的選擇遵循以下原則：(1)、吊鉤應該位于振動的節(jié)點上；(2)、吊鉤應該在縱向能夠延伸；(3)、吊耳應該位于車身結構的剛性處。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。X 耽1*197tSMnliLiett MuM 卜i £1F 七子麗 方用二目»81-J4X411i*alL 廿 Ert2a (0hm霸用jr W*Ms tU，零HitHTU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

19、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ECUB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果不穩(wěn)定。一H-:j Mjr"i .匚七，&二i.京口. -ii - 兒- - ii_QK _ ；jl_ jf_ 二 jL7工二：1；- ；jir±jC-m 改進前改進后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

20、，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：Vm=kx PVm消聲器白容量（L） K =0.14 P =輸出功率（Ps）功率單位是馬力，1Ps=1.36 x 1kW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。30010010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，具消音效果的增

21、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的排氣流速應分別低于 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p ( kg/m3),聲速為c (m/s)。則排氣管最小流通面 積 Smin 為：Smin=m/900cp。排氣管最小內徑為d = 23.4 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

22、面形狀盡量避免扁平狀，并盡可能往圓形靠近，其設計方案的選 擇如圖14的規(guī)則可行方案/不可行方案.圖143.4.2 消聲器內部結構消聲器內部結構的設計是一個很復雜的課題。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合型消聲器 三類。阻性消聲器是利用在管道內適當?shù)牟贾梦暡牧希寐暡ㄔ诙嗫仔晕暡?料中傳播時，因摩擦將聲能轉化為熱能而散發(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， 結構示意

23、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?？剐韵暺鞯南曨l帶較窄，在中、低頻消聲效果較好，高頻較差?？剐?消音器主要包括擴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構形式，也稱膨脹式消聲器。它 是由一

24、個主要腔室和兩邊與之相連接的管道組成的，具最基本的形式是單節(jié)擴張室消聲器，如下圖所示:阻抗復合型消聲器是將阻性和抗性消聲器結合起來，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 抗性兩種結構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計中，主要結構采用抗性消聲原理，而在其中某些結構則采用阻性原理，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

25、是簡單的疊加關系，尤其對于波長較長的聲波來說，當消聲器以 阻性、抗性的形式復合在一起有聲的耦合作用，因此互相有影響。在實際應用 中，阻抗復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)動機產生的結構噪聲；我們常見的補償器有兩種形式：波紋管和球形連接。3

26、.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X 2層的波紋管結 構或者波紋管相當長）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X 2或3層的波紋管結構），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靖 S .岬*'' 7 *圖18A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。對于球形連接的設計，必須滿足以下的技術要求；1、 在 49kPa (0.5Kgf/cm2)壓力下，漏氣量小于 0.79L/min 。2、在振動角為士 6° ,振動頻率為2.5Hz ,所受振動力為980 ±98N,溫度為700士 10 C勺條件下，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