某汽油发动机排气系统的分析与设计

王迎辉，梁秋松，卢振生，张博强，赵婉婷

(绥化学院，黑龙江 绥化 152061)

随着社会的发展，人们对环保的重视程度越来越高，其中最受广大民众关注的莫过于汽车的排放和噪声问题，因此，排气系统在现如今的车辆组成和设计中占有的地位已经越来越高，近年来我国汽车保有量持高速增长态势，据公安部统计数据，截至2019 年全国机动车保有量达2.84亿辆[1-2]，其中汽油发动机占90%以上.发动机作为汽车不可或缺的一部分，通过对燃料的燃烧提供动力，同时会产生大量的有害气体和较强的排气噪声，其中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳烟颗粒物(PM，particulate materia)可直接对人类的呼吸系统和神经神经系统造成伤害，甚至危及生命[3]；较强的持续性噪声会致使人的听力下降、降低工作效率、血压升高以及永久性听觉疾病[4]；排气系统设计不当将会造成发动机排气背压升高、动力性下降和油耗增加等现象[5]，因此设计高消声性能、高净化效率及低排气背压的排气系统是当今研究发动机排气系统的一个重要课题.

1 汽车排气系统声学分析与设计

发动机排气系统的噪声源主要有空气噪声、冲击噪声、气流摩擦产生的声音以及辐射噪声等.空气噪声是指汽车发动机在运动过程中，由于压力波在排气管道中传播而造成的，空气噪声的大小取决于排气管道的直径，当气流量一定时，管道的直径越大产生的空气噪声就越稳定；而冲击噪声是由于不稳定的气流冲击管道形成的，排气歧管的弯曲幅度不够，产生的气流就会非常大，也就会出现噪声；气流摩擦的噪声是因为气体的流动速度非常高，传递到尾管的时候就会发出巨大的噪声；辐射噪声则是由于排气管道中的消声元件受到气流影响后出现振动，从而产生噪声[6-7].

通过上述分析，本文从如下角度对消声器进行设计从而降低噪声：①将消声器的容积增大，通过改变消声器的内部结构以增加其工作容积，从而达到降低噪声的效果；②在原设计的基础上添加吸声材料，并将单层的外壳改为双层外壳的设计方案；③对汽车尾管的长度以及形状进行改造，由于汽车尾管产生的噪声是空气噪声和气流摩擦噪声组合而成的结果，因此通过减短汽车尾管的长度，使排气的方向由下方变成后方，从而达到降低噪声的效果.本文以某型号轿车为例进行设计，其基本参数如表1所示.

表1 某型号轿车基本参数Table 1 basic parameters of one certain type of vehicle

1.1 消声器容积设计

本文所设计的消声器应符合QC/T 631-2009(汽车排气消声器技术条件)的要求，在设计消声器的过程中，首先需要确定本次设计所要降低排气噪声的目标值，根据发动机排气噪声的大小，结合频谱特性曲线，假设汽车在正常行驶时，产生的噪声声源属于线性声源，则声音衰减ΔL量为[8]：

ΔL=101g(R1/R2)

(1)

其中：g为阻尼系数，取值1.72；R1为声源至受声点的距离；R2为线声源的长度.

根据该型号汽车的相关参数，可以确定本次设计过程中，车外加速行驶噪声限值La=74 dB(A)，按照汽车排气消声器性能试验方法QC/T630-2009可以确定R1=0.5 m，按照整车噪声实验规范可以确定R2=7.5 m，把上数值带入公式得ΔL=11.6(dB)：

消声器出口噪声限值Lm的计算公式[9]：

Lm=L+La

(2)

其中：L=11.6 dB，La=74 dB，把以上数值带入公式，得La=85.6(dB)

由于普通轿车的发动机排气声压级Lb为100 dB(A)，因此消声器的消声量Lmin为[10]：

Lmin>Lb-Lm

(3)

其中：Lb=100 dB，Lm=85.6 dB，得Lmin=14.4 dB.

根据所得的参数以及消声器的容积公式可得[11]：

(4)

其中：n为发动机最大转速，n=5 600 r/min；i为发动机缸数，i=3；τ为冲程数，τ=4；Vst为发动机排量，Vst=1.0 L；Q为与消声效果有关的修正系数，一般取2～6，Q值越大代表消声越严格，此处取Q=5；将以上参数带入式中得V=8.1 L.

1.2 消声器扩张比的确定

消声器的实际消声效果一般采用插入损失作为评价指标，即在噪声源和测点之间插入一个消声器时，在该测点所测得的消声器安装以前和以后的声压级差[12].消声器的扩张室与原管道截面积之比被称作扩张比(M)，对消声器的插入损失要求越高，扩张比的选择值就越大.消声器的扩张比选取可参考表2所示， 针对本文所设计的轿车，取扩展比M=13.

表2 消声器的扩张比推荐Table 2 Recommended expansion ratio of muffler

1.3 消声器进出口流量的计算

当气流的流速超过一定的限值后，其所产生的再生噪声会大大削减消声量，因此，在设计消声器时，一般采用控制消声器出口管径与进口管径一致的原则，从而控制气流的速度，表3所示为气流速度为70～80 m/s时各频率的减噪量，由上文中确定的消声器的消声量应大于14.4 dB，在此处可取气流最大速度为100 m/s.

表3 气流速度为70～80 m/s时各频率的减噪量Table 3 Noise reduction of different frequencies at air velocity of 70～80 m/s

消声器进口处排气流量一般可通过发动机进气流量Qi公式估算[13]：

Qi=0.03Vst×n×Vc

(5)

其中：Vc为充量系数，当n=5 600 r/min时，一般取Vc=0.80；将以上参数带入公式中可得Qi=134.4(L/s).

由文献[13]可得排气流量Q的计算公式为：

Q=(Tb+273)×φ×Qi/(Tδ+273)

(6)

其中：φ为常数，一般取φ=0.98；Tb为发动机的进口处排气温度，一般取Tb=250 ℃；Tδ为发动机的进气温度，取Tδ=28 ℃；将以上参数带入公式中可得Q=228.9(L/s)：

1.4 消声器尺寸设计

根据上文中所给出的参数可计算消声器进口直径Di为：

(7)

其中：vm为允许最大气流流速，查《汽车手册》取vm=100 m/s；将以上参数代入得Di=53.9 mm.因此，所设计消声器进口直径应大于53.9 mm，选型管径Di=55 mm.

副消音器一般为圆柱形，选取阻性消音器，由文献[14]可知阻性消声器进口直径：

Dm=Di×M0.5

(8)

将式(4)、(8)代入消声器长度计算公式可得：

(9)

因此，副消声器的内壳直径Dm=198 mm，长度L=263 mm.

后主消音器一般为椭圆柱形，选取的阻抗复合型消声器，椭圆柱的底面积为：

S=π×a×b，

(10)

其中：S为椭圆底面积；a为半长轴长，本次设计取a=110 mm；b为半短轴长，本次设计取b=80 mm；将参数代入可得后主消音器的内壳长轴A=220 mm，短轴B=160 mm，长度L=293 mm.

阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料，部分的吸收管道中传播的声能，对中、高频范围内的噪声有良好的消声效果如图1(A)所示；阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频都有较好的消声效果如图1(B)所示.

图1 消声器结构图Figure 1 structure diagram of muffler

2 汽车尾气四效净化器设计

目前汽油发动机主要依靠三元催化器净化尾气污染物中的CO、NOx和HC，然而三元催化器具有易堵塞、难再生、使用寿命短和成本高等缺点[14]，为满足严苛的排放法规，四效净化技术将成为净化汽车尾气有效的发动机后处理技术[15].本文将低温等离子体(NTP，Non-Thermal Plasma)与钙钛矿型(ABO3)催化剂结合，可有效净化汽车尾气中的PM、NOx、CO和HC[16].

本次设计参照北京绿创的轿车整体型三元催化器，进气管和排气管均选用55 mm的管径，管壁厚2 mm，选用不锈钢上下壳，结合面选用橡胶密封垫密封，管口采用密封环密封，保证密封性.为增加壳体刚度，壳体热冲压凸棱，壳体内安装密封件，保证气体全部流过整体式陶瓷蜂巢小孔，蜂巢陶瓷作为催化剂载体，其具有孔壁薄、表面积大、耐冲击和耐高温等特点，其结构如图2所示. 其中净化器壳体作为等离子发生器的外电极，催化剂载体作为放电介质，载体中插入高压电极线，以上三者构成介质阻挡放电反应器以产生NTP，电极线通过导线连接催化器壳体外的高压电源，其中壳体由左右两壳体通过密封法兰盘连接.

1—密封圈；2—进气口；3—密封套；4—蜂巢陶瓷；5—高压电极线；6—出气口； 7—固定螺栓；8—绝缘塞图2 四效汽车尾气净化器结构图Figure 2 Structure of four-way purifier of automobile exhaust

3 排气系统总体布置

根据汽车设计相关要求，布置排气系统的工作需要依照一定的次序进行，首先是净化器，其次是前副消声器和后主消声器，最后采用排气管将以上部件依次序连接，为了使车辆避免在行驶的过程中由于发动机振动而导致的排气系统振动从而与系统周边的零部件物体发生碰撞造成损坏，在布置安装过程中，还需要注意排气系统与周边零部件物体要保持一个合理的安全间距，通常是25 mm.除此之外，横置发动机在布置安装时，它的排气歧管罩由于本身特性的影响，与周边零部件或物体的安全间距应保持不小于35 mm，同时考虑发动机排量的大小对排气歧管、散热器和冷凝器及风扇的热间距的影响.布置排气系统时，系统中的各个部分的布置位置必须高于最小离地间隙的边界，以免发生碰撞造成排气系统的损伤；排气系统中的其余部分不得低于前边界面、侧边界面、后边界面；排气系统尾管的管口不得指向车辆右侧；排气系统尾管的管口最好朝向地面或保持水平，以便于排水以及防止水倒灌入排气管[17].

在确定排气系统悬挂方式时，首先选取吊钩位置和补偿器，然后确定排气管的连接方式，综上所述本文所设计的排气系统布置如图3所示.

1—排气歧管；2—连接螺栓；3、7—法兰盘；4、6、9、11—排气管；5—四效净化器；8—前消声器；10—主消声器图3 排气系统布置结构图Figure 3 Structure of exhaust system layout

4 结 语

本文采用理论分析与数值计算的方法，针对某型号汽油发动机，设计了汽车排气系统的消声器和尾气净化器，并根据汽车设计的相关要求，确定了排气系统的布置形式.本文所设计的汽车排气系统采用主副两消声器可有效降低不同频率的噪声，其消声效果可满足QC/T 631-2009(汽车排气消声器技术条件)的要求；其尾气净化器将NTP与催化技术相结合，可实现PM、NOx、CO和HC的同时净化；从装置结构上看，该排气系统具有使用寿命长、降噪效果好、排气背压低以及净化效率高等优势.