耦合技术用于车用消声器性能仿真与试验研究

李冰 单炜

摘 要：针对现有车辆排气系统净化效率较低，无法有效改善车辆运行期间带来的空气污染、噪声污染等现象，本文提出复合等离子体技术与纳米光催化技术的车用消声器优化设计，并利用有限元分析软件进行优化后消声器流场及耦合振动特性分析。仿真结果表明：尾气气流对消声器的振型影响不大，且主要影响集中在低频区;耦合前后，主消声器主要振型皆为摆动和扭转，且整体没有出现明显气阻现象。通过试验进行复合等离子体与光催化净化技术的车用消声器声学性能和净化性能测试，试验结果表明：复合等离子体与光催化净化技术车用消声器在0～5 000 Hz 频段内，消声器整体插入损失为17 dB，整体消声效果良好;在等离子体与光催化协同净化的作用下，其NOx的净化效率最小为20.51%，最大净化效率可达47.76%，并且NOx质量分数在怠速状态可下降至0.74×10-6。这表明基于复合等离子体与光催化净化技术的车用消声器实现了系统良好的消声性能和净化性能。

关键词：车用消声器;等离体子净化;纳米光催化净化;数值模拟;消除声音的性能;净化性能

中图分类号：S776.26 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）06-0135-08

Abstract：In view of the existing vehicle exhaust system purification efficiency is low， and cannot effectively improve the air pollution， noise pollution and other phenomena during the operation of the vehicle， the optimum design of vehicle muffler based on composite plasma technology and nanometer photocatalysis technology is presented in this paper， and the flow field and coupling vibration characteristics of the optimized muffler are analyzed by using finite element analysis software. The simulation results show that the exhaust gas has little influence on the vibration mode of the muffler， and the influence is mainly concentrated in the low frequency region. Before and after coupling， the main vibration modes of the main muffler are swing and torsion， and there is no obvious gas resistance. Finally， the acoustic performance and purification performance of the vehicle muffler using the composite plasma and photocatalytic purification technology are tested. The test results show that the overall insertion loss of the vehicle muffler is 17dB in the frequency band of 0～5000Hz， and the overall noise elimination effect is good. Under the synergistic action of plasma and photocatalysis， the minimum and maximum purification efficiency of NOx is 20.51% and 47.76%， and the NOx concentration can be reduced to 0.74×10-6 at idle speed. It shows that the muffler based on composite plasma and photocatalytsis purification technology has achieved good performance of noise elimination and purification.

Keywords：Vehicle muffler; plasma purification; nanometer photocatalysis purification; numerical simulation; eliminate noise performance; purification performance

0 引言

隨着我国汽车保有量的增加，汽车在给人们的生活带来便利的同时也带来了严重的社会问题，比如大气污染、汽车噪声污染和能源紧缺等。目前针对车辆尾气排放治理的主要方法还停留在传统的改进可燃混合气的品质、改进燃烧室结构、优化进气配时以及采用三元催化转换器、废气再循环系统等。以上的传统治理方法的整体效果已基本达到上限，为进一步提升车辆排放尾气治理技术与水平，利用消声器来净化车辆排放尾气得到了广泛的关注，同时基于消声器的车辆尾气净化技术理论也得到了快速发展。

当前对于消声器净化车辆排放尾气的相关研究主要集中在消声器结构设计及性能优化两大方面。国内外大量的研究探索了消声器的声学性能及空气动力学性能，从而优化消声器结构设计及性能。在消声器声学性能方面，Desantes等[1]基于试验过程中发现的平均流速与穿孔声阻抗的相互作用关系，成功对穿孔管消声元件孔内存在横向流的穿孔声阻抗经验公式进行了推导;Munjal等[2]运用新的研究手段——有限元法和边界元法，分析了实际温度变化在声波传播过程中的影响，并得到了理想的试验结果;李剑虹[3]曾详细研究了消声器消声性能与消声穿孔管单元之间的关系，并优化设计了穿孔管单元的结构参数，具体包括穿孔孔径、穿孔的长度等参数;王志强等[4]则利用声学传递矩阵对多级插入式消声器的插入损失进行了理论值计算求解;肖旻[5]、牛宁等[6]则建立了共振穿孔消声器的传递矩阵，并分析了其传递损失。在消声器空气动力学性能方面，朱福[7]利用CFD（Computational Fluid Dynamics）研究方法，对消声器内部的消声三维声场进行了理论分析和仿真计算，其结果表明，通过传递损失的 CFD 仿真值和频域有限元理论计算值相对照分析，发现其结果较为一致，同时，在三维声场的模拟仿真过程中，还得到了消声元件内部的动态声能消耗变化过程;Tomita等[8]、朱中辉等[9]则通过应用Fluent软件（一款计算流体动力学的软件）模拟了汽车排气系统的内部气流流场，分析了排气流速和压力损失之间的复杂关系，得到了扩张腔长度、入口排气流速和穿孔率等参数对压力损失影响的变化规律;许自顺等[10]、尹潞刚[11]利用 CFD 软件建立了消声器内部的“三场”（流场、温度场和压力场）模型，并进行了模拟仿真，计算得到了压力损失的大小;此外，考虑到对于汽车噪声的研究带来的实际价值，许多著名的车企（通用、大众、丰田、沃克等）也进行了汽车噪声的研究，比如，通用公司设计开发带有三元催化转化装置的排气消声器，同时配合有氧气传感器，以实现对排气净化效果的反馈调节。

通过以上分析发现，当前对于消声器净化车辆排放尾气的相关研究主要集中在消声器结构设计及性能优化等方面，很少有通过耦合新技术手段来提升消声器净化车辆排放尾气的研究。为此本文采用有限元仿真的方法，研究分析消声器的模态、流场和耦合振动特性的关系;同时采用复合等离子净化、纳米光催化净化技术进行消声器净化性能设计，以实现对车辆排放尾气有效处理;最后，对所设计的复合等离子体与纳米光催化净化技术的车用消声器进行了声学性能和净化性能测试，以表征复合等离子体净化技术车用消声器的降噪、净化性能。

1 消声器结构设计及相关参数

1.1 结构设计

图1为具有净化减排效能的消声器的设计，该排气消声器由消声元件扩张腔Ⅰ、扩张腔Ⅱ、扩张腔Ⅲ、内插管和等离子体结构等组成，其中，等离子结构插入内插管内，随附着在内插管内壁的纳米TiO2发生光催化净化反应（等离子体结构和内插管内壁附纳米TiO2实物如图2所示）。车辆排放尾气先从消声器进口流入扩张腔Ⅰ，实现一级扩张;接着穿过内插管和过渡孔进入扩张腔Ⅱ，实现二级扩张;然后经过内插管流入扩张腔Ⅲ，实现紧密收缩与三级扩张;最后气体通过消声器出口流出。

1.2 结构参数

排气消声器相关参数见表1。

2 消声器模态、流场、耦合振动特性数值模拟

等离子体结构和附在内插管内壁的纳米TiO2的加入有助于消声器净化效能的提升，但是这是否会影响正常排放气流在消声器中的流动，是否存在气场流动干涉等现象，为此进行了具有降解功效的消声器流固耦合动力学特性分析。

2.1 消声器网格划分

利用CATIA（一种三维图形设计软件）建立三维实体模型，再转换格式，将其导入到ANSYS Workbench软件中进行处理分析，对消声器模型进行了网格划分，其中在保证网格质量的基础上，考虑消声器进出口处计算数据变化梯度的影响，为了较好地反映数据变化规律，采用了比较密集的网格。如图3所示。

2.2 消声器初始条件

采用Engineering Data中的材料及其参数，也可以根据实际情况定义新材料。本文选用的材料为结构钢（structural steel），其密度为7 850 kg/m3，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3[12-13]。

根据牛顿理论，假设排气系统内为牛顿流体，密度ρ=1.185 kg/m3，动力黏性系数为μ=1 831×10-5 N·s/m2。

基于流体动力学、马赫数确定气体是否可以压缩。马赫数等于声速与流速的比，即：150÷711.26=0.21<0.3，因此消声器内为不可压缩气体。

依据雷诺数判断气体是否为湍流，雷诺数Re=ρvdμ，其中管径d=40 mm，当Rek=12 000时，临界速度为v=3.566m/s。

设定进气口边界条件为气体流速60 m/s、静态压力为0 Pa。

2.3 消声器仿真性能分析

（1）消声器内流场仿真

图4为流经消声器气体3D流线云图，速度流线图反映了消声器内气体流动动态变化趋势。

由图4可知，气体从进气管进入，在进气管端口处，由于等离子体反应器的存在使得气体流动空间缩小，气体流速上升。随后一部分气体从进气消声管上的穿孔流出，速度上升，进入第Ⅱ腔，进入排气管或者第3消声管。另一部分气流进入第Ⅰ腔和第Ⅲ腔，由于第Ⅰ腔空间较大，气流速度下降。接着进入第Ⅰ腔的气流碰触消声器壁，进入第3消声内管。进入第3消声内管内的气流，通往第Ⅰ腔，碰触消声器壁后，流入排气管排出。從整体看，消声器内气流存在局部涡流现象，该现象有助于等离子体产生的等离子体与气流反应，有利于提高反应效率。

图5为排气系统的压力分布云图，由图5可知，基本上每个腔室都会消减进气管内的压力。3个腔室内压力变化不太明显，进气管压力约为18 kPa，排气管压力约为13 kPa，整体约下降5 kPa左右。其原因为气流在管道和腔室内流动时，速度变化大，造成部分能量损失。

（2）流固耦合振动特性

消声器内的流固体耦合旨在考查流场作用下变形固体的各种行为以及固体变形对流场影响等相互之间的作用效果[14-16]。表2为消声器无耦合和耦合模态参数值对比情况，在低频阶段（<200 Hz），气体对主消声器模态参数有明显的影响，消声器耦合后模态参数比无耦合时增加。模态参数的增加，对于发挥消声器降噪、减排净化性能的影响如图6所示，图6为消声器无耦合和耦合振型情况。由图6可知，气体对主消声器的振型影响不大，且主要集中在低频区，耦合前后，主消声器主要振型都为摆动和扭转，满足对于车用消声器使用过程中的振动冲击要求。

3 消声器性能分析试验验证

试验主要测试消声器的降噪、减排性能，考查消声器的插入损失情况和净化情况，以评价基于等离子净化技术消声器的声学和减排性能。

3.1 消声器降噪、减排性能评价指标

通常采用插入损失来评价消声器降噪性能，用净化效率来评价消声器净化减排性能[17-20]。

消声器插入损失的定义为消声器的插入损失，是指消声器安装前、后待测点在一定时间内平均声压级的差值。消声器插入损失（公式中用IL）计算公式为：

式中：LP1、LP2分别为消声器安装前、后待测点的平均声压。

净化效率计算公式为：

式中：η为净化率;CN为净化器未工作时尾气中NO含量，10-6;CY为净化器工作后尾气中NO含量，10-6。

3.2 声学性能测试

测试过程中排气消声器、排气管的长度、管径、形状和弯曲度在台架上的安装都尽可能地模拟实车使用时的状态。在与排气出口轴向成45°方向上500 mm处，放置的传声器应指向排气口，如图7所示。测点距地面高度、距非反射面大于1.2 m。

使用1型声级计（2个）固定在假想线180°两端测量声压级，其两端声压级测量结果差值应小于2 dB。记录所有测量结果数值，数据处理取平均值，试验如图8所示。

图9为发动机在额定转速3 600r/min时，所设计消声器的插入损失测试结果。由图9可见，在0～5 000 Hz的整个频段内，消声器整体插入损失大于17 dB，在0～1 000 Hz的频段，插入损失为11 dB，在1 000～3 000 Hz的频段，插入损失为16 dB，在3 000～5 000 Hz 的频段插入损失大于20 dB，整体消声效果最好。这表明，阻抗复合式消声器的设计，首先，利用管道截面的突变，使沿管道传播的声波避过消声器向声源处反射，从而使声能反射回原处，达到一定消声的目的;其次，管壁小孔内的空气柱具有一定的声质量，孔颈口由于截面突变具有一定的声阻抗，密闭的空腔具有一定的声容，构成一个动力吸振系统，当声波传到孔径时，孔内空气柱像“活塞”一样振动起来，一部分声能通过空气与腔壁的摩擦转换为热能耗散掉，另一部分由于截面面积突变反射回声源方向，从而达到再次消声的目的;最后，等离子结构和附在内插管内壁的纳米TiO2的加入，车辆排放尾气经过内插管时，等离子体反应过程中气隙间的电场强度越高，放电空间中产生的微放电数量就越多，这使得微放电强度增加，空间中的传输电荷量随之增加，放电空间发生的等离子体化学反应的效率提高。这在降解车辆排放尾气的同时，衰减了尾气在管内的流速，降低了尾气的动能，使得更多的能量被耗散和分解，从而促进了系统的消声性能。

3.3 净化性能测试

测试之前，首先将AUTO5-1型汽车尾气分析仪调零，消除排气系统残留气体的影响;然后将尾气分析仪自带采集传感器插入到消声器尾管中;测试过程中，纪录采集车辆排放尾气的污染物气体数据。

试验系统如图10所示，其净化试验结果如图11所示。由图11可以发现，在没有等离子净化或光催化净化措施的状态下，通过消声器的尾气体积分数（NOx体积分数）均高于有等离子净化或光催化净化措施的状态下的尾气体积分数。通过表3可知对比无任何净化措施与仅有等离子体净化措施的排放结果可以发现，当等离子体反应器工作后， NOx净化率最小为7.45%，最大净化率为38.81%，说明等离子反应器确实起到净化作用;对比无任何净化措施与有等离子体净化+光催化净化措施的排放结果可以发现， NOx净化率最小为20.51%，最大净化率为47.76%，说明等离子与光催化联合起到了净化作用，并且NOx在怠速状态可下降至0.74×10-6。这表明等离子体与N-TiO2光催化的耦合作用进一步加强了消声器的净化效果，原因是等离子体耦合光催化实现NOx降解的途徑主要有3条：第一是电场能量直接作用于NOx分子，使其更易分解;第二是释放的等离子体，主要包括高能自由电子、氮的亚稳态以及氮的高振动激发态直接与氧气和水分子碰撞后产生的羟基自由基与活性氧原子等高活性自由基，这些活性自由基与NOx分子发生反应而分解NOx;第三是氮的亚稳态及氮的高振动激发态发出的紫外光可合理利用激活光催化剂（纳米N-TiO2），在催化剂表面发生类似于光催化的氧化反应降解NOx。

4 结论

为了解决汽油发动机所造成的综合污染问题，本研究结合消声器的设计原理，将等离子体净化技术、纳米材料净化技术应用到消声器中，并通过有限元软件对其进行仿真优化，最后搭建试验台进行降噪、减排试验。具体结论如下。

（1）复合等离子体净化技术、纳米光催化净化技术消声器的气体流动、振动数值模拟表明：气体对消声器的振型影响不大，且主要集中在低频区;耦合前后，主消声器主要振型都为摆动和扭转，且整体没有出现明显气阻现象。

（2）复合等离子体净化技术、纳米光催化净化技术消声器的插入损失试验显示，所设计的主消声器整体插入损失为17 dB，在0～1 000 Hz 的频段插入损失11 dB，在1 000～3 000 Hz 的频段插入损失为16 dB，在3 000～5 000 Hz 的频段插入损失大于20 dB，整体消声效果较好。

（3）复合等离子体净化技术、纳米光催化净化技术消声器的净化性能试验显示，在等离子净化或光催化净化措施的状态下，NOx降解效果明显，其中复合等离子体净化和纳米光催化净化，最大净化率高达47.76%，净化效果理想。

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