排气系统消声器设计技术规范.docx

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排气系统消声器设计技术规范

排气消声系统设计技术规范

一、主题与适用范围

1、主题

2、适用范围

二、排气消声系统的总称说明及功用

三、设计应用

1、设计规则和输入

2、设计参数的设定

2.1尺寸及重量

2.2排气背压

2.3功率损失比

2.4净化效率

2.5加速行驶车外噪声

2.6插入损失及传递函数

2.6.1插入损失

2.6.2传递函数

2.7尾管噪声

2.8定置噪声

2.9振动

3、系统及零部件的设计

3.1系统布置

3.1.1布置原则

3.1.2间隙要求

3.1.3吊钩位置的选取

3.1.4氧传感器孔的布置

3.2消声器的容积确定

3.3排气管径的选取

3.4消声器

3.4.1消声器的截面形状

3.4.2消声器内部结构

3.5补偿器

3.5.1波纹管

3.5.2球形连接

3.6橡胶吊环

3.7隔热部件

3.8材料选择

3.8.1排气管、消声器内组件

3.8.2消声器外壳体

四、参考文献列表

一、主题与适用范围

1、主题:

本指南规定了与汽车发动机相匹配的排气消声系统的系统匹配，零部件设计。

2、适用范围:

本指南适用于装汽油M1、N1类车的排气消声系统设计。

二、排气消声系统的总成说明及功用

排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置、隔热部件、弹性吊块等。

一般地，排气系统具有以下一些功用：

（1）引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；

（2）由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声,因此在排气系统装有排气消声器来降低排气噪声；

（3）降低排气污染物CO,HC,NOX等的含量，达到排气净化的作用；

典型的排气消声系统如图1所示：

图1

三、设计应用

1、设计规则和输入:

1.1排气系统能很好的将废气顺畅排出，满足发动机的排气背压，功率损失比的要求。

1.2排气系统设计能满足现行中华人民共和国法规要求，具体如下：

QC/T57－1993汽车匀速行使车内噪声测量方法

GB16170－1996汽车定置噪声限制

QC/T631－1999汽车排气消声器技术条件

QC/T630－1999汽车排气消声器性能试验方法

GB1495－2002汽车加速行使车外噪声限值及测量方法

QC/T58－93汽车加速行使车外噪声测量方法

GB18352轻型汽车污染物排放限值及测量方法

GB14365-93声学机动车辆定置噪声测量方法

GB/T4759-95内燃机排气消声器测量方法

1.3排气系统零部件必须能经受1000℃的高温要求以及气流冲击，并保证排气系统可靠性达到10万公里或者三年（先到者为准）的要求，并要求在三包期内插入损失不得减少6dB（A）以上，功率损失不得增加3%以上。

1.4排气系统必须满足顾客对噪声的要求，在整个频率范围内应有足够的消声量，同时力求避免产生气流再生噪声。

1.5消声器在满足消声量的前提下要体积小，重量轻，便于安装和维修，有一个较好的价格性能比。

除消声器几何尺寸和管路走向应符合装车的要求外，消声器的尾管应美观大方，表面装饰应与车的总体造型相协调。

2、设计参数的设定

2.1尺寸及重量

尺寸和重量需根据产品所要达到的性能要求以及底盘空间位置来确定，但是在满足性能要求的基础上，做到尽量小为最好。

2.2排气背压

排气背压指发动机装上整套排气系统后，按QC/T524-1999设定测点测得的压强（离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游75mm处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁齐平，误差不大于±0.2kPa）。

排气背压越高，排气阻力越大，充气效率也就越低，发动机功率、扭矩损失也越大。

一般来说，考虑到发动机的功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体的排气背压要求。

对自然吸气发动机，排气背压一般设定在30±5kPa。

对增压发动机，排气背压一般设定在40±10kPa。

一般认为消声器的压力损失由两部分构成：

一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失，两者都是由于流体运动时克服粘性切应力作功引起的。

局部阻力损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变的地方，大小取决于局部结构型式、管道直径和气流速度，与消声器截面扩张比有关，即m=s2/s1。

沿程阻力损失发生在消声器管道壁面，其大小取决于管壁粗糙度及气流速度Ｖ的大小，而管道直径和气流速度是密切相关的，所以管径的选取至关重要。

所以，通常排气系统应该尽可能地设计成简单的走向，而避免过度弯曲的形状。

2.3功率损失比

消声器的功率损失比是发动机在标定工况下，使用消声器前后的发动机功率的差值和没有使用消声器时功率值的百分比。

γ＝[（P1－P2）/P1]×100％

对于γ值，QC/T631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为<8％，我们一般设定为<5％。

2.4净化效率

根据尾气排放标准的要求，一般要求排气系统对发动机排气的净化率（净化前后排气的污染物HC、CO、NOx含量之比）要求在90%以上。

2.5加速行驶车外噪声

汽车加速行驶车外噪声需满足现行中华人民共和国的法规规定要求，其具体测量方法和限值见GB1495－2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》和QC/T58－93《汽车加速行使车外噪声测量方法》。

汽车加速行使车外噪声是一个整车噪声衡量标准，影响汽车加速行使车外噪声的因素主要有三/四个：

发动机本体噪声，进气系统噪声、排气系统噪声和车胎-路面摩擦噪声，并且将来车胎-路面摩擦噪声会越来越重要。

各系统在满足各自的要求的基础上尽量做到更好的噪声水平。

现行标准规定2005.1月以后生产的M1类汽车加速行驶车外噪声限值是74dB（A），以下几点要特别说明：

1、M1类汽车如果装用直喷式柴油机，其限值增加1dB（A）；

2、对于越野汽车，其最大总质量大于2t，如果额定功率＜150kW，限值增加1dB（A），如果额定功率≥150kW，限值增加2dB（A）。

3、M1类汽车，变速箱前进档多于四个，P＞140kW，P/GVM＞75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度大于61km/h，其限值增加1dB（A）

通过噪声在汽车产品开发中非常重要，针对不同的市场，要达到不同的通过噪声标准，所以在产品概念设计阶段就必须要确定通过噪声的目标值。

同时还要考虑到未来几年的规定变化，这方面可参照欧美法规，欧共体的标准是最严格的，不远的将来汽车通过噪声标准可能为71dB（A）。

2.6插入损失以及传递函数:

2.6.1插入损失:

消声器的插入损失为装置消声器前后，通过排气口辐射声功率级（或者声压级）之差。

D＝L1-L2

对于D值，由于各发动机的噪声水平以及整车类型不同，所以插入损失的目标值也不同。

QC/T631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为>28dB，JB/T5081-91《中小功率柴油机消声器技术条件》规定功率损失在小于5%时，插入损失应≥25dB。

我们要求在发动机各个转速下的插入损失均大于32dB。

与传递损失只考虑消音元件本身不同，插入损失是考虑一个系统。

也就是说除了消音元件本身外，插入损失还包括了声源和出声口（如进气口和排气尾管）的声学特征，因此这种方法是描述整个系统消音效果的最佳表达方式。

2.6.2传递函数:

排气系统传递函数是指空气介质传播所引起的声功率的差值，传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性，它只与自身的结构有关。

在评价单个消音元件的消音效果或者初步评估系统的消音性能时，通常用传递损失。

传递损失是评价消音元件消音效果最简单的一种方法，具体测量方法如下：

图2

排气系统由排气管，副消声器、主消声器组成，如果有三元催化器，则应该同时带上;激励体声源（能发出频率为20Hz－20000Hz的声源）放置于排气管的入口端，并用橡胶管与排气管相连。

参考麦克风放置与前端橡胶管上，并在内部接受体声源发出的声功率级;

接收麦克风放置于消声器的尾部，接收经过排气系统传递后的声功率级;

对于传递函数的目标值，根据整车对噪声水平的要求，其设定值也不相同，一般的，我们设定按图3：

图3

图中红线为传递损失的限值，在每个频率下的传递函数的值均在红线下部。

根据整车的噪声水平和发动机的类型不同，可对该红线位置进行调整。

2.7尾管噪声（三档节气门全开加速）

排气系统尾管噪声是衡量排气系统消声效果的一个主要性能指标。

尾管噪声的测量方法见图4：

图4

尾管噪声的目标设定如下：

在急加速和急减速的情况下，整车载荷为70KgX2，按上述方法进行测量的尾管噪声见图5：

当发动机转速为1000-2000rpm时，噪声值为82dB（A），当发动机转速为5000rpm时，噪声值为92dB（A），当发动机转速为6000rpm时，噪声值为97dB（A）。

图5

在急加速和急减速的情况下，整车载荷为70KgX2，按上述方法进行测量的二阶尾管噪声见图6，四阶尾管噪声见图7，六阶尾管噪声见图8，八阶尾管噪声见图9。

图6

图7

图8

图9

对于以上尾管噪声曲线，可以根据不同车型所要达到的噪声水平的不同进行调整。

2.8定置噪声

定置噪声限值按国标GB16170－1996《汽车定置噪声限制》执行，我们要求定置噪声≤85dB（A）。

试验方法按国标GB14365-93《声学机动车辆定置噪声测量方法》进行；定置是指车辆不行使，发动机处于空载运转状态，定置噪声可评价、检查机动车辆的排气噪声水平，不能表征车辆行使最大噪声级。

2.9振动

排气系统一端与发动机相连，一端通过挂钩与车体相连。

发动机的振动传递给排气系统，然后在通过挂钩传给车体。

车体的振动通过座椅、方向盘和地板直接传给顾客，同时车体的振动也会幅射出去，在车内产生噪声，所以控制传到车体的力是排气系统振动控制的最重要的目标之一。

排气系统的振动源主要有四个：

发动机的机械振动、发动机的气流冲击、声波激励和车体的振动，车体的振动传递方向与前面三种相反，车体振动会通过挂钩传递到排气系统，这种传递会逆向传递到发动机，从而加大了发动机的振动。

为了控制排气系统的振动，在进行排气系统设计时要注意以下几点：

1、要避免与整车固有频率范围重合，应尽量做到差距越大越好，一般地，车身固有频率在25Hz－34Hz之间，因此排气系统振动频率不能设计在这个范围内。

2、在设计排气系统时，要使得其模态越少越好。

如果模态太多，那么系统某些频率很容易被激励起来，振动容易被传递到车体。

通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，而尽量避免弯曲的形状。

3、合理选择挂钩的位置，且挂钩的刚度要满足下面的要求：

支架频率=（≥发动机最大转速x发动机的汽缸数目）/120

4、波纹管和橡胶吊块的设计对排气系统的振动控制至关重要。

3系统及零部件的设计

3.1、系统布置

3.1.1布置原则

一个完整的排气系统，从前到后，一般布置次序是：

预催化器、补偿器（波纹管）、主催化器、前消声器、后消声器。

排气管用于连接以上不同部件。

排气管分段以及连接方式主要根据安装和维修方便确定。

如果补偿器采用球面法兰，一般不把球面法兰布置在催化器之前。

对于满足欧Ⅱ及以下排放标准的排气系统，由于欧Ⅱ标准不涉及冷启动阶段的排放限制，所以一般可不采用预催化器而只采用一个主催化器。

对于满足欧Ⅲ及以上排放标准的排气系统，一般在排气歧管出口处布置预催化器（即CCC，ClosedCoupleCatalyst）或者在预催化器前的排气管段采取良好的保温措施。

主催化器一般布置在车身底板下，所以又叫底板下催化器（UnderFloorCatalyst）。

消声器有一级、二级、三级之分。

二级消声应用最多，SUV、跑车等追求动力性的车辆一般才采用一级消声器。

对于二级消声，我们将其分别称为前消声器和后消声器。

根据声学原理，消声器摆放在不同的位置，将产生不同的消声效果，一般地，推荐如下的消声器摆放位置（见图10）：

图10

3.1.2间隙要求

排气系统与各相邻部件地间隙关系见图11：

图11

各相邻部件耐温在150℃以下的越远离排气系统越好，相对产生运动部件最少保证与排气系统的间隙大于25mm，同时要保证最小离地间隙符合整车布置要求。

3.1.3吊钩位置的选取

排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则：

（1）、吊钩应该位于振动的节点上；

（2）、吊钩应该在纵向能够延伸；

（3）、吊耳应该位于车身结构的刚性处。

对于排气系统吊钩位置的选取必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各阶模态分析（见图12）来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处的刚性。

图12

3.1.4氧传感器孔的布置

有时氧传感器孔需要布置在前管总成或前消声器总成上，由电控部门确认氧

传感器孔的位置区域，根据装车空间垂直管面布置氧传感器孔（如下图所示），垂直布置能使氧传感器更多地接触尾气，比较真实、敏捷地反映出尾气中氧离子的浓度信息，从而使ECU能够更好的进行理论空燃比的反馈控制，改善排放。

尽量不要倾斜布置，氧传感器螺母倾斜会造成排放结果不稳定。

3.2消声容积的确定

消声容积指排气系统所有消声器的容积之和。

消声器的容积决定了其消声量，因此容积确定的正确与否，将直接影响到整车的噪声水平。

一般要达到理想的消音效果，消音容积要是发动机汽缸体积的10倍左右。

由于消声器的容积主要根据发动机的最大功率和扭矩决定，我们通常采用以下公式：

Ｖm＝k×P

Ｖm＝消声器的容量（L）K＝0.14P＝输出功率（Ps）

功率单位是马力，1Ps=1.36×1kW

根据不同车型对噪声的要求水平，K可选0.10～0.20之间不同的值。

图13为消声器容积

与发动机功率之间的关系。

我们尽量将消声器的容积控制在红线附件，不能超出蓝线范围。

图13

通常讲，消音容积越大，消音效果就越好，当然其背压也就越大，功率损失增加。

但是当消音容积增加到一定的时候，其消音效果的增加慢慢趋缓，如下图所示。

3.3排气管径的选取

为获得良好的噪声和低的背压，在排气管和消声器内的排气流速应分别低于0.35c和0.25c（c—声速），我们可根据此要求来计算排气管的最小管径。

假设某发动机最大排气流量为m（kg/h），排气温度为T（K），压力为P（Pa），在温度T和下气流密度为ρ（kg/m3），声速为c（m/s）。

则排气管最小流通面积Smin为:

Smin=m/900cρ。

3.4消声器

消声器一般要求有大的消声量和消声频率范围，小的排气阻力（即排气背压）和良好的耐久性（3年或者10万公里无异常）。

3.4.1消声器的截面形状

消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选择如图14的规则

图14

3.4.2消声器内部结构

消声器内部结构的设计是一个很复杂的课题。

按消声器的消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器三类。

阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料，利用声波在多孔性吸声材料中传播时，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，部分的吸收管道中传播的声能从而达到消声的目的，类似电路中的电阻的作用。

这类消声器的特性是在中、高频范围内有良好的消声效果，对低频消声性能较差。

阻性消声器的传声损失与吸声材料的声学性能、气流通道周长、断面面积以及管道长度等因素有关，结构示意如下所示：

抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔，靠管道截面的突变或旁接共振腔等在声传播过程中引起引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉，一部分声能被反射回声源，这样传递声能减少，从而降低所输出的声能，达到消声目的。

抗性消声器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，高频较差。

抗性消音器主要包括扩张消音器和旁支管消音器，旁支消音器通常包括赫尔姆兹消音器、四分之一波长管。

赫尔姆兹消音器传递损失频带比四分之一波长管的消音频带要宽一些。

赫尔姆兹消音器通常用来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除频率比较高的噪声。

扩张室式消声器是抗性消声器最常用的结构形式，也称膨胀式消声器。

它是由一个主要腔室和两边与之相连接的管道组成的，其最基本的形式是单节扩张室消声器，如下图所示：

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。

在实际噪声控制工程中，噪声以宽频带居多，通常将阻性和抗性两种结构消声器组合起来使用，以控制高强度的宽频带噪声。

目前的汽车消声器的设计中，主要结构采用抗性消声原理，而在其中某些结构则采用阻性原理，而这些阻性消音器也往往是与抗性消音器做成一体而成为混合消音器。

典型如图15所示：

图15

阻抗复合式消声器的传递损失可以认为是阻抗与抗性在同一频带内的消声量相叠加，但由于声波在传播过程中具有反射、绕射、折射和干涉等性能，所以消声值并不是简单的叠加关系，尤其对于波长较长的声波来说，当消声器以阻性、抗性的形式复合在一起有声的耦合作用，因此互相有影响。

在实际应用中，阻抗复合消声器的传递损失是通过实验或现场测量确定。

3.5补偿器

补偿装置是排气系统减振降噪的一个重要部件，同时也是提高排气系统使用寿命的重要部件。

它把由发动机引起的振动及扭转进行吸收，从而降低排气系统的振动传递，同时改善排气系统的受力，提高使用寿命。

它所吸收的振动主要来自以下三个方面：

1、减少或吸收由于载荷变化、路况所引起的运动；

2、减少由于发动机惯性力所引起的振动；

3、隔离传到排气系统的发动机产生的结构噪声；

我们常见的补偿器有两种形式：

波纹管和球形连接。

3.5.1波纹管

典型的波纹管如图16所示:

悬挂系统分为两种，一种是断耦式，另一种是半断耦式。

断耦式，就是采用柔性极高的波纹管（如采用0.25mm/层×2层的波纹管结构或者波纹管相当长）将发动机与排气系统的振动和晃动完全阻隔开。

断耦式的波纹管不起承载作用，所以波纹管后段的排气系统需设计前后左右上下六方向位移皆有极好限制作用的悬挂。

半断耦式，就是采用强度较大的承载式波纹管（如采用0.4mm/层×2或3层的波纹管结构），发动机的振动和晃动有部分传递到排气系统。

采用半断耦式的排气系统，吊环一般设计的偏软，并且对前后位移的限制作用不是很明显。

图16

3.5.2球形连接

球形连接的零件图纸见图17（球形密封垫），图18（螺栓），图19（弹簧）

图17

图18

图19

球形连接具有空间小的特点，同时能很好的起到补偿作用，现越来越被广泛采用。

对于球形连接的设计，必须满足以下的技术要求;

1、在49kPa（0.5Kgf/cm²）压力下，漏气量小于0.79L/min。

2、在振动角为±6°，振动频率为2.5Hz，所受振动力为980±98N，温度为700±10°C的条件下，完成振动次数为100~104次。

3.6橡胶吊环

图20所示为汽车排气系统常用橡胶吊环。

图20

橡胶吊环有如下作用：

1、将排气系统与车身相连；承担排气系统的自重，并限制排气系统在各个方向上的自由度和晃动；

2、尽可能的将排气系统的振动隔离，使之尽可能少的传递到车身上。

鉴于此，一般地，橡胶吊环采用材料为EPDM。

3.7隔热部件

如果需要，根据具体位置选取隔热装置，一般采用镀铝隔热板，其性能达到的要求为：

隔热板两边的温差达到150℃。

3.8材料选择

消声器的材料应坚固耐用，特别要具备耐高温、耐腐蚀等特殊要求；并要求机械性能好，工作可靠，使用寿命长；壳体及隔板刚度要好，以防激发产生强烈振动，辐射出噪声。

3.8.1排气管、消声器内组件

由于汽油燃烧后产生NOx,硫化物，水等，冷却后将形成酸，并部分积蓄在消声器内，对排气系统容易产生腐蚀，因此，排气管、消声器端盖、内部隔板、内部消声管以及消声器筒体内层最常用的材料是SUH409和SUH409L，为了更好的保证消声器的使用寿命，最好在后消声器端盖上设计放水孔，以便把生成的酸性溶液及时排出。

3.8.2消声器外壳体

考虑到耐腐蚀性的要求比内层低，以及重量和经济性，消声器筒体外层一般采用镀铝板SAID-80.

3.8.3阻性消声器一般还要用到吸声材料，若消声器中有纤维材料，在欧盟的认证试验中做噪声试验时，在试验前需要完成1万公里老化路试；所以在做出口的项目时，要对吸声材料的耐久性进行验证。

四、参考文献

1、汽车构造第三版吉林工业大学汽车工程系陈家瑞主编

2、QC/T57－93汽车匀速行使车内噪声测量方法

QC/T58－93汽车加速行使车外噪声测量方法

GB1495－2002汽车加速行使车外噪声限值及测量方法

GB14365-93声学机动车辆定置噪声测量方法

GB16170－1996汽车定置噪声限制

QC/T631－1999汽车排气消声器技术条件

QC/T630－1999汽车排气消声器性能试验方法

GB/T4759-95内燃机排气消声器测量方法

JB/T5137-91小型汽油机排气消声器技术条件

GB18352轻型汽车污染物排放限值及测量方法

3、汽车工程手册（设计篇）人民交通出版社