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1、排气消声系统设计开发指南目 录一、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
2、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
3、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/T571993 汽车匀速行使车内噪声测量方法GB161701996 汽车定置噪声限制QC/T6311999 汽车排气消声器技术条件QC/T6301999 汽车排气
4、消声器性能试验方法GB14952002 汽车加速行使车外噪声限值及测量方法QC/T5893 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
5、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
6、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305kPa。对增压发动机，排气背压一般设定在4010kPa。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
7、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。（P1P2）/ P1100对于值，QC/T 6311999汽车排气消声器技术条件规定为28dB，JB/T 5081-91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
8、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20Hz20000Hz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
9、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)，
10、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 GB161701996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
11、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
12、，车身固有频率在25Hz34Hz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）/1204、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
13、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。对于满足欧及以下排放标准的排气系统，由于欧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，Closed Couple Catalyst）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（Under Floor Catalyst）。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
14、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103.1.2 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
15、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123.1.4 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
16、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：mkPm消声器的容量（L） K0.14 P输出功率（Ps）功率单位是马力，1Ps=1.361kW根据不同车型对噪声的要求水平，K 可选 0.100.20 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
