排气系统消声器设计关键技术标准规范.docx

排气消声系统设计技术规范目 录一、专题和适用范围 1、专题 2、适用范围二、排气消声系统总称说明及功用三、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 插入损失及传输函数 2.6.1 插入损失 2.6.2 传输函数 2.7 尾管噪声 2.8 定置噪声 2.9 振动3、 系统及零部件设计 3.1 系统部署 3.1.1 部署标准 3.1.2 间隙要求 3.1.3 吊钩位置选择 3.1.4 氧传感器孔部署 3.2 消声器容积确定 3.3 排气管径选择 3.4 消声器 3.4.1 消声器截面形状 3.4.2 消声器内部结构 3.5 赔偿器 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、参考文件列表一、专题和适用范围1、专题: 本指南要求了和汽车发动机相匹配排气消声系统系统匹配，零部件设计。2、适用范围: 本指南适适用于装汽油M1、N1类车排气消声系统设计。二、排气消声系统总成说明及功用 排气系统包含排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置、隔热部件、弹性吊块等。通常地，排气系统含有以下部分功用：(1) 引导发动机排气，使各缸废气顺畅排出；(2) 因为排气门开闭和活塞往复运动影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定压力，含有一定能量，气体排出时会产生强烈排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声,所以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 等含量，达成排气净化作用； 经典排气消声系统图1所表示：图1三、设计应用1、设计规则和输入:1.1 排气系统能很好将废气顺畅排出，满足发动机排气背压，功率损失比要求。1.2 排气系统设计能满足现行中国法规要求，具体以下： 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 汽车排气消声器性能试验方法 GB1495 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 排气系统零部件必需能经受1000高温要求和气流冲击，并确保排气系统可靠性达成10万公里或三年(先到者为准)要求，并要求在三包期内插入损失不得降低6dB(A)以上，功率损失不得增加3%以上。1.4 排气系统必需满足用户对噪声要求，在整个频率范围内应有足够消声量，同时努力争取避免产生气流再生噪声。1.5 消声器在满足消声量前提下要体积小，重量轻，便于安装和维修，有一个很好价格性能比。除消声器几何尺寸和管路走向应符合装车要求外，消声器尾管应美观大方，表面装饰应和车总体造型相协调。2、设计参数设定2.1尺寸及重量 尺寸和重量需依据产品所要达成性能要求和底盘空间位置来确定，不过在满足性能要求基础上，做到尽可能小为最好。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，测压头和管内壁齐平，误差小于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。通常来说，考虑到发动机功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体排气背压要求。 对自然吸气发动机，排气背压通常设定在305kPa。 对增压发动机，排气背压通常设定在4010kPa。 通常认为消声器压力损失由两部分组成：一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失，二者全部是因为流体运动时克服粘性切应力作功引发。 局部阻力损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变地方，大小取决于局部结构型式、管道直径和气流速度，和消声器截面扩张比相关，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大小，而管道直径和气流速度是亲密相关，所以管径选择至关关键。 所以，通常排气系统应该尽可能地设计成简单走向，而避免过分弯曲形状。2.3功率损失比 消声器功率损失比是发动机在标定工况下，使用消声器前后发动机功率差值和没有使用消声器时功率值百分比。 （P1P2）/ P1100对于值，QC/T 6311999汽车排气消声器技术条件要求为8，我们通常设定为28dB，JB/T 5081-91中小功率柴油机消声器技术条件要求功率损失在小于5%时，插入损失应25dB。我们要求在发动机各个转速下插入损失均大于32dB。 和传输损失只考虑消音元件本身不一样，插入损失是考虑一个系统。也就是说除了消音元件本身外，插入损失还包含了声源和出声口(如进气口和排气尾管)声学特征，所以这种方法是描述整个系统消音效果最好表示方法。2.6.2 传输函数: 排气系统传输函数是指空气介质传输所引发声功率差值，传输损失没有包含声源和管道终止端声学特征，它只和本身结构相关。在评价单个消音元件消音效果或初步评定系统消音性能时，通常见传输损失。传输损失是评价消音元件消音效果最简单一个方法，具体测量方法以下：图2 排气系统由排气管，副消声器、主消声器组成，假如有三元催化器，则应该同时带上;激励体声源（能发出频率为20Hz0Hz声源）放置于排气管入口端，并用橡胶管和排气管相连。 参考麦克风放置和前端橡胶管上，并在内部接收体声源发出声功率级;接收麦克风放置于消声器尾部，接收经过排气系统传输后声功率级;对于传输函数目标值，依据整车对噪声水平要求，其设定值也不相同，通常，我们设定按图3：图3 图中红线为传输损失限值，在每个频率下传输函数值均在红线下部。依据整车噪声水平和发动机类型不一样，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一个关键性能指标。尾管噪声测量方法见图4：图4尾管噪声目标设定以下： 在急加速和急减速情况下，整车载荷为 70KgX2，按上述方法进行测量尾管噪声见图 5：当发动机转速为1000-rpm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 在急加速和急减速情况下，整车载荷为 70KgX2，按上述方法进行测量二阶尾管噪声见图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，能够依据不一样车型所要达成噪声水平不一样进行调整。2.8 定置噪声 定置噪声限值按国家标准 GB161701996汽车定置噪声限制实施，我们要求定置噪声85dB(A)。试验方法按国家标准 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、检验机动车辆排气噪声水平，不能表征车辆行使最大噪声级。2.9 振动 排气系统一端和发动机相连，一端经过挂钩和车体相连。发动机振动传输给排气系统，然后在经过挂钩传给车体。车体振动经过座椅、方向盘和地板直接传给用户，同时车体振动也会幅射出去，在车内产生噪声，所以控制传到车体力是排气系统振动控制最关键目标之一。 排气系统振动源关键有四个：发动机机械振动、发动机气流冲击、声波激励和车体振动，车体振动传输方向和前面三种相反，车体振动会经过挂钩传输到排气系统，这种传输会逆向传输到发动机，从而加大了发动机振动。 为了控制排气系统振动，在进行排气系统设计时要注意以下几点：1、要避免和整车固有频率范围重合，应尽可能做到差距越大越好，通常地，车身固有频率在25Hz34Hz之间，所以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。假如模态太多，那么系统一些频率很轻易被激励起来，振动轻易被传输到车体。通常排气系统应该尽可能地设计成一条直线，而尽可能避免弯曲形状。3、合理选择挂钩位置，且挂钩刚度要满足下面要求： 支架频率=（ 发动机最大转速 x发动机汽缸数目）/1204、波纹管和橡胶吊块设计对排气系统振动控制至关关键。3 系统及零部件设计3.1、系统部署 3.1.1 部署标准 一个完整排气系统，以前到后，通常部署次序是：预催化器、赔偿器（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一样部件。排气管分段和连接方法关键依据安装和维修方便确定。 假如赔偿器采取球面法兰，通常不把球面法兰部署在催化器之前。 对于满足欧及以下排放标准排气系统，因为欧标准不包含冷开启阶段排放限制，所以通常可不采取预催化器而只采取一个主催化器。对于满足欧及以上排放标准排气系统，通常在排气歧管出口处部署预催化器（即 CCC，Closed Couple Catalyst）或在预催化器前排气管段采取良好保温方法。主催化器通常部署在车身底板下，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、跑车等追求动力性车辆通常才采取一级消声器。对于二级消声，我们将其分别称为前消声器和后消声器。依据声学原理，消声器摆放在不一样位置，将产生不一样消声效果，通常地，推荐以下消声器摆放位置（见图10）：图103.1.2 间隙要求排气系统和各相邻部件地间隙关系见图11：图11 各相邻部件耐温在 150以下越远离排气系统越好，相对产生运动部件最少确保和排气系统间隙大于 25mm，同时要确保最小离地间隙符合整车部署要求。3.1.3 吊钩位置选择排气系统吊钩位置选择遵照以下标准：（1）、吊钩应该在振动节点上；（2）、吊钩应该在纵向能够延伸；（3）、吊耳应该在车身结构刚性处。对于排气系统吊钩位置选择必需借助 CAE 分析来进行，首先对排气系统进行各阶模态分析(见图12)来确定排气系统上最好吊钩位置，依据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处刚性。图123.1.4 氧传感器孔部署有时氧传感器孔需要部署在前管总成或前消声器总成上，由电控部门确定氧传感器孔位置区域，依据装车空间垂直管面部署氧传感器孔(以下图所表示)，垂直部署能使氧传感器更多地接触尾气，比较真实、灵敏地反应出尾气中氧离子浓度信息，从而使ECU能够愈加好进行理论空燃比反馈控制，改善排放。尽可能不要倾斜部署，氧传感器螺母倾斜会造成排放结果不稳定。3.2 消声容积确实定 消声容积指排气系统全部消声器容积之和。消声器容积决定了其消声量，所以容积确定正确是否，将直接影响到整车噪声水平。通常要达成理想消音效果，消音容积要是发动机汽缸体积10倍左右。因为消声器容积关键依据发动机最大功率和扭矩决定，我们通常采取以下公式：mkPm消声器容量（L） K0.14P输出功率（Ps）功率单位是马力，1Ps=1.361kW依据不一样车型对噪声要求水平，K 可选 0.100.20 之间不一样值。图 13 为消声器容积和发动机功率之间关系。我们尽可能将消声器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。不过当消音容积增加到一定时候，其消音效果增加慢慢趋缓，以下图所表示。3.3 排气管径选择 为取得良好噪声和低背压，在排气管和消声器内排气流速应分别低于 0.35c和0.25c（c声速），我们可依据此要求来计算排气管最小管径。 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（kg/m3），声速为 c（m/s）。则排气管最小流通面积 Smin 为: Smin=m/900c。3.4 消声器 消声器通常要求有大消声量和消声频率范围，小排气阻力(即排气背压)和良好耐久性（3 年或10万公里无异常）。3.4.1 消声器截面形状 消声器截面形状尽可能避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案选择图14规则图143.4.2 消声器内部结构消声器内部结构设计是一个很复杂课题。 按消声器消声机理，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合适部署吸声材料，利用声波在多孔性吸声材料中传输时，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，部分吸收管道中传输声能从而达成消声目标，类似电路中电阻作用。这类消声器特征是在中、高频范围内有良好消声效果，对低频消声性能较差。阻性消声器传声损失和吸声材料声学性能、气流通道周长、断面面积和管道长度等原因相关，结构示意以下所表示： 抗性消声器是利用多种形状、尺寸管道或共振腔，靠管道截面突变或旁接共振腔等在声传输过程中引发引发阻抗改变而产生声能反射、干涉，一部分声能被反射回声源，这么传输声能降低，从而降低所输出声能，达成消声目标。 抗性消声器消声频带较窄，在中、低频消声效果很好，高频较差。抗性消音器关键包含扩张消音器和旁支管消音器，旁支消音器通常包含赫尔姆兹消音器、四分之一波长管。赫尔姆兹消音器传输损失频带比四分之一波长管消音频带要宽部分。赫尔姆兹消音器通常见来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除频率比较高噪声。 扩张室式消声器是抗性消声器最常见结构形式，也称膨胀式消声器。它是由一个关键腔室和两边和之相连接管道组成，其最基础形式是单节扩张室消声器，以下图所表示： 阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频全部有很好消声效果。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，以控制高强度宽频带噪声。 现在汽车消声器设计中，关键结构采取抗性消声原理，而在其中一些结构则采取阻性原理，而这些阻性消音器也往往是和抗性消音器做成一体而成为混合消音器。经典图 15 所表示： 图15 阻抗复合式消声器传输损失能够认为是阻抗和抗性在同一频带内消声量相叠加，但因为声波在传输过程中含有反射、绕射、折射和干涉等性能，所以消声值并不是简单叠加关系，尤其对于波长较长声波来说，当消声器以阻性、抗性形式复合在一起有声耦合作用，所以相互有影响。在实际应用中，阻抗复合消声器传输损失是经过试验或现场测量确定。3.5 赔偿器 赔偿装置是排气系统减振降噪一个关键部件，同时也是提升排气系统使用寿命关键部件。它把由发动机引发振动及扭转进行吸收，从而降低排气系统振动传输，同时改善排气系统受力，提升使用寿命。它所吸收振动关键来自以下三个方面：1、降低或吸收因为载荷改变、路况所引发运动；2、降低因为发动机惯性力所引发振动；3、隔离传到排气系统发动机产生结构噪声；我们常见赔偿器有两种形式：波纹管和球形连接。3.5.1 波纹管 经典波纹管图16所表示: 悬挂系统分为两种，一个是断耦式，另一个是半断耦式。 断耦式，就是采取柔性极高波纹管（如采取 0.25mm/层2 层波纹管结构或波纹管相当长）将发动机和排气系统振动和晃动完全阻隔开。断耦式波纹管不起承载作用，所以波纹管后段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悬挂。 半断耦式，就是采取强度较大承载式波纹管（如采取 0.4mm/层2 或 3 层波纹管结构），发动机振动和晃动有部分传输到排气系统。采取半断耦式排气系统，吊环通常设计偏软，而且对前后位移限制作用不是很显著。图163.5.2 球形连接球形连接零件图纸见图17（球形密封垫），图 18（螺栓），图 19(弹簧)图17图18图19 球形连接含有空间小特点，同时能很好起到赔偿作用，现越来越被广泛采取。对于球形连接设计，必需满足以下技术要求;1、 在 49kPa（0.5Kgf/cm）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 98098N，温度为 70010C条件下，完成振动次数为 100104次。3.6 橡胶吊环图 20 所表示为汽车排气系统常见橡胶吊环。图20橡胶吊环有以下作用：1、 将排气系统和车身相连；负担排气系统自重，并限制排气系统在各个方向上自由度和晃动；2、 尽可能将排气系统振动隔离，使之尽可能少传输到车身上。鉴于此，通常地，橡胶吊环采取材料为EPDM。3.7 隔热部件假如需要，依据具体位置选择隔热装置，通常采取镀铝隔热板，其性能达成要求为：隔热板两边温差达成150。3.8 材料选择消声器材料应坚固耐用，尤其要含有耐高温、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 因为汽油燃烧后产生 NOx,硫化物，水等，冷却后将形成酸，并部分积蓄在消声器内，对排气系统轻易产生腐蚀，所以，排气管、消声器端盖、内部隔板、内部消声管和消声器筒体内层最常见材料是 SUH 409 和 SUH 409L，为了愈加好确保消声器使用寿命，最好在后消声器端盖上设计放水孔，方便把生成酸性溶液立即排出。3.8.2 消声器外壳体考虑到耐腐蚀性要求比内层低，和重量和经济性，消声器筒体外层通常采取镀铝板 SAID-80.3.8.3 阻性消声器通常还要用到吸声材料，若消声器中有纤维材料，在欧盟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；所以在做出口项目时，要对吸声材料耐久性进行验证。四、参考文件1、汽车结构 第三版 吉林工业大学汽车工程系 陈家瑞 主编2、 QC/T 5793 汽车匀速行使车内噪声测量方法 QC/T 5893 汽车加速行使车外噪声测量方法 GB1495 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 GB161701996 汽车定置噪声限制 QC/T 6311999 汽车排气消声器技术条件 QC/T 6301999 汽车排气消声器性能试验方法 GB/T 4759-95 内燃机排气消声器测量方法 JB/T 5137-91 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