1、排气系统消声器设计技术规范标准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
2、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
3、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GB161701996汽车定置噪声限制QC/T631-1999汽车排气消声器技术条件QC/T6301999汽车排气消声器性能试
4、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 C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
5、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
6、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
7、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。丫斗(P1 P2 ) / P1 X 100 %对于丫值，QC/T 631 1999汽车排气消声器技术条件规定为8 %，我们一般设定为 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
8、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/T 631 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
9、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，畐叶肖声器、主消声器组成，如果有三元催化器，贝S应该 同时
10、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
11、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)。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芦压飯别发訥机转寥图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 19
12、96汽车定置噪声限制执行，我们 要求定置噪声W 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
13、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：支架频率二( 发动机
14、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。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H及以下排放标准的排气系统，由于欧H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 皿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
15、, 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 FloorCatalyst ）。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 C以下的越远离排气系统越好，相对产生运动部件
16、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。4 哼 L # 加 It “ V 呂 cl “忙卒 * J4 I*1 歼点* L I曹 5JI3ET - K吋负记寺 tpJJF - 4_j* 卞七-tU图1
17、23.1.4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。JT.匚/. -H -K-. Ji 1-.Jl - Ji 暑壬改进前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，
18、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：V m = k x PV m =消声器的容量（L） K = 0.14 P =输出功率（Ps）功率单位是马力，1Ps=1.36 x 1kW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
19、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和下气流密度为卩(kg/m3 )，声速为c (m/s )。则排气管最小流通 面积 Smin 为：Smin=m/900c p。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的规则最优方案， 较野方
20、累,可行方眾* 不可行方案4图14342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
21、 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
22、，如下图所示:（各4-魚孟o * 亠一鱼Sr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
23、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
24、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X 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X2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163.5.2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
25、簧）8i m厂r i or:6 *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 ( 0.5 Kgf/cm2 )压力下，漏气量小于 0.79L/min 。2、 在振动角为士 6 ，振动频率为2.5Hz ,所受振动力为980 士 98N，温度为700 士 10 C的条件下，完成振动次数为 100104次。3.6橡胶吊环图20所示为汽车排气系统常用橡胶吊环。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
26、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 C。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
27、SUH 409 和 SUH 409L ， 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/T 57 93 汽车匀速行使车内噪声测量方法QC/T 58 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/T 631 1999 汽车排气消声器技术条件QC/T 630 1999 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
