摘要:為有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣所排放的污染物和排氣噪聲，針對(duì)某型號(hào)轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)排氣系統(tǒng)的聲學(xué)特性進(jìn)行分析與數(shù)值計(jì)算，闡述了噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和降低噪聲的方法，并對(duì)阻性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器的結(jié)構(gòu)和主要尺寸參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì).分析了尾氣污染物的主要成分及其凈化方法，參考北京綠創(chuàng)的轎車整體型三元催化器的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了基于低溫等離子體(NTP，Non-ThermalPlasma)的汽車尾氣四效凈化器，根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，對(duì)排氣系統(tǒng)的各零部件進(jìn)行合理布置，確定了懸掛方式;該汽車排氣系統(tǒng)可同時(shí)凈化發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中其中一氧化碳(CO)、碳?xì)浠�合�?HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳煙顆粒物(PM，particulatemateria)，同時(shí)具有凈化效率高，排氣背壓低、降噪效果好等優(yōu)勢(shì).

　　關(guān)鍵詞:排氣系統(tǒng);消聲器;低溫等離子體;四效凈化器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);懸掛方式

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)保的重視程度越來越高，其中最受廣大民眾關(guān)注的莫過于汽車的排放和噪聲問題，因此，排氣系統(tǒng)在現(xiàn)如今的車輛組成和設(shè)計(jì)中占有的地位已經(jīng)越來越高，近年來我國(guó)汽車保有量持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.84億輛[1-2]，其中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)占90%以上.

　　發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車不可或缺的一部分，通過對(duì)燃料的燃燒提供動(dòng)力，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體和較強(qiáng)的排氣噪聲，其中一氧化碳(CO)、碳?xì)浠�合�?HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳煙顆粒物(PM，particulatemateria)可直接對(duì)人類的呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害，甚至危及生命[3];較強(qiáng)的持續(xù)性噪聲會(huì)致使人的聽力下降、降低工作效率、血壓升高以及永久性聽覺疾病[4];排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)將會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓升高、動(dòng)力性下降和油耗增加等現(xiàn)象[5]，因此設(shè)計(jì)高消聲性能、高凈化效率及低排氣背壓的排氣系統(tǒng)是當(dāng)今研究發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的一個(gè)重要課題.

　　1汽車排氣系統(tǒng)聲學(xué)分析與設(shè)計(jì)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的噪聲源主要有空氣噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦產(chǎn)生的聲音以及輻射噪聲等.空氣噪聲是指汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，由于壓力波在排氣管道中傳播而造成的，空氣噪聲的大小取決于排氣管道的直徑，當(dāng)氣流量一定時(shí)，管道的直徑越大產(chǎn)生的空氣噪聲就越穩(wěn)定;而沖擊噪聲是由于不穩(wěn)定的氣流沖擊管道形成的，排氣歧管的彎曲幅度不夠，產(chǎn)生的氣流就會(huì)非常大，也就會(huì)出現(xiàn)噪聲;氣流摩擦的噪聲是因?yàn)闅怏w的流動(dòng)速度非常高，傳遞到尾管的時(shí)候就會(huì)發(fā)出巨大的噪聲;輻射噪聲則是由于排氣管道中的消聲元件受到氣流影響后出現(xiàn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲[6-7].

　　通過上述分析，本文從如下角度對(duì)消聲器進(jìn)行設(shè)計(jì)從而降低噪聲:①將消聲器的容積增大，通過改變消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增加其工作容積，從而達(dá)到降低噪聲的效果;②在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加吸聲材料，并將單層的外殼改為雙層外殼的設(shè)計(jì)方案;③對(duì)汽車尾管的長(zhǎng)度以及形狀進(jìn)行改造，由于汽車尾管產(chǎn)生的噪聲是空氣噪聲和氣流摩擦噪聲組合而成的結(jié)果，因此通過減短汽車尾管的長(zhǎng)度，使排氣的方向由下方變成后方，從而達(dá)到降低噪聲的效果.

　　1.1消聲器容積設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的消聲器應(yīng)符合QC/T631-2009(汽車排氣消聲器技術(shù)條件)的要求，在設(shè)計(jì)消聲器的過程中，首先需要確定本次設(shè)計(jì)所要降低排氣噪聲的目標(biāo)值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的大小，結(jié)合頻譜特性曲線，假設(shè)汽車在正常行駛時(shí)，產(chǎn)生的噪聲聲源屬于線性聲源。

　　1.2消聲器擴(kuò)張比的確定

　　消聲器的實(shí)際消聲效果一般采用插入損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即在噪聲源和測(cè)點(diǎn)之間插入一個(gè)消聲器時(shí)，在該測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的消聲器安裝以前和以后的聲壓級(jí)差[12].消聲器的擴(kuò)張室與原管道截面積之比被稱作擴(kuò)張比(M)，對(duì)消聲器的插入損失要求越高，擴(kuò)張比的選擇值就越大.

　　1.3消聲器進(jìn)出口流量的計(jì)算

　　當(dāng)氣流的流速超過一定的限值后，其所產(chǎn)生的再生噪聲會(huì)大大削減消聲量，因此，在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)，一般采用控制消聲器出口管徑與進(jìn)口管徑一致的原則，從而控制氣流的速度為氣流速度為70～80m/s時(shí)各頻率的減噪量，由上文中確定的消聲器的消聲量應(yīng)大于14.4dB，在此處可取氣流最大速度為100m/s.

　　2汽車尾氣四效凈化器設(shè)計(jì)

　　目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠三元催化器凈化尾氣污染物中的CO、NOx和HC，然而三元催化器具有易堵塞、難再生、使用壽命短和成本高等缺點(diǎn)[14]，為滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)，四效凈化技術(shù)將成為凈化汽車尾氣有效的發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)[15].本文將低溫等離子體(NTP，Non-ThermalPlasma)與鈣鈦礦型(ABO3)催化劑結(jié)合，可有效凈化汽車尾氣中的PM、NOx、CO和HC[16].

　　本次設(shè)計(jì)參照北京綠創(chuàng)的轎車整體型三元催化器，進(jìn)氣管和排氣管均選用55mm的管徑，管壁厚2mm，選用不銹鋼上下殼，結(jié)合面選用橡膠密封墊密封，管口采用密封環(huán)密封，保證密封性.為增加殼體剛度，殼體熱沖壓凸棱，殼體內(nèi)安裝密封件，保證氣體全部流過整體式陶瓷蜂巢小孔，蜂巢陶瓷作為催化劑載體，其具有孔壁薄、表面積大、耐沖擊和耐高溫等特點(diǎn).其中凈化器殼體作為等離子發(fā)生器的外電極，催化劑載體作為放電介質(zhì)，載體中插入高壓電極線，以上三者構(gòu)成介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器以產(chǎn)生NTP，電極線通過導(dǎo)線連接催化器殼體外的高壓電源，其中殼體由左右兩殼體通過密封法蘭盤連接。

　　3排氣系統(tǒng)總體布置

　　根據(jù)汽車設(shè)計(jì)相關(guān)要求，布置排氣系統(tǒng)的工作需要依照一定的次序進(jìn)行，首先是凈化器，其次是前副消聲器和后主消聲器，最后采用排氣管將以上部件依次序連接，為了使車輛避免在行駛的過程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)而導(dǎo)致的排氣系統(tǒng)振動(dòng)從而與系統(tǒng)周邊的零部件物體發(fā)生碰撞造成損壞，在布置安裝過程中，還需要注意排氣系統(tǒng)與周邊零部件物體要保持一個(gè)合理的安全間距，通常是25mm.

　　除此之外，橫置發(fā)動(dòng)機(jī)在布置安裝時(shí)，它的排氣歧管罩由于本身特性的影響，與周邊零部件或物體的安全間距應(yīng)保持不小于35mm，同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排量的大小對(duì)排氣歧管、散熱器和冷凝器及風(fēng)扇的熱間距的影響.布置排氣系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)部分的布置位置必須高于最小離地間隙的邊界，以免發(fā)生碰撞造成排氣系統(tǒng)的損傷;排氣系統(tǒng)中的其余部分不得低于前邊界面、側(cè)邊界面、后邊界面;排氣系統(tǒng)尾管的管口不得指向車輛右側(cè);排氣系統(tǒng)尾管的管口最好朝向地面或保持水平，以便于排水以及防止水倒灌入排氣管[17].在確定排氣系統(tǒng)懸掛方式時(shí)，首先選取吊鉤位置和補(bǔ)償器，然后確定排氣管的連接方式。

　　汽車工程論文： 探究輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

　　4結(jié)語

　　本文采用理論分析與數(shù)值計(jì)算的方法，針對(duì)某型號(hào)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了汽車排氣系統(tǒng)的消聲器和尾氣凈化器，并根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，確定了排氣系統(tǒng)的布置形式.本文所設(shè)計(jì)的汽車排氣系統(tǒng)采用主副兩消聲器可有效降低不同頻率的噪聲，其消聲效果可滿足QC/T631-2009(汽車排氣消聲器技術(shù)條件)的要求;其尾氣凈化器將NTP與催化技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)PM、NOx、CO和HC的同時(shí)凈化;從裝置結(jié)構(gòu)上看，該排氣系統(tǒng)具有使用壽命長(zhǎng)、降噪效果好、排氣背壓低以及凈化效率高等優(yōu)勢(shì).

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　　作者：王迎輝，梁秋松，盧振生*，張博強(qiáng)，趙婉婷