汽车发动机排气系统性能分析研究

摘要

设计高消声性能、低压力损失的排气系统是目前汽车噪声控制中的重要课题。传统的排气系统内消声器设计主要根据一维平面波理论，但该理论难以正确模拟三维波动效应等实际因素的影响，计算结果不准确。而有限元等三维数值方法在对排气系统性能进行准确模拟的同时还能考虑到多种外界因素的影响，是排气系统性能预测和改进设计的有效方法。 本文研究了基本消声结构的消声特性和消声规律，在此基础上对某发动机排气系统进行了流动特性和消声特性的三维数值模拟。通过流动特性分析得到了系统内流速、温度和压力的分布情况。结果表明：由于内插管和穿孔管的存在，排气系统中前、后消声器内压力损失较大，各腔内流速变化也很复杂，温度分布虽然比较均匀，但各腔之间的温差大，这些都会对消声性能产生一定的影响。采用有限元方法，在对穿孔隔板、穿孔管和吸声材料进行精确建模，并考虑温度、流速和尾管反射对消声的影响的基础上，对消声特性进行分析。结果表明：排气系统的低频和高频消声效果不好，消声量明显不足。但温度的升高，使消声频谱往高频移动，使得高频消声效果变好，中低频变差；而尾管反射对低频消声有改善作用；流速会使消声量有所减小。可见对排气系统进行消声性能分析和改进设计时不能忽视这些外在因素的影响。 为改善排气系统的空气动力特性和低频、高频的消声特性，在对前、后消声器各消声单元消声特性深入研究的基础上，对消声器芯部结构进行了改进设计。改进后的流场和声场分析结果表明：改进设计使得排气系统的空气动力特性、低频、高频消声特性等方面都较原结构有所改善，达到了预期改进目标。 文中对排气系统的数值模拟不仅可以为试验提供有力的指导，而且也积累了一定的改进经验和改进方法，是今后消声系统改进设计的重要参考。总之本文为发动机排气系统的性能预测和改进设计探索了一种比较有效的现代设计方法。