摘要:為有效控制發動機尾氣所排放的污染物和排氣噪聲，針對某型號轎車汽油發動機排氣系統進行設計，對排氣系統的聲學特性進行分析與數值計算，闡述了噪聲的產生機理和降低噪聲的方法，并對阻性消聲器和阻抗復合型消聲器的結構和主要尺寸參數進行了設計.分析了尾氣污染物的主要成分及其凈化方法，參考北京綠創的轎車整體型三元催化器的結構尺寸，設計了基于低溫等離子體(NTP，Non-ThermalPlasma)的汽車尾氣四效凈化器，根據汽車設計的相關要求，對排氣系統的各零部件進行合理布置，確定了懸掛方式;該汽車排氣系統可同時凈化發動機尾氣中其中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳煙顆粒物(PM，particulatemateria)，同時具有凈化效率高，排氣背壓低、降噪效果好等優勢.

　　關鍵詞:排氣系統;消聲器;低溫等離子體;四效凈化器;結構設計;懸掛方式

　　隨著社會的發展，人們對環保的重視程度越來越高，其中最受廣大民眾關注的莫過于汽車的排放和噪聲問題，因此，排氣系統在現如今的車輛組成和設計中占有的地位已經越來越高，近年來我國汽車保有量持高速增長態勢，據公安部統計數據，截至2019年全國機動車保有量達2.84億輛[1-2]，其中汽油發動機占90%以上.

　　發動機作為汽車不可或缺的一部分，通過對燃料的燃燒提供動力，同時會產生大量的有害氣體和較強的排氣噪聲，其中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和可吸入碳煙顆粒物(PM，particulatemateria)可直接對人類的呼吸系統和神經神經系統造成傷害，甚至危及生命[3];較強的持續性噪聲會致使人的聽力下降、降低工作效率、血壓升高以及永久性聽覺疾病[4];排氣系統設計不當將會造成發動機排氣背壓升高、動力性下降和油耗增加等現象[5]，因此設計高消聲性能、高凈化效率及低排氣背壓的排氣系統是當今研究發動機排氣系統的一個重要課題.

　　1汽車排氣系統聲學分析與設計

　　發動機排氣系統的噪聲源主要有空氣噪聲、沖擊噪聲、氣流摩擦產生的聲音以及輻射噪聲等.空氣噪聲是指汽車發動機在運動過程中，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，當氣流量一定時，管道的直徑越大產生的空氣噪聲就越穩定;而沖擊噪聲是由于不穩定的氣流沖擊管道形成的，排氣歧管的彎曲幅度不夠，產生的氣流就會非常大，也就會出現噪聲;氣流摩擦的噪聲是因為氣體的流動速度非常高，傳遞到尾管的時候就會發出巨大的噪聲;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振動，從而產生噪聲[6-7].

　　通過上述分析，本文從如下角度對消聲器進行設計從而降低噪聲:①將消聲器的容積增大，通過改變消聲器的內部結構以增加其工作容積，從而達到降低噪聲的效果;②在原設計的基礎上添加吸聲材料，并將單層的外殼改為雙層外殼的設計方案;③對汽車尾管的長度以及形狀進行改造，由于汽車尾管產生的噪聲是空氣噪聲和氣流摩擦噪聲組合而成的結果，因此通過減短汽車尾管的長度，使排氣的方向由下方變成后方，從而達到降低噪聲的效果.

　　1.1消聲器容積設計

　　本文所設計的消聲器應符合QC/T631-2009(汽車排氣消聲器技術條件)的要求，在設計消聲器的過程中，首先需要確定本次設計所要降低排氣噪聲的目標值，根據發動機排氣噪聲的大小，結合頻譜特性曲線，假設汽車在正常行駛時，產生的噪聲聲源屬于線性聲源。

　　1.2消聲器擴張比的確定

　　消聲器的實際消聲效果一般采用插入損失作為評價指標，即在噪聲源和測點之間插入一個消聲器時，在該測點所測得的消聲器安裝以前和以后的聲壓級差[12].消聲器的擴張室與原管道截面積之比被稱作擴張比(M)，對消聲器的插入損失要求越高，擴張比的選擇值就越大.

　　1.3消聲器進出口流量的計算

　　當氣流的流速超過一定的限值后，其所產生的再生噪聲會大大削減消聲量，因此，在設計消聲器時，一般采用控制消聲器出口管徑與進口管徑一致的原則，從而控制氣流的速度為氣流速度為70～80m/s時各頻率的減噪量，由上文中確定的消聲器的消聲量應大于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計

　　目前汽油發動機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[14]，為滿足嚴苛的排放法規，四效凈化技術將成為凈化汽車尾氣有效的發動機后處理技術[15].本文將低溫等離子體(NTP，Non-ThermalPlasma)與鈣鈦礦型(ABO3)催化劑結合，可有效凈化汽車尾氣中的PM、NOx、CO和HC[16].

　　本次設計參照北京綠創的轎車整體型三元催化器，進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，結合面選用橡膠密封墊密封，管口采用密封環密封，保證密封性.為增加殼體剛度，殼體熱沖壓凸棱，殼體內安裝密封件，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.其中凈化器殼體作為等離子發生器的外電極，催化劑載體作為放電介質，載體中插入高壓電極線，以上三者構成介質阻擋放電反應器以產生NTP，電極線通過導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排氣系統總體布置

　　根據汽車設計相關要求，布置排氣系統的工作需要依照一定的次序進行，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動機振動而導致的排氣系統振動從而與系統周邊的零部件物體發生碰撞造成損壞，在布置安裝過程中，還需要注意排氣系統與周邊零部件物體要保持一個合理的安全間距，通常是25mm.

　　除此之外，橫置發動機在布置安裝時，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保持不小于35mm，同時考慮發動機排量的大小對排氣歧管、散熱器和冷凝器及風扇的熱間距的影響.布置排氣系統時，系統中的各個部分的布置位置必須高于最小離地間隙的邊界，以免發生碰撞造成排氣系統的損傷;排氣系統中的其余部分不得低于前邊界面、側邊界面、后邊界面;排氣系統尾管的管口不得指向車輛右側;排氣系統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].在確定排氣系統懸掛方式時，首先選取吊鉤位置和補償器，然后確定排氣管的連接方式。

　　汽車工程論文： 探究輕量化技術在汽車工程中的應用

　　4結語

　　本文采用理論分析與數值計算的方法，針對某型號汽油發動機，設計了汽車排氣系統的消聲器和尾氣凈化器，并根據汽車設計的相關要求，確定了排氣系統的布置形式.本文所設計的汽車排氣系統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條件)的要求;其尾氣凈化器將NTP與催化技術相結合，可實現PM、NOx、CO和HC的同時凈化;從裝置結構上看，該排氣系統具有使用壽命長、降噪效果好、排氣背壓低以及凈化效率高等優勢.

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　　[6]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京:北京理工大學出版社，2006.

　　[7]胡先鋒.消聲器設計參數的組合評估及正交優化[D].杭州:浙江大學，2013

　　作者：王迎輝，梁秋松，盧振生*，張博強，趙婉婷