【摘" 要】排氣系統(tǒng)噪聲直接關(guān)聯(lián)整車NVH性能，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)。文章介紹排氣系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)，對(duì)排氣噪聲的表現(xiàn)形式和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析排氣噪聲的關(guān)鍵影響因素，為排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】排氣系統(tǒng)；噪聲；NVH

中圖分類號(hào)：U464.134" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0087-03

Noise Performance Analysis and Research of Automobile Exhaust System

DENG Houke，YANG Guang，REN Xiaolong

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Heifei 230031，China）

【Abstract】Exhaust system noise is directly related to vehicle NVH performance，which needs to be studied and designed in the process of product development. This paper introduces the basic function and structure of the exhaust system，and explains in detail the form and mechanism of exhaust noise. Based on the test data，the key influencing factors of exhaust noise are analyzed，so as to provide technical reference for the design and development of exhaust system.

【Key words】exhaust system；noise；NVH

1" 排氣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

排氣系統(tǒng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，不斷地將燃燒室的廢氣排放到大氣中，保證發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要機(jī)構(gòu)。汽車排氣系統(tǒng)的重要功能是以盡可能小的排氣阻力和噪聲，逐漸衰減排氣壓力脈動(dòng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒廢氣高效、清潔、安全地排到大氣中。汽車排氣系統(tǒng)主要有兩大功能，一是高效、清潔地排出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣，二是降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲。

汽車排氣系統(tǒng)一般由排氣歧管、催化器、柔性管（波紋管）、前置消聲器、后置消聲器、中間連接管、尾管、掛鉤、掛鉤隔振器等組成。排氣歧管主要作用是保證每個(gè)氣缸排氣順暢，避免各缸之間排氣相互干擾，使廢氣能快速、完全地排出氣缸。柔性管（波紋管）相當(dāng)于一個(gè)隔振器連接在排氣歧管末端，使傳遞到冷端的振動(dòng)變小。催化器把排氣廢氣中的HC、CO和NOx等有毒氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的H2O、N2和CO2。排氣消聲器的作用則是降低排氣壓力，衰減氣流脈動(dòng)，從而降低排氣噪聲。

2" 排氣噪聲表現(xiàn)形式

排氣系統(tǒng)噪聲主要包括排氣尾管口噪聲和排氣消聲器輻射噪聲。

排氣尾管口噪聲是一種脈動(dòng)噪聲，聲音是以平面波在管道中傳播的，當(dāng)廢氣到達(dá)尾管時(shí)，氣流產(chǎn)生脈動(dòng)噪聲，好像在尾管處有一個(gè)活塞在運(yùn)動(dòng)。尾管噪聲由兩部分組成：空氣噪聲和氣流摩擦噪聲。穩(wěn)定的氣流在尾管處發(fā)出空氣噪聲，而不穩(wěn)定的氣流則產(chǎn)生摩擦噪聲。在尾管噪聲中，這兩種噪聲所占的成分取決于氣流流量的大小和速度。流量小和速度低時(shí)，空氣噪聲占主要成分，而流量大和速度快時(shí)，摩擦噪聲占主要成分。

排氣消聲器輻射噪聲指消聲器被機(jī)械振動(dòng)或受內(nèi)部流體壓力波動(dòng)引起振動(dòng)激勵(lì)，這些被激勵(lì)的結(jié)構(gòu)對(duì)外將聲音輻射出去形成輻射噪聲。在排氣系統(tǒng)中，輻射噪聲源來(lái)自兩方面：一是機(jī)械振動(dòng)，排氣系統(tǒng)中有很多薄板，發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)帶動(dòng)整個(gè)排氣系統(tǒng)振動(dòng)，如消聲器外殼和催化器外殼，一旦這些薄板被激勵(lì)起來(lái)，就會(huì)對(duì)外產(chǎn)生輻射噪聲；二是排氣氣流，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓廢氣氣流會(huì)對(duì)薄板施加穩(wěn)定脈動(dòng)力，從而激勵(lì)起板的振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲。

3" 排氣噪聲影響因素

整車及發(fā)動(dòng)機(jī)使用場(chǎng)景工況較多，導(dǎo)致排氣系統(tǒng)噪聲性能特征復(fù)雜，排氣噪聲表現(xiàn)形式多樣。影響汽車排氣噪聲的因素是多方面的，既有排氣氣流的性能參數(shù)，例如溫度、流速和壓力等，也有排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括排氣管直徑、前后消聲器容積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及尾管口的結(jié)構(gòu)等。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣氣流是排氣噪聲的根源，其本身的溫度、流速和壓力與排氣噪聲直接關(guān)聯(lián)。溫度對(duì)排氣噪聲的影響主要在300～1000Hz之間，溫度越高，此頻段噪聲聲壓級(jí)越高，溫度越低，噪聲聲壓級(jí)越低。流速對(duì)排氣噪聲影響主要集中在600～900Hz之間，流速越高，此頻段噪聲聲壓級(jí)越高，流速越低，噪聲聲壓級(jí)越低。根據(jù)仿真分析結(jié)果，在流速分別為1m/s和20m/s時(shí)，最大聲壓級(jí)差值可以達(dá)到5dB（A）。另外，排氣背壓對(duì)噪聲也有直接的影響。排氣背壓指排氣多支管出口處的壓力與大氣壓之間的差值，形成的原因是排氣管道對(duì)氣流的阻礙和氣流之間的摩擦阻礙。一般情況下，排氣背壓主要影響消聲器的輻射噪聲和排氣尾口噪聲。根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果顯示，排氣背壓越高，排氣管口噪聲聲壓級(jí)越低，消聲器殼體輻射噪聲聲壓級(jí)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失越大。排氣背壓越低，排氣管口噪聲聲壓級(jí)越高，消聲器殼體輻射噪聲聲壓級(jí)越低，發(fā)動(dòng)機(jī)損失功率越小。所以，在進(jìn)行排氣背壓的設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失和排氣噪聲等因素，做到三者的平衡。

溫度、流速和壓力是影響排氣噪聲的本質(zhì)屬性，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和邊界條件確定后，這些屬性基本就確定。如果要進(jìn)一步提高排氣噪聲性能，還需要對(duì)影響排氣噪聲的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析，識(shí)別核心的關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，管路直徑、管壁厚度、管路布置、連接管長(zhǎng)度、尾管布置、三元催化器、顆粒捕捉器和前后消聲器都會(huì)影響排氣系統(tǒng)噪聲。根據(jù)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試，消聲器的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)對(duì)排氣噪聲的影響最為關(guān)鍵，例如排氣容積、消聲器殼體模態(tài)以及消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

排氣容積是排氣系統(tǒng)中所有消聲器容積之和（不包含三元催化器和顆粒捕捉器），排氣容積主要影響中低頻范圍的排氣噪聲。在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，既要滿足排氣噪聲目標(biāo)，又要確保發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失在合理范圍，所以需要對(duì)排氣噪聲和排氣背壓進(jìn)行綜合平衡，一般要求發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率與排氣容積的比值在4～4.5之間。例如，某燃油車排氣容積分別為27L、31L和36L時(shí)，其對(duì)應(yīng)的噪聲傳遞損失分別為30dB（A）、40dB（A）和50dB（A），在怠速工況下，排氣尾口噪聲聲壓級(jí)分別為70dB（A）、58dB（A）和56dB（A），具體數(shù)值見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可知，排氣容積越大，排氣系統(tǒng)傳遞損失越高，尾口噪聲越低。

4" 消聲器優(yōu)化

消聲器殼體由一層或者兩層金屬板件構(gòu)成，根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，一般分為整體卷筒式或者分體翻邊滾壓式。消聲器殼體輻射噪聲是排氣系統(tǒng)噪聲的重要組成部分。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓高速的脈動(dòng)氣流會(huì)沖擊消聲器殼體，引起殼體振動(dòng)，從而產(chǎn)生低頻的振動(dòng)輻射噪聲，主觀感覺(jué)就是消聲器轟鳴聲。消聲器輻射噪聲與殼體模態(tài)密切相關(guān)，相同條件下，模態(tài)頻率越高，輻射噪聲越低，模態(tài)頻率越低，輻射噪聲越高。為了控制消聲器殼體輻射噪聲，需要對(duì)殼體模態(tài)進(jìn)行指標(biāo)管控，一般要求其模態(tài)頻率≥300Hz。為此，可以采用殼體增厚、殼體設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋以及在殼體與隔板之間增加焊接等設(shè)計(jì)方案。如圖1、表2所示，某排氣消聲器殼體表面增加焊點(diǎn)后，殼體模態(tài)平均增加200Hz左右。

圖2顯示了該消聲器殼體模態(tài)提高前后輻射噪聲變化情況，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輻射噪聲改善非常明顯，特別是660Hz附近共振輻射帶基本消除。

消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括進(jìn)出氣管、中間管、U型管、隔板、吸聲棉以及不同規(guī)格的小孔，這些部件的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整車排氣噪聲性能。為了提高消聲器的降噪性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)消聲器進(jìn)行傳遞損失的仿真分析，通過(guò)仿真分析結(jié)果，調(diào)整消聲器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如管子的直徑和走向、小孔的位置和數(shù)量以及孔徑大小、吸聲棉的放置位置和質(zhì)量等。

圖3和圖4為某消聲器原設(shè)計(jì)方案和4種優(yōu)化方案的模型以及每種模型對(duì)應(yīng)的傳遞損失。通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣管和中間管的位置及走向來(lái)改變消聲器對(duì)噪聲的傳遞損失性能，從而降低所需頻段噪聲聲壓級(jí)，實(shí)現(xiàn)整車排氣噪聲目標(biāo)。

另外，為了降低排氣噪聲，排氣前通常會(huì)在消聲器和后消聲器內(nèi)部布置吸音棉。消聲器內(nèi)部吸音棉一般布置在中間腔室，遠(yuǎn)離進(jìn)口端和出口端，如圖5所示。

吸音棉可以較好地分解排氣氣流，降低流速和壓力，吸收排氣氣流的沖擊能量，從而起到降低消聲器殼體輻射噪聲和尾管口噪聲的效果。為了研究吸音棉對(duì)消聲器消聲性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)同一個(gè)消聲器匹配吸音棉和不匹配吸音棉兩種狀態(tài)分別進(jìn)行傳遞損失測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。其中藍(lán)色曲線代表有吸音棉消聲器的傳遞損失，橙色和灰色曲線代表沒(méi)有吸音棉消聲器的傳遞損失。

由圖6可知，有吸音棉的消聲器平均傳遞損失為50dB，而沒(méi)有吸音棉的消聲器平均傳遞損失為40dB，吸音棉可以提高消聲器的傳遞損失10dB左右。吸音棉對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)噪聲的影響非常明顯，在排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中需要重點(diǎn)關(guān)注。

5" 總結(jié)

本文從排氣系統(tǒng)噪聲性能的角度出發(fā)，介紹了排氣系統(tǒng)的基本功能和組成結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)述了排氣噪聲的主要類型和產(chǎn)生機(jī)理，詳細(xì)分析了影響排氣噪聲性能的主要因素，重點(diǎn)介紹了排氣容積、消聲器殼體模態(tài)以及消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和吸音棉對(duì)排氣管口噪聲、殼體輻射噪聲以及傳遞損失的影響，從而為排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)——理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-07-12

作者簡(jiǎn)介：鄧厚科（1981—），從事汽車NVH性能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證工作。