段繼翔 張曉雪 魯成 徐士 周勝余 李風(fēng)芹

摘要： 針對(duì)整車通過(guò)噪聲超標(biāo)問(wèn)題，進(jìn)行分析確定為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲高導(dǎo)致。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲進(jìn)行分析，確定采用優(yōu)化后處理消音結(jié)構(gòu)提高后處理消音能力方式降低排氣噪聲：通過(guò)對(duì)三種消音結(jié)構(gòu)后處理的仿真計(jì)算，確定不同方案對(duì)后處理插入損失的影響。通過(guò)對(duì)裝配三個(gè)消音結(jié)構(gòu)后處理的整車進(jìn)行通過(guò)噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證，確定插入損失最優(yōu)方案后處理可解決整車通過(guò)噪聲問(wèn)題。

Abstract： Through the analysis of the Passing Noise problemof the vehicle， determined that the engine exhaust noise caused. The exhaust noise of engine is analyzed and the optimized catalyst silencing structure is adopted to reduce exhaustnoise. The influence of different schemes on insertion loss was determined by studying the catalyst of three silenced structures. The optimal post-processing scheme of insertion loss is adopted to solve the passing noise problem of vehicle.

關(guān)鍵詞： 通過(guò)噪聲;排氣噪聲;后處理消音結(jié)構(gòu);插入損失

Key words： passingnoise;exhaust noise;the silenced structure of catalyst;insertion loss

中圖分類號(hào)：U448.213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0004-04

0 ?引言

天然氣商用車自上世紀(jì)90年代在國(guó)內(nèi)逐漸推廣開(kāi)始，近年來(lái)市場(chǎng)容量逐年提升，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。近期國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》表示，要積極擴(kuò)大電力、氫能、天然氣、先進(jìn)生物液體燃料等新能源、清潔能源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用。在政策推動(dòng)下，天然氣商用車未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于普遍使用單點(diǎn)預(yù)混點(diǎn)燃式技術(shù)路線，燃燒周期長(zhǎng)于柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速率低于柴油機(jī)[1]。同等配置下天然氣商用車整車的加速性較同馬力柴油機(jī)商用車差。隨著用戶對(duì)整車動(dòng)力性要求不斷提高，調(diào)速特性優(yōu)化也更加重要。隨之而來(lái)的整車燃燒排氣噪聲也隨之提高，天然氣商用車噪聲控制的就顯得愈加重要。

整車噪聲不僅對(duì)駕駛?cè)藛T感官造成影響，而且車輛在加速通過(guò)時(shí)會(huì)對(duì)外界帶來(lái)嚴(yán)重的噪聲污染。因此相關(guān)法規(guī)對(duì)整車加速通過(guò)噪聲的限值要求在不斷降低，噪聲的分析和控制成為整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵控制要素。本研究針對(duì)某型天然氣商用車排氣噪聲高導(dǎo)致通過(guò)噪聲超標(biāo)問(wèn)題，使用仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證手段，分析不同消音結(jié)構(gòu)方案對(duì)后處理插入損失的影響，最終確定抑制排氣噪聲最佳后處理消音方案，達(dá)到降低整車通過(guò)噪聲的目的。

1 ?整車通過(guò)噪聲問(wèn)題

匹配天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的某型N3類6×4牽引車在按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》進(jìn)行的整車通過(guò)噪聲測(cè)試時(shí)產(chǎn)生了通過(guò)噪聲超出法規(guī)限值問(wèn)題，無(wú)法滿足車輛開(kāi)發(fā)要求。其中測(cè)試車輛主要技術(shù)參數(shù)及配置見(jiàn)表1所示。

測(cè)試試驗(yàn)按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》要求開(kāi)展。測(cè)試實(shí)驗(yàn)天氣條件環(huán)境溫度必須在5℃～40℃范圍內(nèi)，傳聲器高度處風(fēng)速不超過(guò)5m/s，確保測(cè)試結(jié)果不受陣風(fēng)影響。噪聲采集設(shè)備采用滿足GB/T3785.1要求的LMS加速行駛車外噪聲采集測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備。測(cè)試場(chǎng)地選取平整試驗(yàn)場(chǎng)地，加速起點(diǎn)線與加速終點(diǎn)線間加速段長(zhǎng)度為2×（10m±0.05m）。試驗(yàn)場(chǎng)地以測(cè)量場(chǎng)地中心為基點(diǎn)、半徑為50m的范圍內(nèi)，沒(méi)有大的聲反射物，如圍欄、巖石、橋梁或建筑物等。試驗(yàn)路面和其余場(chǎng)地表面干燥，沒(méi)有積雪、松土或爐渣之類的吸聲材料。傳聲器附近沒(méi)有任何影響聲場(chǎng)的障礙物，并且聲源與傳聲器之間沒(méi)有任何人站留。測(cè)量場(chǎng)地應(yīng)達(dá)到的聲場(chǎng)條件為在該場(chǎng)地的中心放置一個(gè)無(wú)指向性小聲源時(shí)，半球面上各方向的聲級(jí)偏差不超過(guò)±1dB。測(cè)試過(guò)程中當(dāng)汽車參考點(diǎn)通過(guò)加速起點(diǎn)線時(shí)，必須盡可能迅速地將加速踏板踩到底（汽車不能自動(dòng)降檔至比城市工況中通常使用檔位更低的檔位），并保持到汽車最后端通過(guò)加速終點(diǎn)線，或汽車參考點(diǎn)通過(guò)終點(diǎn)線后至少5m（以先達(dá)到的位置為準(zhǔn)），然后盡快地松開(kāi)加速踏板。整車測(cè)試工況采用8檔進(jìn)行，當(dāng)連續(xù)四次測(cè)試結(jié)果偏差不超過(guò)2dB（A）時(shí)視為聲級(jí)有效測(cè)試結(jié)果。記錄過(guò)線發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為950±50r/min。

根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果分析，整車通過(guò)噪聲超出法規(guī)限值84dB（A）要求。通過(guò)噪聲測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示。利用LMS Test.Lab分析軟件設(shè)置相應(yīng)濾波器，通過(guò)對(duì)濾波后的時(shí)域信號(hào)和原始時(shí)域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估確認(rèn)噪聲主要貢獻(xiàn)在200Hz-1400Hz范圍內(nèi)。通過(guò)噪聲噪聲圖譜見(jiàn)圖1所示。

按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》要求進(jìn)行8檔全負(fù)荷排氣近場(chǎng)噪聲測(cè)試，噪聲分布頻率與通過(guò)噪聲超限頻率高度一致。排氣近場(chǎng)噪聲圖譜見(jiàn)圖2所示。分析判斷：排氣近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)與通過(guò)噪聲試驗(yàn)高分貝噪聲區(qū)域分布高度一致，判定通過(guò)噪聲超限的主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲大[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，隨著工況的變化，進(jìn)排氣流量也不斷變化。特別是發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中，隨著負(fù)荷增加，增壓器的轉(zhuǎn)速快速增加。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量快速增加。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量也快速增加，廢氣氣流快速通過(guò)后處理結(jié)構(gòu)，排氣尾管口噪聲急劇增大，造成整車噪聲超限[3～5]。

2 ?排氣噪聲優(yōu)化方案及驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)特別是動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)不變化的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及排氣流量的變化難以調(diào)整，因此發(fā)動(dòng)機(jī)難以通過(guò)燃燒控制來(lái)調(diào)整排氣噪聲。排氣噪聲的大小更依賴于被動(dòng)的噪聲控制。消音器在整個(gè)排氣系統(tǒng)中起到被動(dòng)噪聲控制的作用，合理的消音結(jié)構(gòu)能夠有效降低排氣噪聲[6]。根據(jù)傳遞路徑的不同，消聲器噪聲可分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。前者通過(guò)橡膠隔振器、吊耳由排氣系統(tǒng)傳給車身，引起地板、頂棚和內(nèi)飾件振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲;另一部分由消聲器本體輻射產(chǎn)生，直接進(jìn)入駕駛室。兩類噪聲均與消聲器結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)關(guān)系密切，對(duì)整車NVH性能有直接影響[7]。本車型受限于整車布置空間，采用了三元催化器與消音器集成的后處理結(jié)構(gòu)，具有尾氣催化凈化和消音雙重功能。

2.1 改進(jìn)方案

因整車布置受限，后處理外形結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)法進(jìn)行大的改動(dòng)，設(shè)計(jì)優(yōu)化方向?yàn)樵诤筇幚憩F(xiàn)有三元催化載體布置不變情況下，對(duì)消音結(jié)構(gòu)部位優(yōu)化。從而達(dá)到進(jìn)一步增加后處理在整個(gè)排氣系統(tǒng)中的插入損失，提升后處理消音能力的目的。確定優(yōu)化方向如下：

①優(yōu)化廢氣氣流流道，減少可能產(chǎn)生高速湍流的結(jié)構(gòu)。去除消音孔管結(jié)構(gòu)，降低孔管對(duì)氣流的擾動(dòng)作用，進(jìn)而降低廢氣湍流產(chǎn)生的幾率。

②提高廢氣流通面積，降低排氣阻力。加大排氣尾管的直徑，降低尾管對(duì)排氣的節(jié)流作用。

在后處理整體外形尺寸不變的情況下，新設(shè)計(jì)后處理改進(jìn)方案見(jiàn)表3所示，方案結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3所示。

2.2 仿真驗(yàn)證

插入損失表示安裝消音結(jié)構(gòu)前后的在消音器出口某測(cè)點(diǎn)處的聲功率級(jí)或聲壓級(jí)的差值。插入損失就反映了消聲結(jié)構(gòu)前后聲學(xué)性能的變化，直接反饋消聲結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中使用時(shí)的實(shí)際消聲的能力強(qiáng)弱[8～9]。對(duì)原方案及改進(jìn)方案后處理在GT-power仿真軟件進(jìn)行3D建模，采用后處理一維模型與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合計(jì)算后處理在排氣系統(tǒng)中的插入損失，從而評(píng)估各方案優(yōu)化效果。仿真模型見(jiàn)圖4所示。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析，改進(jìn)方案后處理較原方案插入損失均有較大提升。三個(gè)方案后處理插入損失仿真對(duì)比如圖5所示。改進(jìn)方案1后處理在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)較原方案插入損失提升7dB（A）作用。改進(jìn)方案2后處理在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1300r/min以下改進(jìn)效果差于改進(jìn)方案1，但仍高于原方案2dB（A）以上;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1300r/min以上改進(jìn)方案2在三個(gè)方案中最優(yōu)，較原方案改進(jìn)幅度大于8dB（A）。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選用一輛實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行試驗(yàn)改裝，先后安裝原方案、改進(jìn)方案1、改進(jìn)方案2三個(gè)方案后處理，按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》要求開(kāi)展整車通過(guò)噪聲測(cè)試。測(cè)試設(shè)備、環(huán)境、場(chǎng)地等要求需滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。整車測(cè)試工況采用8檔進(jìn)行，當(dāng)連續(xù)四次測(cè)試結(jié)果偏差不超過(guò)2dB（A）時(shí)視為聲級(jí)有效測(cè)試結(jié)果。記錄過(guò)線發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為950±50r/min。

利用LMS Test.Lab分析軟件進(jìn)行噪聲分析，對(duì)三個(gè)方案噪聲圖譜進(jìn)行對(duì)比分析：改進(jìn)方案1后處理及改進(jìn)方案2后處理較原方案對(duì)比，在370-2300Hz頻率內(nèi)的高頻噪聲明顯減少。裝配三個(gè)方案后處理的車輛通過(guò)噪聲噪聲圖譜對(duì)比見(jiàn)圖6所示。整車裝配改進(jìn)方案1后處理時(shí)通過(guò)噪聲為85.9dB（A），隨較裝配原方案后處理時(shí)通過(guò)噪聲明顯降低但仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值84dB（A）要求。整車裝配改進(jìn)方案2后處理時(shí)通過(guò)噪聲為82.3dB（A），滿足整車通過(guò)噪聲限值要求。三個(gè)方案后處理通過(guò)噪聲試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所示。

根據(jù)整車裝配三個(gè)方案后處理通過(guò)噪聲測(cè)試結(jié)果，最終確定取消孔管結(jié)構(gòu)、增大尾管直徑的后處理方案為消音效果最優(yōu)方案，滿足整車開(kāi)發(fā)需求。

3 ?結(jié)論

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲大導(dǎo)致整車通過(guò)噪聲超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)后處理消音結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，提高了后處理的插入損失，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲優(yōu)化目的。根據(jù)分析仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程，得出如下結(jié)論：①后處理消音結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲影響顯著，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲。②消音結(jié)構(gòu)中的孔管會(huì)降低后處理插入損失，減弱后處理消音能力;增大后處理尾管直徑，可提高高排氣流量時(shí)的后處理插入損失，提高后處理消音能力。③采用后處理一維模型與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合計(jì)算的仿真方式，能準(zhǔn)確的評(píng)估后處理在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的插入損失。

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