排气系统设计

奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第1页共32页奇瑞汽车有限公司设计指南编制：审核：批准：发动机工程研究一院奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第2页共32页目录一、主题与适用范围1、主题2、适用范围二、排气消声系统的总成说明及功用三、设计应用1、设计规则和输入2、设计参数的设定2.1尺寸及重量2.2排气背压2.3功率损失比2.4净化效率2.5加速行驶车外噪声2.6插入损失以及传递函数2.6.1插入损失2.6.2传递函数2.7尾管噪声2.8定置噪声2.9振动3、系统及零部件的设计3.1系统布置3.1.1布置原则3.1.2间隙要求3.1.3吊钩位置的选取奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第3页共32页3.1.4氧传感器孔的布置3.2消声器的容积确定3.3排气管径的选取3.4消声器3.4.1消声器的截面形状3.4.2消声器内部结构3.5净化装置3.6补偿器3.6.1波纹管3.6.2球形连接3.7橡胶吊环3.8隔热部件3.9材料选择3.9.1排气管、消声器内组件3.9.2消声器外壳体四、排气消声系统的设计开发流程五、修订说明六、参考文献列表奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第4页共32页一、主题与适用范围1、主题:本指南规定了与汽车发动机相匹配的排气消声系统的系统匹配，零部件设计以及开发的流程等。2、适用范围:本指南适用于奇瑞所有装汽油或柴油发动机的M1类车的排气消声系统设计二、排气消声系统的总成说明及功用排气系统包括排气歧管、排气管、排气净化装置、排气消声装置、隔热部件、弹性吊块等。一般地，排气系统具有以下一些功用：(1)、引导发动机排气，使各缸废气顺畅的排出；(2)、由于排气门的开闭与活塞往复运动的影响，排气气流呈脉动形式，排气门打开时存在一定的压力，具有一定的能量，气体排出时会产生强烈的排气噪声，气体和声波在管道中摩擦也会产生噪声,因此在排气系统装有排气消声器来降低排气噪声；(3)、降低排气污染物CO,HC,NOX等的含量，达到排气净化的作用；注：在本指南中，我们将只介绍排气管和排气消声装置的详细设计，对排气歧管和排气净化装置的详细设计见其他设计指南。典型的排气消声系统如图1所示：图1三、设计应用奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第5页共32页1、设计规则和输入:1.1排气系统能很好的将废气顺畅排出，满足发动机的排气背压，功率损失比的要求。1.2排气系统设计能满足现行中华人民共和国法规要求，具体如下：QC/T57－93汽车匀速行使车内噪声测量方法GB16170－1996汽车定置噪声限制QC/T631－1999汽车排气消声器技术条件QC/T630－1999汽车排气消声器性能试验方法GB1495－2002汽车加速行使车外噪声限值及测量方法QC/T58－93汽车加速行使车外噪声测量方法GB18352轻型汽车污染物排放限值及测量方法GB14365-93声学机动车辆定置噪声测量方法GB/T4759-95内燃机排气消声器测量方法JB/T5081-91中小型柴油机消声器技术条件1.3排气系统零部件必须能经受1000℃的高温要求以及气流冲击，并保证排气系统可靠性达到10万公里或者三年(先到者为准)的要求，并要求在三包期内插入损失不得减少6dB(A)以上，功率损失不得增加3%以上。1.4排气系统必须满足顾客对噪声的要求，在整个频率范围内应有足够的消声量，同时力求避免产生气流再生噪声。1.5消声器在满足消声量的前提下要体积小，重量轻，便于安装和维修，有一个较好的价格性能比。除消声器几何尺寸和管路走向应符合装车的要求外，消声器的尾管应美观大方，表面装饰应与车的总体造型相协调。2、设计参数的设定2.1尺寸及重量尺寸和重量需根据产品所要达到的性能要求以及底盘空间位置来确定，但是在满足性能要求的基础上，做到尽量小为最好。奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第6页共32页2.2排气背压排气背压指发动机装上整套排气系统后，按QC/T524-1999设定测点测得的压强(离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游75mm处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁齐平，误差不大于±0.2kPa)。排气背压越高，排气阻力越大，充气效率也就越低，发动机功率、扭矩损失也越大。一般来说，考虑到发动机的功率和扭矩要求，会对排气系统提出一个具体的排气背压要求。对自然吸气发动机，排气背压一般设定在30±5kPa。对增压发动机，排气背压一般设定在40±10kPa。对于我公司开发的AVL发动机，具体的排气背压要求见表一表一：发动机型号排气背压目标值1.6LCBRVVT350mbar@ratedspeed1.6LLowCost350mbar@ratedspeed2.0LTCIGDI500mbar@ratedspeed2.0LTCIMPI500mbar@ratedspeed2.0LCBRVVT350mbar@ratedspeed2.0LLowCost350mbar@ratedspeed3.0LV6CBRVVT350mbar@ratedspeed2.4LV6CBRVVT350mbar@ratedspeed4.0LV8CBRVVT350mbar@ratedspeed1.3LCBRVVT350mbar@ratedspeed1.3LLowCost350mbar@ratedspeed1.0LCBRVVT350mbar@ratedspeed0.8LCBRVVT350mbar@ratedspeed1.9LTCIHSDI300mbar@ratedspeed奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第7页共32页1.9LTCHSDI300mbar@ratedspeed1.9LNAHSDI250mbar@ratedspeed1.3LTCIHSDI300mbar@ratedspeed2.9LTCIHSDI300mbar@ratedspeed一般认为消声器的压力损失由两部分构成：一是局部压力损失；二是管壁沿程摩擦阻力损失，两者都是由于流体运动时克服粘性切应力作功引起的。局部阻力损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变的地方，大小取决于局部结构型式、管道直径和气流速度，与消声器截面扩张比有关，即12ssm=。沿程阻力损失发生在消声器管道壁面，其大小取决于管壁粗糙度及气流速度Ｖ的大小，而管道直径和气流速度是密切相关的，所以管径的选取至关重要。所以，通常排气系统应该尽可能地设计成简单的走向，而避免过度弯曲的形状。2.3功率损失比消声器的功率损失比是发动机在标定工况下，使用消声器前后的发动机功率的差值和没有使用消声器时功率值的百分比。γ＝[（P1－P2）/P1]×100％对于γ值，QC/T631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为8％，我们一般设定为5％。2.4净化效率根据尾气排放标准的要求，一般要求排气系统对发动机排气的净化率（净化前后排气的污染物HC、CO、NOx含量之比）要求在90%以上。（具体内容见电控科编制《三元催化器设计指南》）2.5加速行驶车外噪声汽车加速行驶车外噪声需满足现行中华人民共和国的法规规定要求，其具体测量方法和限值见GB1495－2002《汽车加速行使车外噪声限值及测量方法》和QC/T58－93《汽车加速奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第8页共32页行使车外噪声测量方法》。汽车加速行使车外噪声是一个整车噪声衡量标准，影响汽车加速行使车外噪声的因素主要有三/四个：发动机本体噪声，进气系统噪声、排气系统噪声和车胎-路面摩擦噪声，并且将来车胎-路面摩擦噪声会越来越重要。各系统在满足各自的要求的基础上尽量做到更好的噪声水平。现行标准规定2005.1月以后生产的M1类汽车加速行驶车外噪声限值是74dB(A)，以下几点要特别说明：1、M1类汽车如果装用直喷式柴油机，其限值增加1dB(A)2、对于越野汽车，其最大总质量大于2t，如果额定功率＜150kW，限值增加1dB(A)，如果额定功率≥150kW，限值增加2dB(A)。3、M1类汽车，变速箱前进档多于四个，P＞140kW，P/GVM＞75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度大于61km/h，其限值增加1dB(A)通过噪声在汽车产品开发中非常重要，针对不同的市场，要达到不同的通过噪声标准，所以在产品概念设计阶段就必须要确定通过噪声的目标值。同时还要考虑到未来几年的规定变化，这方面可参照欧美法规，欧共体的标准是最严格的，不远的将来汽车通过噪声标准可能为71dB(A)。2.6插入损失以及传递函数:2.6.1插入损失:消声器的插入损失为装置消声器前后，通过排气口辐射声功率级(或者声压级)之差。D＝L1-L2对于D值，由于各发动机的噪声水平以及整车类型不同，所以插入损失的目标值也不同。QC/T631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为28dB，JB/T5081-91《中小功率柴油机消声器技术条件》规定功率损失在小于5%时，插入损失应≥25dB。我们要求在发动机各个转速下的插入损失均大于32dB。与传递损失只考虑消音元件本身不同，插入损失是考虑一个系统。也就是说除了消音元件本身外，插入损失还包括了声源和出声口(如进气口和排气尾管)的声学特征，因此这种方奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第9页共32页法是描述整个系统消音效果的最佳表达方式。2.6.2传递函数:排气系统传递函数是指空气介质传播所引起的声功率的差值，传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性，它只与自身的结构有关。在评价单个消音元件的消音效果或者初步评估系统的消音性能时，通常用传递损失。传递损失是评价消音元件消音效果最简单的一种方法，具体测量方法如下：图2排气系统由排气管，副消声器、主消声器组成，如果有三元催化器，则应该同时带上;激励体声源（能发出频率为20Hz－20000Hz的声源）放置于排气管的入口端，并用橡胶管与排气管相连。参考麦克风放置与前端橡胶管上，并在内部接受体声源发出的声功率级;接收麦克风放置于消声器的尾部，接收经过排气系统传递后的声功率级;两个麦克风所测数值的差值即为排气系统的传递函数的值。对于传递函数的目标值，根据整车对噪声水平的要求，其设定值也不相同，一般的，我们设定按图3：奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第10页共32页图中红线为传递损失的限值，在每个频率下的传递函数的值均在红线下部。根据整车的噪声水平和发动机的类型不同，可对该红线位置进行调整。2.7尾管噪声(三档节气门全开加速)排气系统尾管噪声是衡量排气系统消声效果的一个主要性能指标。尾管噪声的测量方法见图4：尾管500mm后消声器45°麦克风车辆中心平面视图奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第11页共32页图4尾管噪声的目标设定如下：（1）、在急加速和急减速的情况下，整车载荷为70KgX2，按上述方法进行测量的尾管噪声见图5：当发动机转速为1000-2000rpm时，噪声值为82dB(A)，当发动机转速为5000rpm时，噪声值为92dB(A)，当发动机转速为6000rpm时，噪声值为97dB(A)。图5在急加速和急减速的情况下，整车载荷为70KgX2，按上述方法进行测量的二阶尾管噪声见图6，四阶尾管噪声见图7，六阶尾管噪声见图8，八阶尾管噪声见图9。图6奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第12页共32页图7图8图9对于以上尾管噪声曲线，可以根据不同车型所要达到的噪声水平的不同进行调整。奇汽车有限公司奇瑞汽车有限公司排气消声系统设计开发指南编制日期：编者：版次：第13页