安秋鸿
东风汽车股份有限公司商品研发院 湖北武汉 430056
摘 要：随着我国汽车工业的快速健康发展，汽车噪声污染问题越来越突出，相应的汽车环境噪声管理法规也对各类汽车噪声控制要求越来越严格。发动机缸和排气管的噪声是目前汽车的主要噪声源，本文对国IV发动机的商用车排气系统进行分析，探究其低噪声设计及应用。
关键词:国IV发动机;商用车排气系统;低噪声设计
随着未来人们对商用车辆的动力性能逐步提高,使得商用车发动机功率大大增加,同时,高温对部件的散热影响也会导致整个商用车发动机舱内的散热条件进一步出现恶化。为有效提高商用车发动机舱散热器的效率,多数汽车厂商都会采取在商用型汽车中内部安装大功率空气冷却风扇,但这也会导致商用整车空气噪声水平偏高,影响整车驾驶舒适性。因此如何在有效提高车辆空气散热系统性能同时又有效降低车辆发动机舱内的噪声一直是亟待解决的一个问题。排气调节系统是发动机的重要构成部分,其主要由排气催化器、消声器、排气阀管道等构成,发挥着主动降低排气噪声、降低废气排放等重要作用,其排气性能的优劣直接就会影响发动机的废气排放调节性能、噪声控制性能和动力稳定性能。本文基于国IV发动机对商用车排气系统的低噪声设计方案进行优化。
1、国IV发动机概述
国家对IV类型发动机是对汽车直接排放的气体标准要求更高、对于生态环境影响较小、满足现行国家第四阶段机动车尾气污染物排放标准,汽车直接排放的气体标准是指从机动车尾气中直接排放的包括 一氧化碳 、碳氢化合物和氮氧化物、PM微粒、碳烟等多种有害物质的气体,它们都是汽车发动机在正常的燃烧过程中所可能产生的多种有害物质气体,这些多种有害物质气体所产生的原因大不相同。一氧化碳主要是汽车发动机对于燃油尾气没有充分的氧化完全而产生的中间氧化物,当燃油中的氧气不足时就会直接产生一氧化碳 ,混合气中含氧浓度大及其他混合物的排气不均匀等都可能会直接导致排气系统中的一氧化碳含量浓度增加;通过更好地利用催化器中的活性炭涂层、二次空气净化喷射以及利用带有自动冷却再循环装置的自动排气管和再循环处理系统等先进技术,控制并有效地减少了商用汽车尾气排放过程中的污染物并且使其达到国家规定的排放总量数值以下。
2、商用车排气系统噪声特点
根据各种发动机内部噪声产生的机理,发动机噪声可以分为燃烧时产生的噪声和内部机械产生的噪声,它们主要是由于发动机内部气体燃烧和机械结构内的机械受力运动时所产生的噪声。按照噪声向外辐射产生方式的不同,发动机的噪声又大致可以分为直接通过大气辐射噪声和发动机表面向外辐射噪声,发动机的内部排气管道噪声主要属于直接通过大气辐射噪声。发动机的整体排气振动噪声主要包括排气冲击振动噪声、辐射振动噪声和排气尾管振动噪声。当发动机上的排气阀完全开启后,废气以比较快的速度从气缸内快速进入排气管和歧管,冲击推动排气阀及其他部件时会产生较大噪声,并通过排气管向外部释放出来,最终以缸内空气对流噪声和缸内气流压力摩擦噪声从排气管向外传出。除排气隔热系统中的内部噪声外,发动机缸和排气管的隔热保护罩、消声器等一些具有特殊薄壁结构金属零件也是车体表面上传播噪声的主要来源,它们由于表面平且大,强度相对较低,容易将发动排气管内处于气流中的噪声向外部传播出来。整个汽缸排气系统是一个复杂且不稳定的过程,每个不同气缸之间往往存在不同气流之间的相互影响,使得整个排气过程噪声的分析研究变得更加复杂。
由于每个发动机气缸前后排气管的行程是具有周期性的,发动机缸的噪声基频与每个发动机气缸转速有关,发动机气缸转速越高时其噪声基频也就变得越高。除了基频成分,排气管的噪声源中还有一个频率大约为基频整数倍的一个高频谐波,但随着基频阶次增加,噪声也会降低。此外,发动机排气产生噪声的强弱,与发动机最大功率、排量、转速、平均有效排气压力以及排气口形状、尺寸等因素有直接关系。排气噪声随排量、转速、功率及平均有效压力的增加而提高。
3、基于国IV发动机的商用车排气系统的低噪声设计及应用
3.1发动机排气歧管隔热罩优化
隔热保护罩主要用于有效保护整个发动机隔热部件从而不受发动排气管的高温温度影响,它一般属于单层薄片、扁平状结构,强度相对较低,约束较少,容易被发动机体加热激起剧烈振动,引起排气噪声大的问题。隔热元件罩1阶段的约束模态频率为534Hz,需要不断优化其内部强度,降低其产生振动时的敏感度。
3.2发动机双层隔热罩方案
为了有效提高隔热罩的使用强度,减少其薄弱保护部位,本文主要采用双层隔热保护罩设计方法进行技术验证。通过应用软件数据分析结果计算,双层隔热防护罩优化方案的1阶约束模态为883Hz,比上次优化前模态增加了近350Hz。由于隔热约束点没有发生变化,虽然模态参数增加但位于隔热保护罩的薄弱节点位置几乎没有发生变化。在双层隔热罩之间分别设计了双层加棉保护措施,以便进一步提高吸热隔振和隔声吸音的效果。将不同材料厚度和加棉等测试方案的样件分别放到一台原机上面进行反复试验,验证后进行效果比对。在众多设计方案中,我们最终选出双层中间加棉的设计方案为最佳,它不仅能有效降低排气侧的噪声压级,而且同时能够有效消减大部分排气噪声达到峰值,能够很好满足发送机内部降噪隔音的目的。
3.3发动机增加约束隔热罩方案
为了有效率地改善每层保温隔热板与每个连接处部位的振动约束强度,减少被隔热罩振动激起的热流体振动发生危害可能,在每层隔热罩的薄弱部分位置上面都应增加热振动强度约束点,然后对其强度进行热振动强度试验并加以分析验证。经过本次软件模态优化结果计算,增加一个节点约束可使整个方案1阶段的节点约束模态优化达到838Hz,比前一个方案阶段增加了近300Hz,原来的薄弱阶段约束位置也有所改变了。在中部噪声位置连续增加中部噪声振动约束点后,隔热罩和排气防护罩原来的薄弱结构支撑位置不容易被激起从而减少了振动,噪声源的峰值振动系数值也有所显著减少,排气侧的噪声压级比之前有明显降低。
经过实验验证,2种汽车隔热保护罩噪声优化解决方案都不仅能够有效降低汽车发动机壁和排气侧壁的噪声,并且能够消除大部分排气噪声达到峰值,能够完全满足汽车噪声系统优化时的要求。选择安装方案时我们应当需要充分考虑2种安装方案的不同利弊,双层排气隔热保护罩安装方案通过同时增加不同厚度的隔热层来大大提高安装零件隔热强度,零件安装消耗的隔热材料大大增加，需要在一个排气管的歧管上通过增加额外一个螺栓来固定约束点,零件安装加工时的工艺有所增加。
结 语:
随着国IV尾气排放质量标准相关法规的不断推进和完善,人们对大气环境的重视程度越来越高,经过对发动机内部台架设计验证,双层式的隔热保护罩设计方案和通过增加一个约束点式的隔热保护罩设计方案都已经能够有效降低部分发动机内部排气侧气体噪声,并能通过消减大部分发动机排气侧的噪声达到峰值。国IV发动机的应用会越来越广泛,国IV发动机的技术也会越来越成熟。
参考文献：
[1]王日、.商用车排气系统的振动噪声问题研究[J].广西农业机械化,2019(06):43.
[2]龙芋宏, 基于国IV发动机的商用车排气系统的低噪声设计及应用研究. 广西壮族自治区,桂林电子科技大学,2016-06-17.
[3]董旭峰.商用车排气系统的振动特性研究[J].内燃机工程,2014,35(05):30-32.