【文章內容簡介】 SUS436L（ 17Cr1MoLC， N）， SUS430J1L等鐵素體系不銹鋼，但在采用中空雙重時，還有的使用奧氏體系不銹鋼作內管。 作為今后的發(fā)展趨勢，低成本、抗氧化性和熱疲勞特性好的鐵素體系不銹 鋼毫無疑問將成為主流。尤其是，由于排氣溫度的高溫化和管子的薄壁化，可以認為將采用高溫性能更好的鋼種。 3）催化轉換器 對于催化轉換器用箔材的要求是抗氧化性要好，因此使用了 FeCrAl系鐵素體不銹鋼。具有代表性的鋼種是 Fe20Cr5Al 合金。為提高氧化皮膜的密封性，還有的添加了少量 Hf、 Y、 Ce 等稀土類金屬元素（ REM）。今后對抗氧化性的要求將會進一步提高。對于催化轉換器的外殼，大部分是使用 SUS430（ 17Cr）系不銹鋼，但隨著排氣溫度的升高，目前還有的正在使用 SUS430J1L 或 SUS429 系等高 溫特性更好的鐵素體系不銹鋼。 4） 主消聲 器 各種不銹鋼耐冷凝水腐蝕性的比較結果表明，在有鹽化物共存的條件下，容易發(fā)生點腐蝕。為抑制在這種環(huán)境下發(fā)生點腐蝕，有效的辦法是添洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 加 Cr 和 Mo，基于這一點考慮，目前正在加快材料的開發(fā)。作為內外面都處于嚴酷腐蝕環(huán)境下的主消音器用材料，以往使用的是熱浸鍍鋁鋼板和SUS410L 及 YUS409D，但目前正采用耐蝕性更高的不銹鋼予以替代。最初采用的是高 Cr、耐蝕性好的 YUS180 和減少 Si 含量、提高加工性的 YUS180S。 其后，隨著實際消音器用材料在腐蝕環(huán)境下評價的發(fā)展，提出了 各種與之相應的不銹鋼評價試驗法。新日鐵提出了半浸漬加熱循環(huán)試驗法（下稱 NSC試驗法）。采用這種方法能對接近實際環(huán)境下的消音器用材料耐蝕性進行評價。結果可知，添加 Cr 和 Mo 能有效地抑制不銹鋼在冷凝液中發(fā)生局部腐蝕，于是開發(fā)了 YUS436S（ ）。該鋼的特征是通過優(yōu)化 Cr 和 Mo 的添加量，抑制了決定消音器壽命的點腐蝕的發(fā)生和擴大，另外為固定碳化物，不選擇添加 Nb，而是選擇添加 Ti，因此采用高效率的普通鋼生產(chǎn)工序（采用串列式軋機冷軋 連續(xù)退火 酸洗）就能生產(chǎn)出。目前，YUS436S 正被廣泛用 作排氣系統(tǒng)用零部件。 最近，由于降低成本的需要，正重新看待實際消音器的腐蝕環(huán)境，隨之液正在進行相應的材料選擇，有的已開始使用 YUS432（ ）。出于美觀和防腐的需要，有的外殼或末端板采取鍍鋁處理。 5）排氣尾管 由于末端管的使用溫度低，因此從材料的性能來看，使用鍍鋁鋼板就可以了，但是，從圖案性的方面來看，有的使用 SUS409L 和 SUS430 系等高純度鐵素體系不銹鋼，有的則使用奧氏體系的 SUS304 不銹鋼。在對圖案有特別要求的情況下，還有的使用鍍 Cr不銹鋼鋼管或熱浸鍍鋁不銹鋼鋼管。 汽車排氣系統(tǒng)的聲學分析 排氣系統(tǒng)噪聲發(fā)生機理 發(fā)動機的排氣過程按照排氣氣流的流速可分為自由（或稱超臨界）排期階段和強制（或稱亞臨界）排氣階段。當排氣門開啟時，高溫高壓的排氣由氣缸內已接近當?shù)芈曀俚牧魉倥湃肱艢夤苤?，在排氣門附近發(fā)生壓力劇變，形成強烈的壓力擾動波。壓力波在氣缸內發(fā)生多次反射，產(chǎn)生強烈的噪聲。影響排氣噪聲的主要因素有：氣缸壓力、排氣門直徑、發(fā)動機排洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 量以及排氣門開啟特性等。排氣噪聲一般包含以下成分：基頻排氣噪聲、氣柱共振噪聲、渦流噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、紊流噪聲等。 影響排氣噪聲的主要因素 1)發(fā)動機轉速和負荷對排氣噪聲的影響 影響排氣噪聲的主要因素是：氣缸壓力、排氣門直徑、法定及排量以及排氣門開啟特性等。對同一臺發(fā)動機來說，影響排氣噪聲最大的因素是發(fā)動機的傳遞和負荷。 以一臺 4 缸、 2 升的柴油機，在空負荷、不同排氣系統(tǒng)時的排氣噪聲與傳遞作比較。由相關數(shù)據(jù)顯示，當轉速增加一倍時，排氣噪聲增加 12—14dB；不同的排氣系統(tǒng)對噪聲級隨轉速變化的影響不大。 由于排氣壓力與發(fā)動好幾負荷密切相關，因此，排氣噪聲在空負荷 和全負荷時差別較大。 由相關數(shù)據(jù)顯示，幾種不同的發(fā)動機在 轉速增加一倍時，空負荷的排氣噪聲增加 10— 14dB，二全負荷時的排氣噪聲僅增加 5— 9dB。這就說明 發(fā)動機在全負荷時，各轉速下的排氣壓力變化是不大的 。 綜合試驗數(shù)據(jù)得出排氣噪聲與發(fā)動機轉速、平均有效壓力、發(fā)動機排量的關系如下： 四沖程汽油機： L=28lgn+20lgPe+15lgVh+K1 四沖程柴油機： L=25lgn+20lgPe+13lgVh+K2 式中， n 為發(fā)動機轉速， r/min； Pe 為平均有效壓力， kgf/ cm2。 Vh 為發(fā)動機排量， l。 K K2 為與發(fā)動機結構有關的常 數(shù)。 2)不同類型發(fā)動機排氣噪聲的比較 同等功率的二沖程機比四沖程機的排氣噪聲大，主要原因是：①二沖程機為了充分換氣，一般比四沖程機排氣開始時刻早，因而排氣開始時氣缸壓力較高，故排氣噪聲大些。②二沖程機通常轉速較高，單位時間內平均換氣量比四沖程機多，排氣次數(shù)也多一倍，因此產(chǎn)生的氣流聲和渦流聲大，頻率也高。③為了保證掃氣效果，二沖程發(fā)動機不宜采用結構復雜的消聲器。 柴油機一般比汽油機的排氣噪聲大，這是因為：①柴油機工作時，最高洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 爆發(fā)壓力和壓力增長率均比汽油機的高，因此，同等功率相比，柴油機排氣噪聲較大。 ②同一功率的發(fā)動機，往往汽油機的缸數(shù)較多，因而改善了排氣系統(tǒng)中的氣流脈動。 3) 渦輪增壓對排氣噪聲的影響 采用渦輪增壓后，由于氣門開啟瞬間所產(chǎn)生的噪聲通過渦輪機之后，其能量將有很大衰減，再自渦輪機排氣口排出時噪聲將明顯降低。這是非增壓四沖程機明顯的低頻部分的基頻噪聲消失了，而渦輪機本身所具有的高頻渦流噪聲仍然具有較高的噪聲。 降低排氣噪聲的主要方法 1) 從噪聲源本身采取措施 這需要從噪聲源機理分析入手，采取相應的對策，但這些措施往往又要涉及到排氣系統(tǒng)，如凸輪軸、氣門機構以及氣缸蓋的設計，而這 些又要影響到內燃機其他方面的性能，因而需要綜合考慮并進行大量的試驗研究。主要工作集中在不改變發(fā)動機性能和排氣系統(tǒng)不做大的改變的情況下，采取一些措施來降低聲源噪聲“諸如：改變排氣歧管的布置，使吹過管口的氣流方向與該管的軸線方向夾角保持在最不易策動該管發(fā)生共振的角度范圍內；合理設計各支管的長度，使管的聲共振頻率錯開，使各排氣支管管口及各管之間連接處都有較大的過渡圓角，減小界面突變，避免管口存在尖銳的邊緣，以減弱聲共振作用；提高排氣門桿、氣門歧管和排氣道內壁面的光潔度，以減小紊流附面層中的渦流強度；在保證排氣門剛 度和強度的條件下，盡可能地減小排氣門桿直徑，等等。 2) 從噪聲源外圍采取措施 噪聲減振措施包括采用消聲器和控制由發(fā)動機排氣歧管傳來地機械振動，這些措施的采用不影響發(fā)動機的性能，又比較容易實現(xiàn)，其中最主要、最有效、最簡單的是采用排氣消聲器。 ① 隔離排氣歧管傳遞的振動 隔振是一種有效的降低噪聲的方法。將軟彈性管裝在排氣歧管和前排氣管之間，以便隔離由排氣歧管傳來的振動 ② 用消聲器消聲 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 現(xiàn)在用得最普遍的方法是安裝消聲器消聲，消聲器消聲與其它消聲方法相比更具有針對性，它可針對峰值頻段制定消聲策略，其實際效果 也隨著消聲器設計技術的發(fā)展而最為顯著，這也正是本文所研究的主要內容。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 第 3 章 汽車排氣系統(tǒng)消聲器的開發(fā)設計 消聲器的基礎理論 消聲器的基本工作原理 汽車消音器的原理就是其排氣管是由兩個長度不同的管道構成，這兩個管道先分開再交匯。由于兩個管道的的長度差值等于汽車所發(fā)出的聲波 圖 31 汽車消聲器 波長的一半，使得兩列聲波在疊加時發(fā)生干涉時相互抵消而 減弱聲強，使聲音減小，從而起到消音的效果。 消聲器的分類及結構形式 阻性消聲器主要是利用多孔吸聲材料來降低噪聲的。把吸聲材料固定在氣流通道的內壁上或按照一定方式在管道中排列，就構成了阻性消聲器。當聲波進入阻性消聲器時，一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉化成熱能耗散掉，使通過消聲器的聲波減弱。阻性消聲器就好象電學上的純電阻電路，吸聲材料類似于電阻。因此，人們就把這種消聲器稱為阻性消聲器。阻性消聲器對中高頻消聲效果好、對低頻消聲效果較差。 抗性消聲器是由突變界面的管和室組合而成的 ，好象是一個聲學濾波器，與電學濾波器相似，每一個帶管的小室是濾波器的一個網(wǎng)孔，管中的空氣質量相當于電學上的電感和電阻，稱為聲質量和聲阻。小室中的空氣體積相當于電學上的電容，稱為聲順。與電學濾波器類似，每一個帶管的洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 小室都有自己的固有頻率。當包含有各種頻率成分的聲波進入第一個短管時，只有在第一個網(wǎng)孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網(wǎng)孔到達第二個短管口，而另外一些頻率的聲波則不可能通過網(wǎng)孔．只能在小室中來回反射，因此，我們稱這種對聲波有濾波功能的結構為聲學濾波器。選取適當?shù)墓芎褪疫M行組合．就可以濾掉某些頻率成 分的噪聲，從而達到消聲的目的?？剐韵暺鬟m用于消除中、低頻噪聲。 把阻性結構和抗性結構按照一定的方式組合起來，就構成了 阻抗復合式消聲器 。 微穿孔板消聲器 一般是用厚度小于 1mm 的純金屬薄板制作，在薄板上用孔徑小于 1mm 的鉆頭穿孔，穿孔率為 1%一 3%。選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深， 就可以控制消聲器的頻譜性能，使其在需要的頻率范圍內獲得良好的消聲效果。小孔消聲器的結構是一根末端封閉的直管，管壁上鉆有很多小孔。小孔消聲器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)的，如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替，當氣流經(jīng)過小孔時、噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或 超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人的干擾和傷害 。 有源消聲器的基本原理是在原來的聲場中，利用電子設備再產(chǎn)生一個與原來的聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在一定范圍內與原來的聲場相抵消。這種消聲器是一套儀器裝置，主要由傳聲器、放大器、相 移裝置、功率放大器和 揚聲器 等組成。 汽車排氣消聲器分析設計方法 排氣噪聲的頻率特性 內燃機工作時，廢氣以脈沖的形式從排氣縫隙中噴出，產(chǎn)生能量很高、頻譜很復雜的噪聲。這種噪聲呈現(xiàn)出明顯的寬頻帶特征，隨著內燃機結構、種類以及內燃機轉速等的不同，將會有不同形狀的頻譜。內燃機的排氣噪聲一方面通過氣道內的氣體傳播，另一方面激勵氣道壁振動，產(chǎn)生二次噪聲。排氣噪聲的組成主要分為：低頻脈動噪聲、排 氣管道內的氣柱噪聲 、氣缸的赫爾姆霍茨共振噪聲、高速氣流在通過排氣門環(huán)隙及曲折的管道時所產(chǎn)生的噴注噪聲、渦流噪聲以及排氣系統(tǒng)在管內壓力波激勵下所產(chǎn)生的再生噪聲形成連續(xù)性高頻噪聲。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 汽車的排氣噪聲呈明顯的低頻性，能量主要集中在基頻及其倍頻的范圍內；中頻范圍主要是排氣管內氣柱震蕩的固有噪聲；高頻范圍內主要包括燃燒噪聲和氣流通過其口的空氣動力噪聲，頻率在 I000Hz 以上，并且隨氣流速度增加，頻率顯著提高。大量實驗表明，排氣噪聲的強弱與內燃機的類型、排量、功率、轉速、平均有效壓力和排氣口的面積直接相關，且氣噪聲 隨排量、轉速、功率、平均有效壓力的增加而提高。 內燃機周期性燃燒過程和進、排氣門開閉時所產(chǎn)生的低頻脈動沖擊噪聲的基頻及其諧波頻率： kNif ?60? （ 31） 式中 N 為內燃機主軸轉速； i 為氣缸數(shù) 。k 為諧波序數(shù)；τ為沖程系數(shù)，對于二沖程 τ =1 ，四沖程τ = 2。 消聲器的設計指標的確定 由于汽車排氣消聲器需要在不同負荷、不同轉速下工 作，這就要求排氣消聲器在不同溫度、流速下，在寬頻帶范圍具有較高的消聲值，較低的功率損失 .重要的是選擇合理的設計指標 .國際上評價汽車噪聲通常采用以一定工況加速或勻速行駛時產(chǎn)生的 A 計權整車噪聲級作為評價量 .汽車噪聲是一個典型的綜合噪聲源，包括排氣噪聲、發(fā)動機噪聲、車體振動噪聲等 .排氣消聲器的功能僅是降低排氣噪聲 .消聲量過大，犧牲發(fā)動機功率和增加成本，并不能進一步降低整車噪聲 ..反之， 消聲器的消聲量過小， 排氣噪聲仍是主要噪聲源，達不到降低整車噪聲的目的 .消聲器的合理設計指標取決于車輛類型和其它噪源的強度 .針對 我國汽車噪聲的現(xiàn)狀，表 所列各類消聲器推薦設計指標是合理可行的。 表 各類消聲器推薦設計指標 車輛類型 插入損失 (A) 功率損失比 .% 摩托車 20~25 5 載重汽車 20~25 5 工程車輛 15~30 5 大中型客車 25~30 5 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 18 小轎車 30~40 5 消聲器結構 的確定 消聲器的結構類型的確定 按照消聲機理不同，可將消聲器分為阻性消聲器、 抗性