林尚锦 刘淑玉 庞士明 黄名宗

林尚锦

本科学历，现就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，任排气系统工程师，主要从事汽车排气系统开发工作。

摘要：某混合动力汽车怠速工况下排气噪声比传统燃油车大，且噪声波动范围大，须找出排气噪声波动大的影响因素，细化混动车型排气噪声测试方法，制定设计优化方案降低怠速排气噪声。研究表明，该混动车型怠速充电标定对排气噪声影响较大，经过设计优化后怠速排气噪声有很大改善。该研究对后续混动车型怠速排气噪声测试方法和设计优化具有重要参考和指导意义。

关键词：排气系统;怠速噪声;混动怠速;CAN跟踪;排气消声器

中图分类号：U473 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（ 2021） 06-0073-05 Exhaust Noise Research and Design Optimization on Idling of a

Hybrid Electric Vehicle

LIN Shang-jin， LIU Shu-yu， PANG Shi-ming， HUANG Ming-zong

（ SAIC-GM-Wuling Automobile CO. Ltd. Liuzhou 545007， China）

Abstract：A hybrid electric vehicle exhaust noise is larger than traditional fuel vehicle and itvary greatly in a large range on idle condition. It is required tofind out the influence factors ofexhaust noise volatility and refine the hybrid vehicle exhaust noise test methods. It must makeoptimization design solutions to reduce exhaust noise on idle condition. The study shows thatthe hybrid electric vehicle idle charging calibration had a greater influence on exhaust noise，and. The study has significance reference and guidance for exhaust noise test method anddesign optimization for hybrid electric vehicle on idle charging condition.

Key Words： Exhaust System， Idle Noise， Hybrid Idle， CAN Tracking， Exhaust Muffler

1 前言

随着国家碳达峰目标的加快和油耗法规越趋严格，混合动力汽车作为降低汽车碳排放和降低汽车油耗的重要技术解决方案之一，越来越受到汽車厂家的重视。然而混合动力汽车比传统燃油车工况更复杂，对汽车的NVH提出严峻的挑战，尤其是怠速工况挑战更大。某混合动力汽车在开发过程中，怠速工况排气出口噪声比传统燃油车大很多，且波动范围大，无法满足噪声要求，需找出怠速排气出口噪声波动大的影响因素，并制定方案优化设计，改善怠速排气噪声。

汽车排气系统主要功能之一为降低发动机排气噪声，常用基本消音元件扩张腔、赫姆霍兹谐振腔、四分之一波长管等来降低排气噪声，消音元件消声性能常用传递损失来评，排气出口处最终噪声指标由声压级大小来评价[1]。本文采用传递损失来评价单个消声器方案的好坏，采用距离排气出口500mm@45。处的噪声声压级来评价最终噪声指标，如图1所示：2噪声特征分析

经观察分析，该混动汽车怠速噪声波动很大，初步判断与动力电池SOC馈电状态发动机转速和扭矩负荷工况相关。跟踪采集CAN报文发动机转速、扭矩、电池电量和排气出口噪声数据，结果显示：排气出口噪声（如图2）跟发动机扭矩负荷（如图3）强相关，而发动机扭矩和电池电量SOC（如图4）强相关：

（1）当电池电量SOC≤a时，发动机采用大扭矩负荷带动发电机提高充电功率给动力电池快速补电，此时排气口噪声比较恶劣;

（2）当a<电池电量SOC≤b时，发动机采用稳定扭矩带动发电机采用稳定充电功率给动力电池稳定补电，此时排气口噪声趋于稳定;

（3）当电池电量SOC>b时，发动机扭矩下降到传统燃油车怠速水平，此时排气口噪声回落到传统燃油车噪声水平。

由此可见，排气出口噪声波动随动力电池SOC馈电时整车标定的发动机充电扭矩影响较大。

由于发动机大扭矩状态时间很短暂即达到稳定状态，故只需解决稳定充电状态工况的排气口噪声即可。原车稳定状态时排气出口总声压级为67.4dB，1/3倍频图显示噪声主要集中50-250Hz中低频。利用G T_Power[2]分析计算原车副消和主消传递损失发现，在中低频传递损失不足，表面消声器中低频消音能力偏低，最终导致排气口噪声大，如图6所示：

3 排气消声原理

排气降噪常用消音元件扩张腔、霍尔姆兹谐振腔、四分之一波长管来降低排气噪声，消声性能常用传递损失来评价。

（1） 1/4波长管

如图7所示，1/4波长管是安装在主管道上的一个封闭管子，传递损失理论计算公式[1]：

其中，TL为传递损失dB;m=S2/S1为扩张比，对于圆形截面m=D2/d2，D为主管道直径，d为1/4波长管直径;九为噪声波长;L为1/4波长管长度。

当L=

4时，传递损失TL达到最大值，此时，共振频率理论计算公式为[1]：

（2）

（2）赫姆霍兹谐振腔

赫姆霍兹谐振腔如图8所示，由一个封闭主腔室和喉管组成，喉管连接在主管道上，传递损失理论计算公式[1]：

（3）

其中，TL为传递损失dB;SI为支管道截面积，S2为主管道截面积;fc为共振频率;伪激励频率。

当激励频率和共振频率相等时，即f=fc时，传递损失TL达到最大值，所以，共振频率理论计算公式为[1]：

（4）

（3）扩张腔

如图9所示，扩张腔由一个主腔室和两边与之相连接的进出气口管道组成，传递损失理论计算公式[1]：

TL=lOxlg

其中，TL为传递损失dB;m=S2/S1为扩张比，对于圆形截面m=D2/d2，D为扩张腔直径，d为管道直径;九为噪声波长;L为扩张腔长度。

当L=

4时，传递损失TL达到最大值。此时，共振频率理论计算公式为[1]：

（6）

然而，排气系统常用带插入管的扩张腔来进行调音，如图10所示。带插入管的扩张腔除了基本扩张腔的功能外，还附带有1/4波长管的额外效果，插入管的长度La或Lb决定了1/4波长管消音中心频率[1]，即：

结合（1）～（7）公式定性分析：

（1）对于1/4波长管和扩张腔：①扩张比mT越大，传递损失TL↑;②长度↑或La或Lb↑越大，中心频率fc↓越低;

（2）对于赫姆霍兹谐振腔：①体积V ↑&L↑越大，中心频率fc↓越低;②连接管道截面积S1↓越大，中心频率fc↓越低。

由于底盘空间的限制，排气消声器一般布置副消声器（如图11）和主消声器各（如图12）。排气消声器很少出现上面明显的扩张腔、赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管，常见设计在一个大壳体内隐藏起来、以穿孑L消声器的形式构成复合消声器。穿孔数量越多，相当于一个扩张腔，穿孔数量越少，相当于一个赫姆霍兹谐振腔，内管和隔板上穿孔数量和位置决定了消声特性[1]。

4 方案优化设计

某混合动力车型排气系统设计如图13所示，副消在前、主消在后。原方案排气消声器内部结构如图14和图15所示：

（1）副消优化方向：

方案FMOI：增加隔盘，隔盘上打孔，副消形成2个扩张腔，如图17所示：

方案FM02：在方案FM01基础上，外径到120mm，提高扩张比m↑，如图18所示：

（1）主消优化方向：

方案RMOI：在原方案基础上增加1块隔盘，隔盘不开孔，形成新增1個赫姆霍兹谐振腔，喉管做成细长型，增强低频消音能力，如图16所示。

方案RM02：在原方案基础上增加2块隔盘，隔盘上打孔，形成双边双出口结构，单边3腔一双边6腔结构，如图19所示：

利用GT-POWER计算各个方案传递损失[2]，结果如图20所示。对比传递损失，副消方案FM02和主消方案RM02中低频消音能力更好。

5 试验验证

对副消和主消各个优化方案进行排列组合验证，在整车半消音室进行排气出口噪声测试，结果如表1。结果表明，优化组合2-4效果较好。由于优化组合2副消方案直径Φ120mm改变了外部边界，导致副消与周围零件间隙不符合要求，不予采用;优化组合4主消RM02采用双尾管结构，设计更改较大不符合项目时间要求，不予以采用。最终选择优化组合3（副消FMOI+主消RMOI）作为最终方案。对比低频50-250Hz噪声结果，优化组合3（副消FM01+主消RMOI）低频噪声明显降低，如图21所示。结合主观评价结果，优化组合3排气出口噪声完全满足设计要求。

6 结束语

在针对该混动车怠速排气噪声波动大、测试结果不稳定的问题研究，优化了测试方法，测试方法上采用同时跟踪采集整车CAN发动机转速、扭矩和动力电池电量SOC报文工况数据。在优化设计研究中，提高副消外径和主消双尾管方案值得后续新车型设计借鉴。该问题解决过程和方法对类似问题解决具有重要参考和指导意义。

参考文献：

[1]庞剑、谌刚、何华，《汽车噪声与振动—理论与应用》，北京理工大学出本社，2006.P203/P214/P206/P208/ P225/P212/ P240-243

[2]马忠，黄平《基于GT-Power软件的穿孔管消声器传递损失预测研究》，现代车用动力，2008年5月第2期No.130

专家推荐语

蔡文新

东风汽车集团有限公司技术中心

动力总成专业总工程师 研究员级高级工程师

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