排气系统设计指南

编制日期：2004-05-08 编者：王许华、贤
飞华、倪强
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排气消声系统设计指南
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汽车工程研究院
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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 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
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
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3.9.2 消声器外壳体
四、排气消声系统的设计开发流程
五、参考文献列表
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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，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,NO X 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，对排气歧管的详细设计具体见发动机设计科编制的排气歧管设计指南，对于排气净化装置的详细设计具体见电控科编制的排气净化设计指南。

典型的排气消声系统如图1所示：
图1 三、设计应用
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。

排气管 排气净化装置 副消声器 主消声器
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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/T 57－93 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/T 631－1999 汽车排气消声器技术条件
QC/T 630－1999 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/T 58－93 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 汽车定置噪声限制及其测量方法
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。

1.4 排气系统必须满足顾客对噪声的要求。

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。

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/T 524设定测点测得的压强。

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A VL发动机，具体的数值见表一
表一：
发动机型号排气背压目标值
1.6L CBR VVT <350mbar@rated speed
1.6L Low Cost <350mbar@rated speed
2.0L TCI GDI <500mbar@rated speed
2.0L TCI MPI <500mbar@rated speed
2.0L CBR VVT <350mbar@rated speed
2.0L Low Cost <350mbar@rated speed
3.0L V6 CBR VVT <350mbar@rated speed
2.4L V6 CBR VVT <350mbar@rated speed
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4.0L V8 CBR VVT <350mbar@rated speed
1.3L CBR VVT <350mbar@rated speed
1.3L Low Cost <350mbar@rated speed
1.0L CBR VVT <350mbar@rated speed
0.8L CBR VVT <350mbar@rated speed
1.9L TCI HSDI <300mbar@rated speed
1.9L TC HSDI <300mbar@rated speed
1.9L NA HSDI <250mbar@rated speed
1.3L TCI HSDI <300mbar@rated speed
2.9L TCI HSDI <300mbar@rated speed
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/T 631－1999《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/T 58－93《汽车加速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个：发动机本体噪声，进气系统噪声和排气系统噪声。

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。

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/T 631－1999《汽车排气消声器技术条件》规定为>28dB，我们要
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求在发动机各个转速下的插入损失均大于30 dB。

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，主要是评价消声器的消声效果。

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：
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0500100015002000
Frequenz - Hz
-80 -70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
dBA 图3
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
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：
图4
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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82 dB(A)，当发动机转速为5000rpm时，噪声值为92 dB(A)，当发动机转速为6000rpm时，噪声值为97 dB(A)。

图5
3、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
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图7
图8
图9
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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。

2.8 振动
排气系统由于受到排气流的剧烈冲击，产生强烈振动，因此隔振是降低振动噪声很重要的一方面，本部分内容将在吊钩位置的选择和橡胶吊环的选择上进行介绍。

同时，在进行排气系统设计时，要避免与整车固有频率范围重合，应尽量做到差距越大越好，一般地，车身固有频率在25Hz－34Hz之间，因此排气系统振动频率不能设计在这个范围内。

3 系统及零部件的设计
3.1、系统布置
3.1.1布置原则
对一个完整的排气系统，从前到后，一般布置次序是：预催化器、补偿器（波纹管）、主催化器、前消声器、后消声器。

排气管用于连接以上不同部件。

排气管分段以及连接方式主要根据安装和维修方便确定。

如果补偿器采用球面法兰，一般不把球面法兰布置在催化器之前。

对于满足欧Ⅱ及以下排放标准的排气系统，由于欧Ⅱ标准不涉及冷启动阶段的排放限制，所以一般可不采用预催化器而只采用一个主催化器。

对于满足欧Ⅲ及以上排放标准的排气系统，一般在排气歧管出口处布置预催化器（即CCC，Closed Couple Catalyst）或者在预催化器前的排气管段采取良好的保温措施。

主催化器一般布置在车身底板下，所以又叫底板下催化器（Under Floor Catalyst）。

消声器有一级、二级、三级之分。

二级消声应用最多，SUV、跑车等追求动力性的车辆一般才采用一级消声器。

对于二级消声，我们将其分别称为前消声器
主消声器
副消声器
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3.1.2 间隙要求
排气系统与各相邻部件地间隙关系见图11：
图11
各相邻部件耐温在150℃以下的越远离排气系统越好，相对产生运动部件最少保证与排气系统的间隙大于25mm。

3.1.3吊钩位置的选取
排气系统吊钩位置的选择遵循以下原则：
（1）、吊钩应该位于振动的节点上；
（2）、吊钩应该在纵向能够延伸；
（3）、吊耳应该位于车身结构的刚性处。

对于排气系统吊钩位置的选取必须借助CAE分析来进行，首先对排气系统进行各阶模态分析（见图12）来确定排气系统上的最佳吊钩位置，根据此位置来确定车身吊钩位置，并增加车身吊钩位置处的刚性。

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3.2消声容积的确定
消声容积指排气系统所有消声器的容积之和。

消声器的容积决定了其消声量，因此容积确定的正确与否，将直接影响到整车的噪声水平。

由于消声器的容积主要根据发动机的最大功率和扭矩决定，我们通常采用以下公式：
Ｖm＝k×P
Ｖm＝消声器的容量（L）K＝0.14 P＝输出功率（Ps）
根据不同车型对噪声的要求水平，K可选0.10～0.20之间不同的值。

图13为消声器容积与发动机功率之间的关系。

我们尽量将消声器的容积控制在红线附件，不能超出蓝线范围。

图13
3.3排气管径的选取
为获得良好的噪声和低的背压，在排气管和消声器内的排气流速应分别低于0.35c和0.25c（c——声速）。

我们可根据此要求来计算排气管的最小管径。

假设某发动机最大排气流量为m(kg/h)，排气温度为T (K)，压力为P(Pa)，在温度T和下气流密度为ρ（kg/m3），声速为c（m/s）。

则排气管最小流通面积Smax 为:
Smax=m/900cρ。

排气管最小内径为d= 4Smax/π。

3.4、消声器
消声器一般要求有大的消声量和消声频率范围，小的排气阻力(即排气背压)和良好的耐久性（3年或者10万公里无异常）。

3.4.1消声器的截面形状
消声器的截面形状尽量避免扁平状，并尽可能往圆形靠近，其设计方案的选
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择如图14的规则
图14
3.4.2消声器内部结构
消声器内部结构的设计是一个很复杂的课题。

按消声器的消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器三类。

阻性消声器是利用在管道内适当的布置吸声材料，部分的吸收管道中传播的声能，类似电路中的电阻的作用。

这类消声器的特性是在中、高频范围内有良好的消声效果。

抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道或共振腔内发生反射或干涉，从而降低所输出的声能。

抗性消声器的消声频带较窄，在中、低频消声效果较好，高频较差。

阻抗复合型消声器是将阻性和抗性消声器结合起来，故从低频到高频都有较好的消声效果。

目前的汽车消声器的设计中，主要结构采用抗性消声原理，而在其中某些结构则采用阻性原理。

典型如图15所示
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3.5、净化装置
具体见电控科编制排气净化设计指南
3.6、补偿器
补偿装置是排气系统减振降噪的一个重要部件，同时也是提高排气系统使用寿命的重要部件。

它把由发动机引起的振动及扭转进行吸收，从而降低排气系统的振动传递，同时改善排气系统的受力，提高使用寿命。

我们常见的补偿器有两种形式：波纹管和球形连接。

3.6.1波纹管
典型的波纹管如图16所示:
悬挂系统分为两种，一种是断耦式，另一种是半断耦式。

断耦式，就是采用柔性极高的波纹管（如采用0.25mm/层×2层的波纹管结构或者波纹管相当长）将发动机与排气系统的振动和晃动完全阻隔开。

断耦式的波纹管不起承载作用，所以波纹管后段的排气系统需设计前后左右上下六方向位移皆有极好限制作用的悬挂。

比如我公司生产的B11轿车就是一个典型的断耦式排气悬挂系统。

半断耦式，就是采用强度较大的承载式波纹管（如采用0.4mm/层×2或3层
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的波纹管结构），发动机的振动和晃动有部分传递到排气系统。

采用半断耦式的排
)
图17
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图18
图19
球形连接具有空间小的特点，同时能很好的起到补偿作用，现越来越被广泛采用。

对于球形连接的设计，必须满足以下的技术要求;
1、在49 kPa {0.5 Kgf/cm²}.压力下，漏气量小于0.79L/min。

2、在振动角为± 6︒，振动频率为2.5Hz，所受振动力为980 ±98N，温度为
700± 10︒C的条件下，完成振动次数为100 ⨯ 104 次。

3.7 橡胶吊环
图20所示为汽车排气系统常用橡胶吊环。

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图20
橡胶吊环有如下作用： 1、将排气系统与车身相连
2、尽可能的将排气系统的振动隔离，使之尽可能少的传递到车身上。

鉴于此，一般地，橡胶吊环采用材料为EPDM,其特性选择见表二 表二：
图21
Z
X
Y 0
5
10
1520
25110100频率弹性系数
P方向Q 方向R 方向对数 (P方向)
Z 方向
X 方向 Y 方向振动条件 1W ±0.40㎜
Y 向：6.7N/㎜ X 向：3.4N/㎜ 21、22
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图22
3.8 隔热部件
如果需要，根据具体位置选取隔热装置，一般采用镀铝隔热板，其性能达到的要求为：隔热板两边的温差达到150℃。

3.9 材料选择
3.9.1排气管、消声器内组件
由于汽油燃烧后产生NO X ,硫化物，水等，冷却后将形成酸，并部分积蓄在消声器内，对排气系统容易产生腐蚀，因此，排气管、消声器端盖、内部隔板、内部消声管以及消声器筒体内层最常用的材料是SUH 409和SUH 409L 。

SUH 409的主要成分含量：
C%≤0.08 Si%≤1.00 Mn%≤1.00 P%≤0.040 S%≤0.03 Cr:10.50-11.45 Ti:6×C%-0.75
SUH 409L 的主要成分含量：
C%≤0.03 Si%≤1.00 Mn%≤1.00 P%≤0.040 S%≤0.03 Cr:10.50~11.45 Ti:6×C%-0.75
SUH 409的机械性能：
抗拉强度≥360N/mm 2 屈服强度≥175N/mm 2
05
10
152025110100
频率
弹性系数
P方向Q 方向R 方向
对数 (P方向) Z 方向
X 方向 Y 方向振动条件
1W ±0.0.05㎜
Y 向：6.7N/㎜ X 向：3.4N/㎜
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伸长率≥22%
SUH 409和SUH 409L类似于ISO的1Ti，美国AISI的409，德国的X6CrTi12
3.9.2 消声器外壳体
考虑到耐腐蚀性的要求比内层低，以及重量和经济性，消声器筒体外层一般采用镀铝板SAID-80.
四.排气消声系统的设计开发流程
步骤责任方交付物交付时间用途
设计输入
发动机数据奇瑞数据
底盘数据（底盘通道走向）奇瑞数据
厂家资源需求（发动机、整车等）奇瑞厂家所需资源
技术要求（背压、噪声、可靠性）奇瑞数据
边界条件（比如边界模型）奇瑞数据
催化器数据（催化器对系统的背压、噪
声影响）奇瑞数据
系统预开发
系统背压分析厂家分析报告(Flow
master之类软件分
析）
根据设计方案，预见性的分
析系统的背压值。

若无分析
软件，请外委其他公司做
系统布置厂家三维数模（UG/Catia/Proe）
噪声预开发厂家消声方案以及方
案分析报告根据经验设计首套消声方案
消声系统开发
1a样件设计厂家设计方案报告1a样件制作厂家手工样件2套
1a样件试验厂家试验报告背压测试、噪声测试以及频谱图
确定排气系统的背压、传递函数，签订奇瑞背压、传递函数
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技术协议
1b样件设计厂家设计方案报告根据1a样件试验结果以及背压、噪声要求进行调整后的设计
1b样件制作厂家手工样件2套
1b样件试验厂家试验报告背压测试、噪声测试以及频谱图，通过噪声测试
1c样件设计厂家设计方案报告根据1b样件试验结果进行调整
1c样件制作厂家手工样件2套
1c样件试验厂家试验报告背压测试、噪声测试以及频谱图，通过噪声测试
可靠性开发
提出材料明细方案厂家材料明细
系统模态分析厂家分析报告确定波纹管方案、确定悬挂方案。

系统热应力、振动试验厂家试验报告确定排气系统在整车上的温度分布、振动模式
系统疲劳试验厂家试验报告热耐久试验以及振动台架试验
OTS工装样件提供厂家工装样件25套（分期提供）
验证试验奇瑞试验结果背压验收、传递函数验收、通过噪声验收、振动台架试验验收、可靠性路试验收
SOP
五、参考文献列表
1、汽车构造第三版吉林工业大学汽车工程系陈家瑞主编
2、QC/T 57－93 汽车匀速行使车内噪声测量方法
GB16170－1996 汽车定置噪声限制
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QC/T 630－1999 汽车排气消声器性能试验方法
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GB18352 轻型汽车污染物排放限值及测量方法
GB14365-93 汽车定置噪声限制及其测量方法。