汽车综合式净化消声器设计
摘要：汽车行业兴起与发展在给我国带来巨大经济效益的同时，也带来诸多需要解决的问题，首当其冲的便是环境污染问题。早在二十世纪四十年代初，美国洛杉矶就因为汽车数量过度膨胀，发生了令世界震惊的光化学烟雾事件，导致了四百多人死亡。而在最近两年，全国各地都不同程度上出现了雾霆天气，而在京津冀地区尤为严重。PM2.5也渐渐成为了一个新兴的热词，并被我国作为现下监测空气指数的一个重要指标。PM2.5指的是环境空气中空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物。据中国科学院“大气灰霆追因与控制”专项组最近公布了最新的研究报告，该结果表明造成城市大气中PM2.5浓度升高的最大因素就是机动车尾气的过度排放。所以要想控制PM2.5，关键就是要控制机动车的尾气过度排放。
关键词：汽车；催化转化器；净化消声器
Design of Comprehensive Muffler for Automobile
Abstract: The rise and development of automobile industry brings great economic benefits to our country at the same time, but also brings a lot of problems to be solved, bear the brunt of the problem of environmental pollution. As early as the early 1940s, the United States Los Angeles because of the excessive expansion of the number of cars, occurred in the world shocked photochemical smog incident, resulting in more than 400 people died. In the last two years, across the country have varying degrees of foggy weather, and in Beijing and Tianjin region is particularly serious. PM2.5 has gradually become a new hot words, and by China as the current monitoring of the air index is an important indicator. PM2.5 refers to the aerodynamic equivalent of less than or equal to 2.5 microns in ambient air. According to the Chinese Academy of Sciences, "Atmospheric Gray Starch Recovery and Control" special group recently released the latest research report, the results show that the city caused by PM2.5 concentration in the atmosphere is the biggest factor in the excessive emissions of motor vehicle exhaust. So in order to control PM2.5, the key is to control the excessive exhaust emissions of motor vehicles.
Key words: automobile; catalytic converter; purification muffler
1前言
中国自改革开放以来，伴随着科技的不断创新和进步，经济飞速增长，汽车己经成为人们出行必不可少的交通工具。早在2000年我国汽车的保有量还仅为1608万辆，但2001年我国放开了汽车制造业的市场，汽车行业得以蓬勃发展，汽车数量也在逐年攀升。截止2012年底，我国全国机动车的保有量己达到2.4亿辆，其中汽车保有量首次突破1亿辆大关，而到了2013年我国的汽车保有量更是达到了1.37亿辆。中国平均每年的汽车增长量超过了1100万辆，而在未来的几年，我国的汽车数量还将进一步增长[1]。
据联合国环境规划署的统计，全世界平均每年有大约200多万人死于PM2. 5浓度的升高。有关的医学工作者认为，由PM2.5所造成的雾霆天气对于人体的危害比沙尘暴要更为严重。这些细颗粒物，当被吸入人体后会直接进入支气管，造成肺部感染，由此引发呼吸道、心血管等方面的疾病。2013年10月17日，世界卫生组织更是发布报告，首次将大气污染认定为最为主要和普遍的环境致癌物质[2]。与此同时，PM2.5对于气候的影响也十分明显。它会影响云层和雨水的形成，导致多种恶劣气候的产生，给人们的生活与生产带来严重的危害[3]。
2 汽车综合式净化消声器应用现状
2.1催化转化器现状
人们在逐渐了解汽车排放物的危害后，就开始不断地探索各种方法来降低汽车的尾气排放污染。当今世界上，汽车尾气催化技术领域集中在以下几个方面:催化剂的种类(如钙钦矿型催化剂，沸石催化剂，Ag催化剂，Au催化剂，Co催化剂等)，催化剂的形状与体积，催化剂的催化效率等[4]。
国内在催化转化载体方面取得了不少研究成果。1999年，上海交通大学的张光德和黄震设计了独立自主的蜂窝陶瓷蜂窝状净化器，并在此基础上进行了相关的降噪试验。郑州大学的孟令启教授于2006年提出了喷射对流消声、螺旋消声等消声设计方案[5]，它将喷射对流消声原理和催化原理相结合，实现了尾气净化和消声性能的双重效果。东南大学和南京林业大学的相关学者，建立了安装催化剂的双层摩擦穿孔声管的声场传递矩阵的数学模型，并在考虑气流速度影响下推导出了几种典型声学单元的声场传递矩阵，使得汽车净化消声器的消声性能和净化性能有了更为系统和完善的研究。同济大学倪计民、王伟对排气系统声学性能与流动性能理论进行研究，其中就包括对催化转化器声学性能与流动特性的研究，声学研究方面主要利用微孔内声传播，计算载体复密度、复声速、阻抗率等相关参数，流动特性方面主要是用CFD研究催化器内的压力分布，表明催化器内的压力损失主要集中在载体[6]。并对催化器起燃过程进行仿真，得出随着催化器温度的升高，压力损失也随之增加的结论。太原理工大学韩振南教授等人对催化转化器的声学特性和流动特性进行了有限元分析，应用四端子网络计算催化转化器的声学矩阵，应用FLUENT软件分析催化转化器内部流动的速度场和压力场[7]。哈尔滨工业大学和同济大学张浩利用统计能量分析软件建立催化转化器声学模型，利用该方法得到系统模态密度、内损耗因子等参数，对催化转化器计算其消声特性。并对结构参数的合理设计提出见解。
2.2消声器应用现状
早在1922年，美国学者Stewart率先使用声学滤波器理论指导抗性消声器设计，利用集中参数近似算法分析消声器元件。20世纪50年代，Davis提出一维平面波方程，在消声器的声学计算中采用声压和振动速度连续性，建立了在不考虑气流状态下消声器内各消声单元的消声特性计算公式。Fukuda等人采用了用等效电路得到的传递矩阵法计算出消声器的传递损失，奠定了计算消声器声学性能的基础。到1966年，Gladwell等学者首次在声学领域运用了有限元方法，为声学有限元法的研究揭开了新的序幕。1975年，Young等人率先使用有限元法计算出了消声器的四级参数并且对膨胀腔消声器内的传递损失作出了预测。1980年，Wagner首次利用边界元对声学腔进行研究。1985年，Tanaka等人利用边界元对简单的消声器进行声学计算。在经历诸多国外学者们的研究之后，国外在计算消声器的传递损失、插入损失等方面己经有了一套较为成熟和先进的计算方法。
相对国外消声器的研究时间，我国消声器的研究起步较晚。80年代后才有一些学者基于一维平面波理论对消声器声学进行研究。1988年，盛胜我通过研究具有声能耗散情况下的声波在管道内的传播，发现了在考虑声能耗散情况下的管道声波传播规律[8]。90年代，黄其柏等人给出了穿孔声管、刚性直管、摩擦穿孔管以及突变插管这四种常用消声元件的传递矩阵[9]。蔡超等学者考虑气流对声音传播的影响，对消声器进行研究，推导出不同结构的消声器传递矩阵，缩短了我国在一维声波领域内和国外的差距。董正声等人将声压作为研究参数，利用二维坐标系建立了排气消声器的二维有限元模型[10]。随着国内声学学者的不断努力，相对精确的二维和三维理论方法得到了研究和应用。陆森林等人也利用三维有限元法，预测评估了消声器的性能[10]。之后国内开始普遍利用有限元和边界元的研究消声器的声学性能。[11-13]
现代研究声学的分析软件主要是FFT公司的Sysnoise, Vone(高频)以及Actran。它们在相关的有限元以及无限元领域的声学特性仿真计算都处于先进行列。例如Actran，不仅具备了所有声学软件方面的计算特性，而且还包括了例如声波在非均质运动流体中的传播等独特的技术特征，为更为复杂的研究条件提供了技术保证。[14]
在研究流体方面，则是以美国ANSYS公司的FLUENT软件为代表。它能提供多种多样的网格特性，用于一维或者多维的流动分析、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体和流体祸合传热分析、多空介质分析等。在CFD软件中，它的功能最全面、使用性也最广泛，是流体力学中通用性较强的商业应用软件。
2.3净化消声器应用现状
1972年，Ted V等人采用V型床配置设计气体流动较好的催化转化消声器，是净化消声器工程应用上一次新的尝试。 1977年，Charles H. bailey发明了采用轴流单片催化元素处理发动机废气和降低他们的声音的直流净化消声器。在消声器的周围装有催化元素，前端采用穿孔室，后端配穿孔管的方式降低声音。1984年，Hawley申请了微穿孔板加催化剂的净化消声器发明专利。1991年，Glen Knight发明了带穿孔管、催化转化器、共振腔的另一新型环流净化消声器。2008年Kenneth发明了入口处采用扩张管，再接催化转化器，气体经过催化转化器后流入穿孔管内，再从穿孔管流至另一穿孔管，最后穿过出口方式的净化消声器。这些相关发明专利的出现，为净化消声器的实际工程应用探索方向。
当前世界上主流开发应用的净化消声器中的催化剂为贵金属:铂，把，锗。主要的汽车尾气催化剂生产商是美国安格，庄信万丰，优美科以及德国的德尔福。它们共同占据了将近95%的市场份额。[15]
我国由于起步较晚，在净化消声器方面的研究较国外而言相对落后。但是近些年来，我国利用稀土资源储备的优势，放弃沿用国外应用成熟的贵金属催化剂方案，通过自主创新，开发了一系列复合成分稀土氧化物型催化剂，并将这种催化剂与消声器相结合使用。这种催化剂经济成本相对贵金属催化剂要低，并且高温稳定性强，同样具有良好的催化转化效果。消声器内的催化转化载体采用陶瓷蜂窝结构，其主要成分为茧青石。粘接剂将天然沸石粉均匀牢固地涂覆在蜂窝体孔壁上焙烧成型，并利用声阻抗的失配原理(使某些频率的声波在声阻抗突变的界面处发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的)。该净化消声器前、后均为扩张腔式消声结构，中部为二级小孔消声结构，稀土元素结合催化部分，具有很好的高温稳定性，能保持良好的催化转化效果，并提高贵金属催化剂的抗毒性，从而降低成本。
毫无疑问，新型的净化消声器逐渐成为了消声器领域的一个研究热点。在不断强调建设资源节约型和环境友好型社会的今天，净化消声器的发展前景十分广阔。
3 汽车综合式净化消声器发展趋势
3.1 结构设计创新
（1）原消声器结构外型有两种：圆柱型和椭圆型，其两端与排气管连接的封板是平面。新型节能汽车消声器是将原消声器两端的平面封板，创新设计成圆锥状。
（2）原消声器在内部结构上采用带隔板的双级或三级膨胀式结构、或带穿孔板的两端排气管突入式结构、或带穿孔管的共振式结构。本项目内部结构则屏弃原来的穿孔板、内插管和隔板，改为四级双面鼻锥结构。
3.2 技术创新
由于结构设计的创新改变，使得新型节能消声器在组装时，不改变零件尺寸的情况下，通过调节鼻锥结构在内腔的焊接位置，可改变鼻锥与前后两端圆锥形的外罩之间的间隙，从而调节气流流通截面积的变化，使同样结构的消声器通过鼻锥位置的变化产生不同的消声效果，而达到配套广泛的技术创新性。
3.3 工艺创新
由于结构的变化，使得制造工艺必须创新，其创新点为：
（1）传统消声器两端的封板与外壳的连接采用折边滚压技术，而本项目两端的圆锥封板与外壳的连接采用亚弧焊接技术；
（2）本项目两端的圆锥封板和鼻锥的锥体，是由钢板经冲压落料，然后焊接而成，
而原消声器的穿孔管、穿孔板和隔板则需钻孔或冲孔。
4总结
综上所述，降低机动车的噪声及有害气体排放己经成为当今世界的一种共识。控制机动车尾气污染和排气噪声，现在机动车企业普遍的做法是在机动车排气系统中加装催化转化载体和消声器。然而两个独立的结构不仅占据着更大的空间，经济成本也会偏高，维修起来也更为复杂。所以一方面由于空间有限，单独加装一套排气净化装置给空间布置上带来问题，另一方面，催化转化器的消声效果没有得到很好的应用。排气系统的净化消声器不仅能够实现尾气净化和消除排气噪声，而且节省空间布置，使得催化转化器和消声器制造一体化，因而具有广泛的应用前景。
课题研究净化消声器的声学特性和流动特性研究，对下一步净化消声器性能的改进和优化都具有重要的作用，且为设计符合尾气排放标准和噪声控制标准的净化消声器提供技术的支持。
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