燃料电池尾排消音器设计与探讨

燃料电池尾排消音器设计与探讨

林志磊 ,木景坡

平原滤清器有限公司 453000

摘要：本文阐述了燃料电池尾排噪声的噪声源分析，分析了尾排系统噪声的频谱特征，通过消音元件的降噪原理，结合整车测试和试验室评价，分析了消音器在整车不同测试方式的差异，结合消音器在气流流动状态下的测试差异，分析了燃料电池尾排系统启动噪声产生的机理，总结了消音器的设计方法和测试方法。

关键词：消音器  传递损失  气动噪声

一、引言

随着国家政策的陆续出台，燃料电池系统在汽车行业应用越来越广泛，燃料电池系统发展趋势为能量密度越来越高，系统功率越来越大，空压机功率也越来越大。在整车运行过程中，燃料电池系统尾排噪声随功率增高而增大，目前燃料电池系统在全功率状态下，排气噪声普遍高于90db，大大高于传统汽车噪声，严重影响了客户体验。

二、燃料电池系统尾排噪声源

（一）燃料电池系统噪声源分析

对于燃料电池系统尾排系统涉及到的主要部件为背压阀、增湿器、膨胀机等。在进气系统涉及的主要部件为空气滤清器、空压机、中冷器和增湿器等。其中能产生噪声的主要部件为空压机以及气流通过背压阀和管路产生的气动噪声。

在燃料电池系统中，空压机为最主要的噪声源，其噪声主要产生机理是叶轮高速旋转，空气在蜗壳内经叶片连续切割压缩，产生宽频噪声。此外空压机机体不平衡，安装不牢固等还会产生机械噪声。背压阀布置于排气系统中，背压阀的主要作用是稳定系统压力，使系统维持在一定的压力下工作，因此背压阀的开闭，通过改变流道的面积在调整压力的同时而引起的气动噪声。

（二）尾排系统噪声的排查

燃料电池系统在整车运行状态下噪声较高，测试尾排噪音时，需要屏蔽空压机的辐射噪音，否则，空压机的辐射噪音会干扰尾排噪声的测量。由于空压机与发动机集成，无法进行覆盖，因此采用将尾排管路延长5m，达到隔离空压机辐射噪音的目的。为了评估空压机对尾排管路的影响，分别进行近场测试和远场测试，测量点距排气口均为45°方向1m。(近场测试：测量整车实际排气口位置，远场测试：将整车实际排气口通过管路延长5m进行测试），测试结果为在54kw工况下，近场为104db（A），远场为99.6db（A），通过用橡胶管将排气管延长5m，排气口噪声有约4db的降低，说明空压机的噪声对排气管影响有一定影响，但是尾排管路的噪声还是比较高，无法满足客户80db（A）以下的要求。从以上分析可知，尾排管路的噪声主要来自于排气背压阀，其噪声的主要原因是高速气流通过阀门时引起的气动噪声。经测试频谱分析可知，噪声主要集中在1500Hz-2500Hz，3000Hz-4500Hz，5500Hz-6000Hz频谱区域，其特点是噪声幅值较高，频带较宽，其中3000Hz-4500Hz是降噪的重点频率区域。

三、消音器的设计与评价

（一）消音器的设计目标

      根据客户要求，消音器满足以下设计要求：

      在全功率状态下（54kw），排气噪声≤80db(A)

（二）消音器设计原理

消音器一般分为阻性和抗性，或者阻抗复合性。阻性消音器是利用多孔吸声材料以一定的方式布置在管道内，当噪声通过管道时，一部分声能被吸音材料转化为热能，达到降低噪声的目的。阻性消音器的特点是能够在较宽的频率范围（尤其是中、高频范围）有较好的消声效果。抗性消音器的原理是声波经过消音器时，声阻抗发生变化，一部分声能被反射回声源，达到降低噪声的目的，抗性消音器主要包括亥姆霍兹消音器、扩张消音器、四分之一波长管等。抗性消音器对降低单频，特别低频噪声效果较好。从整车的测试数据来看，采用阻性消音器更能取得更好的降噪效果。由于吸音棉具有较强的吸水性，能够吸附大量的管路中的液态水，导致吸音棉的消声能力降低，且在低温环境下会发生结冰，可能会导致消音器壳体破裂，因此在燃料电池尾排管路中应用阻性消音器方案不是最优方案。

（三）消音器的设计与传递损失测试

常用的抗性消音元件有，扩张消音器、亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长管。

扩张消音器是由一个主要腔室和两边与之连接的管道组成，它是通过截面积的变化，入射声波到达扩张室后，一部分能量被反射回进气管，从而消耗声能。扩张腔一般降噪频带较宽。

亥姆霍兹谐振腔是一种旁支消音器，入射声波在主管运动，当到达消音器时，分成两个分路，一路进入谐振腔内推动内部的空气运动，由于管道交界处声阻抗的变化，达到降噪的目的。另一路继续在主管中传播。

四分之一波长管是在主管道上的一个封闭的管子，当入射声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回主管道，某些频率的声波在主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而达到降噪的目的。

由于尾排噪声频带较宽，且对应多个频率范围。采用多个腔体与扩张消音器组合的方式。根据客户边界要求，设计为一种阶梯式消音器，阶梯式消音器的特点是每个腔体体积不同，所对应的频率不同。如前所述，大腔体对应低频，小腔体对应高频。在最后一个腔体采用扩张消音器，既达到降噪同时又能够除去气流中的积水的目的。

经过多次迭代手工计算，最终确认各个腔室的参数，见表1，然后采用LMS Virutal.lab工具进行仿真，使计算更准确。考虑到整车的安装方式，由于尾排空气还有大量的液态水或冷凝水，将排气口做在消音器最底部，相当于排气口充当排水口，避免了气流通过排水口时出现的啸叫声。

产品设计完成后进行仿真分析，并制作快速成型件进行传递损失测试，与仿真分析结果对比，仿真分析与测试结果非常接近，根据测试结果，消音器在1000Hz以上，传递损失大于20db（A），可以满足整车测试要求。

表1 各腔室参数

图1仿真分析与传递损失测试数据

（四）整车测试与评价

将消音器装在整车上进行测试，评价实车效果。为更充分评价消音器性能，分别采用近场和远场测试，在54kw工况下，近场为87.8db(A)，远场为78db(A), 说明增加消音器噪声明显降低，在近场和远场两个测试位置，分别降低约16db(A)和22db(A)，整车测试数据与实验室测试数据较为接近。通过延长5m管路加消音器方案可以满足噪声要求。但是近场与远场的噪声差值达到了10db(A)，高于未加消音器4db(A)。

（五）消音器试验室气动噪声评价

在整车测试时，近场和远场出现了10db(A)的差异，分析原因如下：

1、在试验室进行传递损失测试时，只有白噪声，没有气流流动，而在整车测试时，消音器是有气流通过的，因此消音器的气动噪声未进行评价；

2、整车尾排管路中有大量的液态水，液态水水滤与消音器避免发生摩擦和膨胀而产生噪声。

下面分别对上述两种情况进行分析验证。

首先进行气动噪声的评价。由于在试验室是利用空滤试验台进行测试，消音器处于负压状态，而在整车测试时消音器处于正压状态。考虑到试验资源，采用负压形式代替正压。

在测试时，分别在消音器进气口出不加连接管、加弯管连接管、加1m连接管、加0.5m连接管进行测试，试验流量为300m3/h，与整车额定功率时流量相同，麦克风距连接管进气口斜45°10cm进行测试。背景噪声是78db(A)，测试数据如下，不加连接管为101db(A),加弯管连接管为88db(A)，加1m连接管为85db(A)，加0.5m连接管为92db(A)，

其次进行加水对消音器的影响。测试方法为将消音器连接在空滤试验台上，通入规定的空气流量，在进气口出进行喷水，测试加水前和加水中噪声的变化。分贝仪距离消音器壁面10cm进行测试。测试结果为加水前为79.4db(A)，加水过程中为81db(A)，两者差异为1.6db(A)。

  经过上述两个试验表明：气流通过连接管进入消音器，气流更加平稳，气动噪声较不加连接管明显降低，最高降低16db(A)；相反没有连接管，气流直接进入消音器反而增大气动噪声。加1m连接管较弯管连接管约有3db(A)的降低，长管较短管可以加降低7db(A)，说明连接管长度对气动噪声影响明显。加水对气动噪声约有1.6db(A)的影响，说明水流对噪声总体影响不大。通过上述试验解释了近场与远场噪声差异较大是由于连接管长度不同引起的。

（六）最终方案测试

根据试验室气动噪声的经验总结，分别在消音器的进出气口两端分别增加一个橡胶弯管（采用弯管主要是便于整车布置），弯管的直线段长度为0.5m，测试结果是在54kw功率下，排气口测试噪音数据为78db(A)，满足客户的噪声目标。

五、结论

通过本次燃料电池消音器的开发和测试，丰富了我公司产品设计经验，与传统内燃机进气系统消音器存在明显区别，其主要特点如下：

1、燃料电池尾排噪声频率覆盖广，不存在特定频率的噪声，整体幅值较高，降噪难度较大；

2、燃料电池尾排消音器应设计成多腔多孔和扩张腔组合消音器，以便覆盖更宽泛的噪声频率，尽量不安装吸音棉，避免液态水对吸音棉的影响；

3、消音器在与整车装机时，与背压阀应通过连接管连接，连接管长度应大于0.5m，最好在1m以上，避免紊乱的气流在消音器内形成气动噪声，达到更好的降噪效果。