發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲系統(tǒng)與催化裝置的匹配研究

劉 慶 ，徐楠楠 ，侯獻(xiàn)軍

（1．河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河南，453000；2．武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，武漢 430070）

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是摩托車的主要噪聲源，隨著摩托車的排放標(biāo)準(zhǔn)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)變得日益嚴(yán)格，選擇合理的設(shè)計(jì)手段和方法來(lái)滿足法規(guī)要求就顯得尤為重要。為達(dá)到第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)，催化轉(zhuǎn)化器已經(jīng)成為摩托車的標(biāo)準(zhǔn)配置。根據(jù)摩托車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，催化器需要和消聲器集成為一體，即摩托車排氣凈化消聲器。這種一體化設(shè)計(jì)對(duì)消聲器提出了新的要求，因此，研究排氣凈化消聲系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及噪聲性能的影響十分重要［1］。

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在工程中的廣泛應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真技術(shù)也得到了快速發(fā)展并日漸成熟，成為現(xiàn)代消聲器研究的主要平臺(tái)。本文利用GT-Power軟件完成了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲系統(tǒng)與催化裝置的匹配研究［2］。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 仿真模型的建立

GT-power軟件以一維CFD計(jì)算為基礎(chǔ)，采用有限容積法進(jìn)行模擬計(jì)算。它把發(fā)動(dòng)機(jī)的各系統(tǒng)分為不同的功能模塊進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊?，然后將這些通用的功能模塊以模板的形式存儲(chǔ)起來(lái)形成模板庫(kù)。該軟件的模板庫(kù)非常豐富，包括了流體元件、機(jī)械部件、分析工具和模擬過(guò)程控制等發(fā)動(dòng)機(jī)全工況模擬所需的元件與工具。搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型，僅需將相應(yīng)的模板拷貝到建模區(qū)域中形成對(duì)象并予賦值，然后將對(duì)象連接進(jìn)行有機(jī)集成，形成與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入與輸出關(guān)聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真程序［3］［4］。

圖1為基于GT-Power平臺(tái)建立的某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，該發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。模型采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)邊界、進(jìn)氣和排氣道、進(jìn)排氣門、氣缸、缸體、空氣濾清器及噴油器等。

表1 某發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 仿真模型的驗(yàn)證

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的驗(yàn)證

由圖2可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在轉(zhuǎn)速為6 500 rpm時(shí)誤差達(dá)到最大值，此時(shí)實(shí)驗(yàn)值為8.4 N·m，仿真結(jié)果為8.65 N·m，此時(shí)的誤差為2.9%，在誤差允許范圍內(nèi)。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的驗(yàn)證

由圖3可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值同樣吻合較好。在轉(zhuǎn)速為7 500 rpm時(shí)誤差達(dá)到最大值，此時(shí)實(shí)驗(yàn)值為6.75 kW，仿真結(jié)果為6.925 kW，此時(shí)的誤差為2.6%，在誤差允許范圍內(nèi)。

可見，扭矩與功率的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差都在允許范圍內(nèi)，所以上述模型可以與消聲器模型進(jìn)行耦合計(jì)算。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)與消聲器耦合仿真

2.1 消聲器模型

GT-Power軟件的GT-SUITE用戶界面內(nèi)含有消聲器的前處理程序Muffler，Muffler采用圖形化設(shè)計(jì)，包含了消聲器的各種零部件數(shù)學(xué)模型，如殼體、直管、彎管、重疊管、多孔管、吸聲材料及隔板等。用戶可在圖形界面方便地建立消聲器復(fù)雜幾何形狀的三維網(wǎng)格，然后系統(tǒng)將此三維網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為其內(nèi)部格式的數(shù)據(jù)文件，并在GT-ISE中導(dǎo)入即可自動(dòng)生成GT-power 軟件的模型［5，6］。

作者首先建立了原消聲器模型（圖4），然后在原消聲器模型上加入催化器對(duì)消聲器模型進(jìn)行了改進(jìn) （圖5）。改進(jìn)方式如下：在進(jìn)管處加一根熱管（Φ36×45 mm）， 第一腔內(nèi)加催化器 （直徑×長(zhǎng)度：Φ40×60mm；容積：75.36ml，目數(shù)：400cpsi）。

2.2 耦合仿真模型

將GT-Power的插入損失和壓力損失功能模塊與發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型、消聲器離散模型進(jìn)行耦合，建立起消聲器性能分析的計(jì)算模型［6］。

尾管噪聲計(jì)算模型如圖6所示。該模型考慮了流體對(duì)噪聲的影響，流體噪聲設(shè)為80 dB（A）。模型使用了“AcoustExhMicrophone”模塊，該模塊相當(dāng)于一個(gè)外置麥克風(fēng)，能根據(jù)聲源特性將氣流的壓力波模擬成聲波。在計(jì)算插入損失時(shí)需將模型中的Muffler部分替換成與之長(zhǎng)度相等的直管，計(jì)算得出尾管噪聲與帶消聲器的尾管噪聲求差值，即為插入損失。

壓力損失計(jì)算模型見圖7。通過(guò)兩個(gè)壓力傳感器（“SensorConn”模塊）分別將消聲器前后的壓力信號(hào)傳遞到累加器（“Sum”模塊）進(jìn)行求差運(yùn)算，得到壓力損失，并存儲(chǔ)到變量存儲(chǔ)器 （“RLTCreator”模塊）中。此處的壓力損失值是包括催化器在內(nèi)的排氣系統(tǒng)熱端的壓力損失。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 改進(jìn)前后尾管噪聲和插入損失對(duì)比

尾管噪聲仿真分析表明，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，帶催化器的消聲器尾管噪聲比原消聲器方案明顯降低，降幅約為 2.5 dB（A）（圖 8）。

由圖9可以看出，催化器的加入致使插入損失明顯增大，在最大功率點(diǎn)（對(duì)應(yīng)9 000 rpm）時(shí)，消聲器的插入損失由 31.35 dB（A）上升至 40 dB（A），增幅達(dá)到 8.65 dB（A）。

2.3.2 壓力損失對(duì)比

壓力損失仿真分析表明，6 000 rpm以下壓力損失基本沒(méi)有變化；在6 000 rpm~7 500 rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，消聲器與催化器集成后的壓力損失略有下降；對(duì)于高于8 000 rpm的轉(zhuǎn)速范圍，帶催化器的消聲器壓力損失比原消聲器方案略有增加。但總地來(lái)說(shuō)，壓力損失變化不大。

3 結(jié)論

（1）作為計(jì)算機(jī)輔助工程 （CAE）軟件的GTPower可以很好的實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲器的耦合仿真，其具有的聲學(xué)分析模塊具有很好的預(yù)測(cè)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)消聲器的聲學(xué)性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）增加了催化器之后的消聲器插入損失增加，尾管噪聲減小，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)尾管噪聲減小范圍為2～5 dB（A）。轉(zhuǎn)速在7 500 rpm以上時(shí)壓力損失增加，轉(zhuǎn)速在6 000 rpm~7 500 rpm之間時(shí)壓力損失基本減小，轉(zhuǎn)速在6 000 rpm以下時(shí)壓力損失基本不變。

（3）后處理系統(tǒng)已成為控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放的必然選擇，然而，受制于布置空間等外部因素，排放后處理系統(tǒng)的催化器部分往往宜采用與消聲器集成的方式。

［1］侯獻(xiàn)軍,潘洪健,彭輔明，等.滿足摩托車國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的凈化技術(shù)研究［J］.汽車科技，2010，（4）.

［2］方華，李冰，鄭廣勇，等.排氣消聲器消聲性能仿真分析［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，（6）.

［3］顏伏伍,張?jiān)骑w,劉志恩.摩托車排氣凈化消聲器的設(shè)計(jì)方法研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，（10）:25-29.

［4］田翠翠，侯獻(xiàn)軍，劉志恩，等.壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響［J］.汽車科技，2008，（6）.

［5］李冰，排氣消聲器消聲性能仿真分析［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

［6］侯獻(xiàn)軍，劉慶，劉志恩.基于GT-Power的汽車排氣消聲器性能分析及改進(jìn)［J］.汽車技術(shù)，2009，（1）:38-40.