基于GT-Power的消聲器排氣尾管長(zhǎng)度仿真研究

孫培巖，宋海波，王宣峰，肖旻

（1.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，大連116023；2.天納克同泰（大連）排氣系統(tǒng)有限公司，大連116100）

基于GT-Power的消聲器排氣尾管長(zhǎng)度仿真研究

孫培巖1，宋海波1，王宣峰2，肖旻1

（1.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，大連116023；2.天納克同泰（大連）排氣系統(tǒng)有限公司，大連116100）

利用GT-Power軟件對(duì)2100型柴油機(jī)和單擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行耦合，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行仿真。完成了對(duì)2100型柴油機(jī)的排氣噪聲情況的模擬仿真，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證建立的模型仿真的準(zhǔn)確性。然后分析消聲器安裝位置與消聲器尾管長(zhǎng)度對(duì)消聲器消聲性能的影響。

消聲器實(shí)驗(yàn)仿真模擬尾管長(zhǎng)度

1 前言

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钏匦璧慕煌üぞ?，隨之產(chǎn)生的交通噪聲污染也就成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊淮蠊M(jìn)害[1]。目前，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中安裝排氣消聲器是比較普遍和有效的減噪措施[2]。

傳統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)主要是利用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行的，這種方法消耗了大量的資金及人力和物力，研究周期比較長(zhǎng)。美國(guó)GTI公司基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法開發(fā)了一款模擬與仿真分析軟件GT-Suite。GT-Suite包含多個(gè)模塊，其中有專門模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的GT-Power部分。GT-Power主要利用有限容積法的一維計(jì)算模型模擬一個(gè)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)相接近的計(jì)算模型。軟件還包括為消聲器建模而專門設(shè)計(jì)的圖形化處理模塊GEM3D。在GEM3D中可以實(shí)現(xiàn)三維模型的離散化，方便快捷，對(duì)于復(fù)雜排氣管和消聲器的建模尤為方便[3]。從而可以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)和進(jìn)排氣噪聲，分析發(fā)動(dòng)機(jī)與消聲器的相互影響。利用該軟件對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，大大縮短了開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。

本文設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單的擴(kuò)張式消聲器，并用軟件仿真分析的方法，分析消聲器安裝位置對(duì)消聲器消聲性能的影響。

2 柴油機(jī)模型

柴油機(jī)為2100型自然吸氣、立式、水冷、四沖程、直噴式柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 擴(kuò)張式消聲器的尺寸結(jié)構(gòu)

圖1為消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸圖。消聲器總體積約為10.2 L，進(jìn)排氣道直徑與原發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管直徑一致，擴(kuò)張比為16，擴(kuò)張室直徑176 mm，長(zhǎng)420 mm，兩端分別插入1/2，1/4插入管[4]。另設(shè)計(jì)一根直徑45 mm、與消聲器總長(zhǎng)度相等的直管，用來(lái)代替消聲器與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合，從而比較消聲器的消聲效果。

表1 2100柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)尺寸圖

4 軟件模型建立與驗(yàn)證

使用GT-Power軟件與GEM3D建立2100型柴油機(jī)與消聲器模型耦合之后的運(yùn)算模型，如圖2所示。模型建立完成后需要進(jìn)行驗(yàn)證，以確保所建立模型反映真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的準(zhǔn)確性。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)比。

柴油機(jī)功率和扭矩的實(shí)測(cè)值和仿真值上有一定的誤差，但二者變化趨勢(shì)基本一致，加裝消聲器后會(huì)使功率扭矩下降，見(jiàn)圖3、圖4和圖5。兩組數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)值與仿真值在功率方面的最大誤差為4.8%，在扭矩上最大誤差為2.6%，噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)較為相似，最大誤差為3.9%，總體誤差在5%以內(nèi)。考慮到環(huán)境、天氣以及人為因素等誤差影響因素，基本可以確定所建立的模型能夠較為準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)情況。

5 消聲器尾管對(duì)消聲能力的影響

原發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器尾管長(zhǎng)度為200 mm，將消聲器尾管長(zhǎng)度分成四組長(zhǎng)度，分別為400、800、1 200和2 000 mm。分別比較消聲器尾管長(zhǎng)度為400、800、1 200、2 000 mm與200 mm之間的插入損失和不同尾管長(zhǎng)度下的聲壓級(jí)。

圖6分別為長(zhǎng)度200 mm尾管下的聲壓級(jí)與長(zhǎng)度400、800和1 200 mm尾管在三分之一倍頻程的聲壓級(jí)之差。其中正值部分表示200 mm尾管比其他長(zhǎng)度尾管消聲效果差的頻帶范圍，負(fù)值部分代表200 mm尾管比其他長(zhǎng)度尾管消聲效果好的頻帶范圍。

比較各圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著消聲器尾管長(zhǎng)度的增加，在低頻頻帶范圍內(nèi)，消聲效果有所提高，而在較高的頻帶范圍內(nèi)，消聲效果則有所下降。在噪聲傳出消聲器后，在尾管中進(jìn)行傳播時(shí)，又會(huì)對(duì)尾管內(nèi)的氣體造成沖擊，形成新的共振噪聲，共振頻率遵循下式：

圖2 柴油機(jī)與消聲器耦合的GTM模型

從公式可以看出，隨著尾管長(zhǎng)度l變長(zhǎng)，f的大小變小。隨著尾管增長(zhǎng)，共振的最小頻率變大。因此隨著尾管長(zhǎng)度增加，排氣噪聲在越來(lái)越高的頻帶上會(huì)出現(xiàn)駐波，使共振噪聲增大，從而降低整個(gè)排氣系統(tǒng)在中高頻的消聲效果。

圖3 外特性功率對(duì)比

圖4 外特性扭矩對(duì)比

圖5 外特性噪聲聲壓級(jí)對(duì)比

所以要想提高低頻的消聲效果，可以選擇延長(zhǎng)消聲器的排氣尾管。但較長(zhǎng)的尾管在提高低頻消聲效果的同時(shí)，可能會(huì)增加中高頻的消聲難度。

從圖7上比較不同尾管長(zhǎng)度的排氣噪聲聲壓級(jí)發(fā)現(xiàn)，隨著尾管長(zhǎng)度的增加，聲壓級(jí)呈下降趨勢(shì)。

通過(guò)前面的仿真分析可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲主要集中在低頻范圍內(nèi)，而較長(zhǎng)的消聲器尾管會(huì)提高排氣消聲系統(tǒng)的低頻消聲性能，所以隨著尾管長(zhǎng)度增加，排氣噪聲得到了更好的降噪。

Simulation of Engine Muffler and Muffler Tailpipe Based on GT-Power

Sun Peiyan1,Song Haibo1,Wang Xuanfeng2,Xiao Min1
（1.Institute of Internal Combustion Engine,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China; 2.Tenneco Tongtai(Dalian)Exhaust System Co.,Ltd.,Dalian 116100,China）

By using software GT-POWER,a coupled model for 2100 diesel engine and its preliminary designed exhaust system was built.The working process was simulated,and the effects of the muffler were compared with the experimental results in order to verify the accuracy of the model.Then,the influence of different installation positions and tailpipes on the performance of the muffler was analyzed.

muffler,experiment,simulation,tailpipe length

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.005

來(lái)稿日期：2013-06-07

孫培巖（1963-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)測(cè)試。