內(nèi)置催化器位置對(duì)消聲器性能的影響分析

黃澤好，譚章麒，袁光亮

(重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

內(nèi)置催化器位置對(duì)消聲器性能的影響分析

黃澤好，譚章麒，袁光亮

(重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

對(duì)內(nèi)置催化器式消聲器的催化器安裝空間與消聲器消聲性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比需求建立了5組內(nèi)置催化器式消聲器模型，運(yùn)用GT－suit軟件將消聲器模型與匹配發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行耦合仿真，計(jì)算得到各轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組的消聲器的插入損失和功率損失。通過(guò)計(jì)算結(jié)果研究消聲器中催化器安裝空間對(duì)消聲器消聲效果和匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的影響，并提出一種兩參數(shù)的加權(quán)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為內(nèi)置催化器式消聲器設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。

內(nèi)置催化器;消聲器;插入損失;功率損失;評(píng)價(jià)模型

受限于車輛的空間布置和提高排氣系統(tǒng)集成度的要求，某些車輛將三元催化器直接安裝在排氣消聲器中。如何將消聲器中的三元催化器有機(jī)地與消聲器完美配合，提升排氣消聲器的聲學(xué)性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)最大程度地發(fā)揮催化器的催化效能，這就對(duì)消聲腔室的設(shè)計(jì)提出了更高的要求［1－2］。本文利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的消聲器進(jìn)行仿真［3］，從而有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本［4－6］。本文著重分析三元催化器在消聲器中的安裝空間和位置對(duì)插入損失和匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失的影響。

1 模型的建立和實(shí)驗(yàn)方案的選擇

1.1 建立消聲器模型

GME3D是GT－SUIT下用于進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊，通過(guò)該模塊能夠很方便地建立和改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)的三維模型。在某容積約為55 L的消聲器三維模型基礎(chǔ)上保留其腔室結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)，去掉其包裹材料、懸掛支架和加強(qiáng)筋等，在GME3D中建立計(jì)算用消聲器模型，如圖1所示。其中，選用的三元催化器參數(shù)如表1所示。再分別設(shè)置消聲器腔室離散長(zhǎng)度和管道離散長(zhǎng)度，將模型離散化(775個(gè)單元)為計(jì)算用的聲學(xué)有限元模型，生成*.gtm格式文件，至此完成模型的建立。

圖1 計(jì)算用消聲器模型

表1 三元催化劑參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

為了解催化器安裝空間對(duì)排氣消聲器聲學(xué)性能和流體性能的影響，分別控制催化器前端空間A改變后端B，再控制后端B改變前段距離(如圖2所示)。參考原消聲器，取A的長(zhǎng)度分別為20，35，50 mm，取B的長(zhǎng)度為20，50，80 mm。假設(shè)催化器前后空間獨(dú)立影響消聲器的聲學(xué)性能和流體性能，設(shè)計(jì)出5個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

圖2 消聲器平面圖

表2 實(shí)驗(yàn)序號(hào)表mm

2 基于排氣消聲器建立動(dòng)力系統(tǒng)模型

評(píng)價(jià)排氣消聲器通常是從消聲性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能這兩個(gè)方面進(jìn)行。對(duì)于聲學(xué)性能，一般用傳遞損失(transmission loss)和插入損失(insertion loss)來(lái)評(píng)價(jià)。相比于傳遞損失，插入損失能更直觀地反映發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下消聲器的消聲性能，而且相對(duì)容易測(cè)試，所以實(shí)際工程中多用此方法測(cè)試消聲器的聲學(xué)性能。排氣消聲器空氣動(dòng)力學(xué)性能主要由壓力損失和匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失來(lái)評(píng)價(jià)。本文采用插入損失IL和功率損失P對(duì)5組消聲器進(jìn)行評(píng)價(jià)［7］。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

在GTise中建立的是發(fā)動(dòng)機(jī)的一維模型，它幾乎包括了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、流體模型和燃燒模型的所有關(guān)鍵工況。根據(jù)該排氣消聲器所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(見表2)建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型。將建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型與實(shí)驗(yàn)得到的發(fā)放機(jī)模型最大功率曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算值差距［5，7］最大為7%。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對(duì)比曲線

2.2 消聲器插入損失、功率損失模型建立

將之前建立的一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型與離散化的消聲器模型進(jìn)行耦合，并加入麥克風(fēng)、傳感器等模塊，建立如圖4所示的插入損失計(jì)算模型，計(jì)算排氣消聲器在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的消聲性能。圖4為用與消聲器等長(zhǎng)的直管代替消聲器后的模型。圖5是加入消聲器后的模型。在計(jì)算出排氣噪聲的同時(shí)，軟件可以計(jì)算出未加入消聲器和加入消聲器后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失。

圖4 直管代替消聲器模型

圖5 加入消聲器模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 插入損失

使用所建立的排氣消聲器和動(dòng)力系統(tǒng)的耦合模型，依次對(duì)各實(shí)驗(yàn)序號(hào)消聲器和用直管代替的消聲器耦合模型進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的選取依照汽車實(shí)驗(yàn)學(xué)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)要求，選取從1 200 r/min到2 700 r/min中包括最大功率點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)平均分配的6個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 A計(jì)權(quán)插入損失

圖7 1 500 r/min時(shí)5組消聲器插入損失

圖8 1 800 r/min時(shí)5組消聲器插入損失

從A計(jì)權(quán)［8］消聲器插入損失來(lái)看，催化器前端位置的減小并沒有提升消聲效果，反而有最大10 dB的降低，說(shuō)明增大催化器前端空間有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下消聲器的傳遞損失。對(duì)于催化器后端位置，增大會(huì)提升高轉(zhuǎn)速時(shí)的插入損失，而減小可提升低轉(zhuǎn)速時(shí)的消聲效果。圖7～9是在常用轉(zhuǎn)速1 500，1 800，2 100 r/min下的各消聲器對(duì)應(yīng)頻譜的傳遞損失可以看出:對(duì)于1 000 Hz以下的中低頻噪聲，催化器后端位置±30 mm的改變對(duì)傳遞損失的影響不大，反倒是當(dāng)前端空間下降到20 mm后，對(duì)100 Hz到200 Hz的低頻傳遞損失明顯提升了13 dB左右。而在1 000 Hz以上的高頻噪聲階段，由于過(guò)小的催化器前端空間影響了排氣的順暢度，反而產(chǎn)生了一些次生噪聲，傳遞損失變?yōu)樨?fù)值。相反，當(dāng)前端空間增大時(shí)可以明顯改善1 000 Hz以上的高頻消聲效果。

3.2 功率損失

功率損失是評(píng)價(jià)排氣消聲器的重要指標(biāo)之一，功率損失過(guò)大會(huì)造成撞車后動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力輸出不足。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該類發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失應(yīng)小于4%。表4是動(dòng)力系統(tǒng)與對(duì)于消聲器耦合模型在不同轉(zhuǎn)速下的功率損失。

表4 各組消聲器在不同轉(zhuǎn)速下的功率損失%

從表4可以看出:消聲器功率損失隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而增大，其原因是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)致排氣量增大，消聲器氣阻也相應(yīng)增大。對(duì)比消聲器功率損失標(biāo)準(zhǔn)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)消聲器符合規(guī)定，但2號(hào)和5號(hào)消聲器功率損失相對(duì)較大，說(shuō)明催化器前后端空間過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)引起功率損失，也就是排氣背壓的增大［9］。

3.3 插入損失、功率損失的綜合分析

通常消聲器的傳遞損失和匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失是一對(duì)相互矛盾的量，對(duì)于消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，不同的車輛有不同的側(cè)重。如對(duì)于表4的4號(hào)消聲器，當(dāng)催化器與最近的隔板距離小于一定距離時(shí)，功率損失將非常大，不能達(dá)到消聲器設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)消聲效果和功率損失都能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［10］時(shí)，傳遞損失和功率損失的取舍將是需要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。給出兩參數(shù)加權(quán)公式，如式(1)所示。

其中:Δp為各轉(zhuǎn)速平均功率損失;Δd B(A)為A計(jì)權(quán)的傳遞損失;a，b分別為功率損失和傳遞損失的加權(quán)系數(shù)。若注重汽車動(dòng)力性，可將權(quán)值a增大;若注重控制汽車噪聲，則可提高權(quán)值b(其中a+b =1);c，d分別為標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)車輛的功率損失最大限值和插入損失最小限值。

當(dāng)消聲器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，計(jì)算結(jié)果表明:L值越大，則消聲器綜合性能越好。

4 結(jié)論

1)當(dāng)催化器前端空間小于35 mm，頻率高于1 000 Hz時(shí)插入損失可能變?yōu)樨?fù)值，同時(shí)功率損失將急劇增大。

2)催化器后端空間的增大會(huì)提升高轉(zhuǎn)速時(shí)的插入損失，而減小可提升低轉(zhuǎn)速時(shí)的消聲效果。

3)運(yùn)用設(shè)計(jì)的消聲器評(píng)價(jià)方法可以有效評(píng)價(jià)改進(jìn)的排氣消聲器的綜合性能。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Performance Analysis of Built-in Catalysts Position on Muffler

HUANG Ze－h(huán)ao，TAN Zhang－qi，YUANG Guang－liang
(Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The effect of built－in catalysts installation space on exhaustmuffler noise elimination and aerodynamicswas firstly researched.According to the requirement of experimental 5 set of built－in catalystsmufflermodel is established.Coupling simulationmodel ofmatching engine and built－in catalystsmuffler was established by GT－suit software，and insertion loss and power loss of the exhaust muffler were obtained at different engine speeds of each experimentalmuffler.Through the calculation results research themuffler catalysts installation space influence on noise elimination and thematching engine power loss.A two parameter of the weighted evaluation has been established，which provides the basis for the built－in catalystsmuffler design and improvement.

built－in catalysts;muffler;insertion loss;power loss;evaluation model

U463

A

1674－8425(2014)09－0007－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.002

2014－03－26

2013年重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJTD201319)

黃澤好(1966—)，男，湖南麻陽(yáng)人，博士，教授，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)、車輛振動(dòng)噪聲控制方面研究。

黃澤好，譚章麒，袁光亮.內(nèi)置催化器位置對(duì)消聲器性能的影響分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(9):7－10.

format:HUANG Ze－h(huán)ao，TAN Zhang－qi，YUANG Guang－liang.Performance Analysis of Built－in Catalysts Position on Muffler［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):7－10.