汽車排氣消聲器性能分析及改進(jìn)

趙東，高小新，楊亮，褚志剛，鄭飛

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汽車排氣消聲器性能分析及改進(jìn)

趙東1，高小新2，楊亮3，褚志剛1，鄭飛1

(1. 重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，重慶 400044；2. 中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412000；3. 長安汽車工程研究院，重慶 400044)

針對某汽車排氣消聲器插入損失不達(dá)標(biāo)的問題，利用GT-Power軟件建立了發(fā)動機(jī)與進(jìn)排氣系統(tǒng)耦合的仿真模型，對排氣消聲器的聲學(xué)性能和空氣動力性能進(jìn)行數(shù)值計算，分析了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～2 500 (r·min-1)范圍內(nèi)的插入損失和壓力損失。根據(jù)分析結(jié)果，基于試驗設(shè)計 (Design of Experiment，DOE)方法，對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況、多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，改進(jìn)后的消聲器的插入損失有了明顯提升，空氣動力性能良好，其綜合性能得到顯著提升。

消聲器；插入損失；壓力損失

0 引言

排氣噪聲是主要的汽車噪聲之一，消聲器作為控制汽車排氣噪聲的關(guān)鍵部件，其消聲性能和壓力損失對汽車的噪聲水平、動力性能和經(jīng)濟(jì)性具有顯著影響。消聲器傳統(tǒng)設(shè)計中往往以傳遞損失和壓力損失作為評價參數(shù)對其進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計[1-3]。雖然該方法在一定程度上能獲得消聲器的聲學(xué)性能情況，但難以考慮發(fā)動機(jī)對消聲器性能的耦合影響，因此往往難以達(dá)到預(yù)期的消聲效果[4]。此外，當(dāng)消聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能不達(dá)標(biāo)時，后續(xù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計往往針對某個特定工況基于控制變量法單獨進(jìn)行，未能兼顧各個參數(shù)共同耦合作用時產(chǎn)生的影響，即很少進(jìn)行多工況、多參數(shù)、多目標(biāo)同時最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計。GT-Power作為商業(yè)化的發(fā)動機(jī)工作過程虛擬仿真軟件，能將排氣消聲器與發(fā)動機(jī)工作過程耦合起來進(jìn)行分析研究，并為消聲器多工況、多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計提供有利條件[5]。

針對某汽車排氣消聲器插入損失不達(dá)標(biāo)的問題，本文利用GT-Power軟件建立了發(fā)動機(jī)與消聲器系統(tǒng)耦合仿真分析模型，并分析了排氣消聲器插入損失和壓力損失隨轉(zhuǎn)速變化的情況，指出后續(xù)需要優(yōu)化的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，最后基于試驗設(shè)計(Design of Experiment, DOE)方法對消聲器進(jìn)行了多工況、多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化，改進(jìn)后的消聲器的綜合性能得到顯著提升。

1 仿真模型建立

1.1 發(fā)動機(jī)模型的建立

本文以某企業(yè)1.6 L自然吸氣發(fā)動機(jī)為研究對象，基于GT-Power軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模，其中主要參數(shù)如表1所示，圖1為建立的1.6 L自然吸氣發(fā)動機(jī)仿真模型。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動機(jī)模型

為確保發(fā)動機(jī)模型的準(zhǔn)確性，對其性能參數(shù)進(jìn)行校核。圖2為仿真得到的發(fā)動機(jī)扭矩和功率曲線。對比圖2和表1可知，圖2給出的發(fā)動機(jī)最大扭矩和最大功率及其對應(yīng)轉(zhuǎn)速與表1給出的銘牌值誤差在5%以內(nèi)，表明建立的發(fā)動機(jī)模型能夠準(zhǔn)確模擬發(fā)動機(jī)的實際工作過程。

圖2 發(fā)動機(jī)功率和扭矩曲線

1.2 消聲器模型建立

主、副消聲器結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，幾何模型如圖4所示。其中，副消聲器為一簡單擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出口管徑為36 mm，管壁厚度為1 mm，擴(kuò)張比為8；主消聲器由三腔三管組成，中間管和出口管在中間腔室部分均開有18個直徑為7.8 mm的均布小孔。

圖3 消聲器結(jié)構(gòu)尺寸(mm)

圖4 消聲器幾何模型

由于GT-Power軟件采用一維有限體積法對流體動力學(xué)流動方程進(jìn)行求解，因此在用GEM3D 軟件建立好消聲器幾何模型后，需要將模型離散化處理。排氣管路離散長度一般為氣缸直徑的0.55倍[6]。本文中汽油機(jī)的氣缸直徑為78 mm，因此定義排氣管路離散長度為42 mm。排氣管路壁面熱傳導(dǎo)求解模塊參數(shù)設(shè)置如下：表面熱傳導(dǎo)系數(shù)為15 W·(m2·K)-1，壁面厚度為2 mm，表面散熱系數(shù)為0.8。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 插入損失仿真分析

插入損失指安裝消聲器前后，管口向外輻射噪聲聲功率級之差。它不但與消聲器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與聲源及末端的聲學(xué)特性有關(guān)，因此相比于傳遞損失更能反映消聲器的實際消聲效果[7]。

根據(jù)發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍和企業(yè)要求，選取發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1 000～2 500 r·min-1，對消聲器的聲學(xué)性能進(jìn)行分析。圖5為原消聲器的轉(zhuǎn)速在1 000～2 500 r·min-1時的插入損失仿真結(jié)果，其中虛線為企業(yè)要求的插入損失目標(biāo)值。由圖5知，在轉(zhuǎn)速為1 000～2 500 r·min-1整個范圍內(nèi)，消聲器的插入損失均未達(dá)到要求，尤其在常用轉(zhuǎn)速2 500 r·min-1時，仿真值與目標(biāo)值相差最大，消聲效果最差。

圖5 消聲器插入損失仿真結(jié)果

2.2 壓力損失仿真分析

壓力損失指進(jìn)、出口管中截面的全壓差。由于較高的壓力損失會降低發(fā)動機(jī)的動力性能，因此，在排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中不僅要獲得較好的聲學(xué)特性，還要盡可能地減少壓力損失。圖6為在發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全開情況下仿真得到的消聲器壓力損失結(jié)果，其中虛線對應(yīng)于企業(yè)允許的最大壓力損失值。由圖6可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，整個排氣系統(tǒng)的壓力損失呈上升趨勢，但遠(yuǎn)小于目標(biāo)值2.0×104Pa，消聲器空氣動力性能良好。

圖6 消聲器壓力損失

3 結(jié)構(gòu)多參數(shù)、多目標(biāo)、多工況優(yōu)化

由仿真分析結(jié)果知，消聲器的轉(zhuǎn)速在1 000～2 500 r·min-1范圍內(nèi)，壓力損失遠(yuǎn)小于目標(biāo)值2.0×104Pa，空氣動力性能良好，但插入損失偏低。為解決上述問題，提高消聲器的綜合性能，選取連接彎管直徑、主消聲器穿孔直徑和消聲器尾管長度三組對低頻影響較大的參數(shù)為變量，基于DOE方法，對排氣消聲器進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化。

3.1 響應(yīng)面擬合及質(zhì)量評價

通過建立響應(yīng)面模型，就可以對參數(shù)因子輸入的不同值進(jìn)行插值計算，最后通過在響應(yīng)面搜索合適的結(jié)果，得出所需的最佳響應(yīng)[8]。圖7是轉(zhuǎn)速為2 500 r·min-1時，連接彎管直徑和主消聲器穿孔直徑對壓力損失和尾管噪聲的響應(yīng)圖。

圖7 連接彎管直徑和穿孔直徑對壓力損失和尾管噪聲響應(yīng)圖

圖8 結(jié)構(gòu)化參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，在轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1和2 500 r·min-1情況下，尾管噪聲和壓力損失的Adj R-Sqr指標(biāo)均大于0.8。因此認(rèn)為所擬合的響應(yīng)面達(dá)到了所需的精度要求，可進(jìn)行后續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

表2 轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1和2 500 r·min-1時尾管噪聲和壓力損失的擬合質(zhì)量

3.2 消聲器結(jié)構(gòu)多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化

在采用擬合精度較好的響應(yīng)面的基礎(chǔ)上，對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化過程中采用遺傳算法進(jìn)行求解。根據(jù)實際情況，優(yōu)化條件設(shè)置為為尾管噪聲最小而壓力損失不超過2.0×104Pa；轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1時的權(quán)重系數(shù)為0.3，轉(zhuǎn)速為2 500 r·min-1時的權(quán)重系數(shù)為0.7。

目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

將各個參數(shù)的全局最值代入GT-Power計算模型中進(jìn)行求解，得到改進(jìn)前、改進(jìn)后插入損失和壓力損失的對比結(jié)果，如圖9所示。

由圖9可知，優(yōu)化后消聲器的整體插入損失有了明顯提升，且都在目標(biāo)值以上，尤其在轉(zhuǎn)速2 500 r·min-1下，其值由18 dB提升至32 dB，效果顯著。雖然系統(tǒng)壓力損失整體也呈上升趨勢，但變化相對較小。在常用轉(zhuǎn)速2 500 r·min-1下，改進(jìn)后的壓力損失最大值為1.3×104Pa，遠(yuǎn)低于目標(biāo)值2.0×104Pa。

雖然上述改進(jìn)后的結(jié)果在聲學(xué)性能和空氣動力性能上能夠滿足要求，但尾管長度由200 mm增加為670 mm，增大了消聲器的空間布置難度，結(jié)構(gòu)性能差。因此，根據(jù)圖8(c)，用尾管長度迭代結(jié)果中優(yōu)化代數(shù)最優(yōu)值380 mm取代全局最優(yōu)值670 mm，進(jìn)行第二次計算。為了保證消聲器總體長度不變，將主消聲器向副消聲器方向靠近180 mm，尾管長度增加180 mm，仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，第二次改進(jìn)后的消聲器插入損失相對于第一次有所下降，但常用轉(zhuǎn)速時下降幅度較小且整體基本滿足要求。同時，第二次改進(jìn)后消聲器的壓力損失變化不大，滿足設(shè)計要求。

圖9 優(yōu)化前后插入損失和壓力損失對比

圖10 第二次改進(jìn)后插入損失和壓力損失對比

4 結(jié)論

針對某汽車消聲器插入損失過低的問題，基于DOE方法，對消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)、多目標(biāo)優(yōu)化，改進(jìn)后的消聲器整體插入損失有了明顯提升且基本在目標(biāo)值以上，尤其在轉(zhuǎn)速2 500 (r·min-1)下，其值由18 dB提升至30 dB，效果顯著；雖然壓力損失增至1.3×104Pa，但遠(yuǎn)小于目標(biāo)值2.0×104Pa，消聲器的綜合性能得到了提高。

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Performance analysis and improvement of automotive exhaust muffler

ZHAO Dong1, GAO Xiao-xin2, YANG Liang3, CHU Zhi-gang1, ZHENG Fei1

(1. College of Automotive Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. AECC Hunan aviation powerplant research institute, Zhuzhou 412000, Hunan, China; 3. Chongqing Chang’an Automobile Engineering Institute, Chongqing 400044, China)

Aiming at the problem that the insertion loss of an automobile exhaust muffler has not been up to standard, a coupling simulation model of coupling between the engine and the intake and exhaust system is established by GT-Power software. The acoustic performance and aerodynamic performance of the exhaust muffler are calculated numerically. The insertion loss and pressure loss are analyzed at an engine speed range between 1 000 and 2 500 rpm. According to the analysis results, a multi-condition, multi-parameter and multi-objective optimization is conducted to the muffler structure based on the DOE (Design of Experiment) method. The optimization results indicate that the insertion loss of the optimized muffler is obviously promoted, the aerodynamic performance is satisfactory, and its comprehensive performance is significantly improved.

muffler; insertion loss; pressure loss

TB535

A

1000-3630(2018)-03-0272-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.014

2017-07-10;

2017-08-30

重慶市重大應(yīng)用開發(fā)計劃項目(cstc2015yykfc60003)、汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室開放基金資助項目(NVHSKL-201504)。

趙東(1993－), 女, 湖北洪湖人, 碩士研究生, 研究方向為車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲控制。

褚志剛,E-mail:zgchu@cqu.edu.cn