基于GT—Power的汽車(chē)排氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

劉淑玉等

摘要：根據(jù)汽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)排氣背壓和尾管噪聲兩大指標(biāo)，對(duì)消聲器筒體體積、腔數(shù)、尾管直徑進(jìn)行估算，設(shè)計(jì)出預(yù)選方案；通過(guò)GT-Power模擬和實(shí)車(chē)測(cè)試交替進(jìn)行，對(duì)預(yù)選方案進(jìn)行二次篩選優(yōu)化，最終得到滿足噪聲及背壓要求的最終方案。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)排氣系統(tǒng)；消聲器設(shè)計(jì)；GT-Power

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.134.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）01-0039-05

前言

汽車(chē)是當(dāng)代人使用的主要交通工具。隨著汽車(chē)保有量的逐年增長(zhǎng)，汽車(chē)噪聲已經(jīng)成為城市環(huán)境噪聲的主要部分。而排氣噪聲又是汽車(chē)主要噪聲源之一，因此排氣噪聲的控制也越來(lái)越受到重視。

排氣噪聲的控制是通過(guò)排氣消聲器實(shí)現(xiàn)：一般排氣背壓越大，消聲效果越好，但發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失也越大；反之亦然。本文通過(guò)GT-Power輔助分析、實(shí)車(chē)測(cè)試對(duì)排氣尾管噪聲和排氣背壓兩個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，確定消聲器的最終方案。

1設(shè)計(jì)目標(biāo)

排氣背壓：要求不大于37kPa——配有排氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)三元催化器前端檢測(cè)的壓力損失臺(tái)架數(shù)據(jù)。

尾管噪聲：圖1為排氣尾管噪聲的總聲壓級(jí)及各階次聲壓級(jí)限值曲線（三檔全油門(mén)加速）。

2計(jì)算分析

2.1消聲器簡(jiǎn)體體積估算

通常，消聲器簡(jiǎn)體容積較小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗就會(huì)較大，消聲效果較差；容積較大，雖然消聲量大、功率損耗小，但消聲器裝配性變差，且消聲器成本會(huì)上升。筒體體積的選擇以稍高于設(shè)計(jì)目標(biāo)值為佳，以控制系統(tǒng)成本。

以某款配1.2L自然吸氣四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型為例，對(duì)消聲器容積進(jìn)行估算：

2.2消聲器腔數(shù)的選擇

常見(jiàn)的筒體一般分隔為2～4腔。理論上，腔數(shù)越多，高頻消聲越好，低頻消聲越差，排氣背壓也會(huì)越大；腔數(shù)越少，低頻消聲越好，高頻消聲越差。因此，消聲器筒體腔數(shù)的選擇應(yīng)兼顧消聲特性和消聲量嘲。一般是根據(jù)消聲量進(jìn)行選擇：

A類(lèi)消聲量≥10dB（A），n=2～3；

B類(lèi)消聲量≥15 dB（A），n=3～4；

C類(lèi)消聲量≥20dB（A），n≥4。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇B類(lèi)，兼顧消聲效果和成本，下面針對(duì)3腔和4腔兩種方案分別進(jìn)行分析。

2.3消聲器尾管管徑的選擇

尾管直徑對(duì)消聲量及發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗有直接的影響。通常，尾管應(yīng)設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可以獲得較好的消聲效果，但排氣系統(tǒng)背壓會(huì)增大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗相應(yīng)增加。圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣特性（最大氣體質(zhì)量流量）與尾管管徑關(guān)系圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)的為238Kg/h，對(duì)應(yīng)尾管內(nèi)徑為φ38。

2.4簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面確定的參數(shù)，考慮排氣系統(tǒng)周?chē)锢磉吔缂暗妆P(pán)布置要求，設(shè)計(jì)出排氣系統(tǒng)單筒體結(jié)構(gòu)方案（圖3）：排氣系統(tǒng)由排氣管及消聲器兩部分組成。

圖4和圖5分別為兩個(gè)細(xì)分方案，僅筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同：兩個(gè)方案均為復(fù)合消聲結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張腔、共鳴腔用于消除中、低頻噪聲，高頻管用于消除中高頻噪聲。

方案一為四腔（圖4），單個(gè)進(jìn)氣管，單個(gè)出氣管，高頻管位于進(jìn)氣管上；

方案二為三腔（圖5），單個(gè)進(jìn)氣管，單個(gè)出氣管，高頻管位于出氣管上。

2.5 GT-Power輔助分析

根據(jù)兩個(gè)不同的筒體方案，分別在GT-Power中建立發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)的耦合模型（圖6）。

在GEM3D中根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)繪制筒體模型，“材料”設(shè)置為STEEL，“初始溫度”設(shè)置為300K，“壁面溫度解耦器”的“外部對(duì)流效率”按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為20，存儲(chǔ)后離散處理保存。

在GT-ISE打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型，導(dǎo)入三元催化器模型和離散消聲器筒體模型，按照實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)繪制連接管路及尾管，連接好發(fā)動(dòng)機(jī)、三元催化器和消聲器筒體。管路的材料、初始溫度、外部對(duì)流效率設(shè)置同上。

在消聲器尾管后布置麥克風(fēng)用于測(cè)試尾管口噪聲。由于通常拿到的發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型已經(jīng)設(shè)置好循環(huán)數(shù)case，因此“主要參數(shù)”的“計(jì)算持續(xù)”設(shè)置為“最后一個(gè)循環(huán)”；“最大頻率”設(shè)置為1000Hz，即測(cè)試0～1000Hz的聲頻；針對(duì)四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，“階次追蹤對(duì)象”設(shè)置為2階、4階和6階?！霸磪?shù)”涉及到麥克風(fēng)的布置位置，根據(jù)通用GMW14218標(biāo)準(zhǔn)，麥克風(fēng)需布置在消聲器尾管口同等高度，距尾管口500mm，與尾管口X向順時(shí)針成45。，因此“X/Y/Z方向”設(shè)置為354mm/-354mm/0mm，“氣體密度”和“聲速”采用默認(rèn)值，“聲學(xué)指向”設(shè)置為半球形，“麥克風(fēng)距離地面高度”設(shè)置為實(shí)際值315mm。“結(jié)果圖示”中除了1/10倍頻程不選取，其他都選上用于查看結(jié)果。

在麥克風(fēng)之后設(shè)置“外部環(huán)境”，“環(huán)境背壓”設(shè)置1bar，“溫度”300K，“成分”選擇air。

完成以上工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)的耦合模型進(jìn)行預(yù)處理，開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算。兩個(gè)方案排氣尾管噪聲總聲壓級(jí)與主要階次曲線見(jiàn)圖7、圖8。計(jì)算結(jié)果顯示，兩個(gè)排氣尾管噪聲總聲壓級(jí)與主要階次曲線均在目標(biāo)線以下。實(shí)際測(cè)試中，高轉(zhuǎn)速下胎噪的影響也會(huì)較大，因此仿真分析數(shù)據(jù)主要參考4000rpm以下結(jié)果。

兩個(gè)方案排氣背壓GT-powerg型，見(jiàn)圖9、圖10。計(jì)算結(jié)果顯示，兩個(gè)方案排氣背壓均達(dá)到目標(biāo)要求：≤37kpa。

3實(shí)車(chē)測(cè)試

基于理論計(jì)算結(jié)果，制作了兩個(gè)方案的排氣系統(tǒng)樣件，在實(shí)車(chē)上進(jìn)行尾管噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。對(duì)比測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果，總聲壓級(jí)、4階及6階數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，2階在2000rpm附近的峰值狀態(tài)一致，但是3000rpm之后的數(shù)據(jù)存在差異。由于是在室外瀝青路面對(duì)整車(chē)的排氣系統(tǒng)尾管噪聲進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)的其他車(chē)輛、輪胎的胎噪以及風(fēng)聲等各種外部因素都會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)存在差異性。

結(jié)果顯示，方案二（三腔）尾管噪聲要優(yōu)于方案一（四腔），因此選擇方案二進(jìn)行正式開(kāi)發(fā)。方案二在3200rpm和4000rpm的2階噪聲峰值超出目標(biāo)線約5dB，需對(duì)方案二進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到實(shí)車(chē)測(cè)試的目標(biāo)要求。

4優(yōu)化改進(jìn)及測(cè)試

方案二的主要存在問(wèn)題是2階噪聲超目標(biāo)。由于消聲器筒體容積已確定，若單獨(dú)隔出一個(gè)共振腔處理3500rpm附近的峰值，會(huì)對(duì)其他階次噪聲產(chǎn)生較大影響。因此，初步優(yōu)化方案是在方案二基礎(chǔ)上調(diào)整隔板穿孔數(shù)量，但是穿孔數(shù)的減少會(huì)導(dǎo)致排氣系統(tǒng)背壓增大，因此僅調(diào)整第一個(gè)隔板的穿孔數(shù)，由80×φ13.5更改為72×φ3.5，筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整后如圖12所示：

仿真分析，初步優(yōu)化的筒體方案排氣尾管噪聲和排氣背壓見(jiàn)圖13和14，2階噪聲在3200rpm有一個(gè)下降，背壓值增大至34Kpa。

根據(jù)優(yōu)化后的方案制造樣件進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，結(jié)果如圖15所示：新方案尾管主要階次噪聲表現(xiàn)較好，僅在4500rpm時(shí)2階次噪聲超標(biāo)2dB；總聲壓級(jí)在2000rpm以上超過(guò)目標(biāo)約3dB。

考慮到室外測(cè)試背景噪聲等各種因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的不良影響，我們?cè)诎胂暿疫M(jìn)行測(cè)試：尾管噪聲總聲壓級(jí)與主要階次曲線均低于目標(biāo)線，達(dá)到噪聲要求（圖15）。

圖15優(yōu)化后排氣尾管噪聲半消音室測(cè)試結(jié)果

此外排氣背壓實(shí)測(cè)為36.6kpa，亦達(dá)到要求（目標(biāo)≤37kpa）。

優(yōu)化后的消聲器在實(shí)車(chē)測(cè)試中其尾管噪聲和排氣背壓均達(dá)到了目標(biāo)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)消聲器的選擇原則，針對(duì)不同排量不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣系統(tǒng)主要目標(biāo)參數(shù)（尾管噪聲、排氣背壓）進(jìn)行控制。借助GT-Power仿真計(jì)算，可以較快較好地開(kāi)發(fā)出成本與性能兼?zhèn)涞呐艢庀到y(tǒng)。