发动机排气消声系统与催化装置的匹配研究

2012-04-16徐楠楠侯献军

汽车科技 2012年3期

刘庆，徐楠楠，侯献军

（1．河南机电高等专科学校汽车工程系，河南，453000；2．武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070）

发动机排气噪声是摩托车的主要噪声源，随着摩托车的排放标准和噪声标准变得日益严格，选择合理的设计手段和方法来满足法规要求就显得尤为重要。为达到第三阶段排放标准，催化转化器已经成为摩托车的标准配置。根据摩托车的结构特点，催化器需要和消声器集成为一体，即摩托车排气净化消声器。这种一体化设计对消声器提出了新的要求，因此，研究排气净化消声系统对发动机动力性、经济性及噪声性能的影响十分重要［1］。

随着计算机软件技术的迅猛发展及其在工程中的广泛应用，发动机性能仿真技术也得到了快速发展并日渐成熟，成为现代消声器研究的主要平台。本文利用GT-Power软件完成了摩托车发动机排气消声系统与催化装置的匹配研究［2］。

1 发动机仿真模型的建立与验证

1.1 仿真模型的建立

GT-power软件以一维CFD计算为基础，采用有限容积法进行模拟计算。它把发动机的各系统分为不同的功能模块进行面向对象的编程，然后将这些通用的功能模块以模板的形式存储起来形成模板库。该软件的模板库非常丰富，包括了流体元件、机械部件、分析工具和模拟过程控制等发动机全工况模拟所需的元件与工具。搭建发动机模型，仅需将相应的模板拷贝到建模区域中形成对象并予赋值，然后将对象连接进行有机集成，形成与发动机实际输入与输出关联的发动机仿真程序［3］［4］。

图1为基于GT-Power平台建立的某摩托车发动机仿真模型，该发动机的参数如表1所示。模型采用模块化结构，包括系统边界、进气和排气道、进排气门、气缸、缸体、空气滤清器及喷油器等。

表1 某发动机的性能、结构参数

1.2 仿真模型的验证

1.2.1 发动机扭矩的验证

由图2可以看出，仿真结果与实验值吻合较好。在转速为6 500 rpm时误差达到最大值，此时实验值为8.4 N·m，仿真结果为8.65 N·m，此时的误差为2.9%，在误差允许范围内。

1.2.2 发动机功率的验证

由图3可以看出，仿真结果与实验值同样吻合较好。在转速为7 500 rpm时误差达到最大值，此时实验值为6.75 kW，仿真结果为6.925 kW，此时的误差为2.6%，在误差允许范围内。

可见，扭矩与功率的仿真结果与实验结果的误差都在允许范围内，所以上述模型可以与消声器模型进行耦合计算。

2 发动机与消声器耦合仿真

2.1 消声器模型

GT-Power软件的GT-SUITE用户界面内含有消声器的前处理程序Muffler，Muffler采用图形化设计，包含了消声器的各种零部件数学模型，如壳体、直管、弯管、重叠管、多孔管、吸声材料及隔板等。用户可在图形界面方便地建立消声器复杂几何形状的三维网格，然后系统将此三维网格转化为其内部格式的数据文件，并在GT-ISE中导入即可自动生成GT-power 软件的模型［5，6］。

作者首先建立了原消声器模型（图4），然后在原消声器模型上加入催化器对消声器模型进行了改进（图5）。改进方式如下：在进管处加一根热管（Φ36×45 mm），第一腔内加催化器（直径×长度：Φ40×60mm；容积：75.36ml，目数：400cpsi）。

2.2 耦合仿真模型

将GT-Power的插入损失和压力损失功能模块与发动机工作过程仿真模型、消声器离散模型进行耦合，建立起消声器性能分析的计算模型［6］。

尾管噪声计算模型如图6所示。该模型考虑了流体对噪声的影响，流体噪声设为80 dB（A）。模型使用了“AcoustExhMicrophone”模块，该模块相当于一个外置麦克风，能根据声源特性将气流的压力波模拟成声波。在计算插入损失时需将模型中的Muffler部分替换成与之长度相等的直管，计算得出尾管噪声与带消声器的尾管噪声求差值，即为插入损失。

压力损失计算模型见图7。通过两个压力传感器（“SensorConn”模块）分别将消声器前后的压力信号传递到累加器（“Sum”模块）进行求差运算，得到压力损失，并存储到变量存储器（“RLTCreator”模块）中。此处的压力损失值是包括催化器在内的排气系统热端的压力损失。