基于GT-Power的消声器排气尾管长度仿真研究

孙培岩，宋海波，王宣峰，肖旻

（1.大连理工大学内燃机研究所，大连116023；2.天纳克同泰（大连）排气系统有限公司，大连116100）

基于GT-Power的消声器排气尾管长度仿真研究

孙培岩1，宋海波1，王宣峰2，肖旻1

（1.大连理工大学内燃机研究所，大连116023；2.天纳克同泰（大连）排气系统有限公司，大连116100）

利用GT-Power软件对2100型柴油机和单扩张腔消声器进行耦合，对其工作过程进行仿真。完成了对2100型柴油机的排气噪声情况的模拟仿真，并通过与实验结果对比验证建立的模型仿真的准确性。然后分析消声器安装位置与消声器尾管长度对消声器消声性能的影响。

消声器实验仿真模拟尾管长度

1 前言

随着我国工业发展进程的不断推进，汽车已经成为人们日常生活所必需的交通工具，随之产生的交通噪声污染也就成为人们日常生活中的一大公进害[1]。目前，在发动机的排气系统中安装排气消声器是比较普遍和有效的减噪措施[2]。

传统消声器的设计主要是利用实验的方法进行的，这种方法消耗了大量的资金及人力和物力，研究周期比较长。美国GTI公司基于计算机技术和数值计算方法开发了一款模拟与仿真分析软件GT-Suite。GT-Suite包含多个模块，其中有专门模拟发动机工作过程的GT-Power部分。GT-Power主要利用有限容积法的一维计算模型模拟一个与实际发动机工作状态相接近的计算模型。软件还包括为消声器建模而专门设计的图形化处理模块GEM3D。在GEM3D中可以实现三维模型的离散化，方便快捷，对于复杂排气管和消声器的建模尤为方便[3]。从而可以计算发动机的性能参数和进排气噪声，分析发动机与消声器的相互影响。利用该软件对消声器结构进行分析研究，大大缩短了开发时间，提高开发效率。

本文设计了一款简单的扩张式消声器，并用软件仿真分析的方法，分析消声器安装位置对消声器消声性能的影响。

2 柴油机模型

柴油机为2100型自然吸气、立式、水冷、四冲程、直喷式柴油机，其主要技术参数见表1。

3 扩张式消声器的尺寸结构

图1为消声器的结构尺寸图。消声器总体积约为10.2 L，进排气道直径与原发动机排气管直径一致，扩张比为16，扩张室直径176 mm，长420 mm，两端分别插入1/2，1/4插入管[4]。另设计一根直径45 mm、与消声器总长度相等的直管，用来代替消声器与发动机耦合，从而比较消声器的消声效果。

表1 2100柴油机主要结构参数

图1 消声器结构尺寸图

4 软件模型建立与验证

使用GT-Power软件与GEM3D建立2100型柴油机与消声器模型耦合之后的运算模型，如图2所示。模型建立完成后需要进行验证，以确保所建立模型反映真实发动机运转情况的准确性。进行发动机外特性试验，并将试验结果与仿真结果相对比。

柴油机功率和扭矩的实测值和仿真值上有一定的误差，但二者变化趋势基本一致，加装消声器后会使功率扭矩下降，见图3、图4和图5。两组数据的实测值与仿真值在功率方面的最大误差为4.8%，在扭矩上最大误差为2.6%，噪声随转速的变化趋势较为相似，最大误差为3.9%，总体误差在5%以内。考虑到环境、天气以及人为因素等误差影响因素，基本可以确定所建立的模型能够较为准确地反映发动机的真实情况。

5 消声器尾管对消声能力的影响

原发动机消声器尾管长度为200 mm，将消声器尾管长度分成四组长度，分别为400、800、1 200和2 000 mm。分别比较消声器尾管长度为400、800、1 200、2 000 mm与200 mm之间的插入损失和不同尾管长度下的声压级。

图6分别为长度200 mm尾管下的声压级与长度400、800和1 200 mm尾管在三分之一倍频程的声压级之差。其中正值部分表示200 mm尾管比其他长度尾管消声效果差的频带范围，负值部分代表200 mm尾管比其他长度尾管消声效果好的频带范围。

比较各图可以发现，随着消声器尾管长度的增加，在低频频带范围内，消声效果有所提高，而在较高的频带范围内，消声效果则有所下降。在噪声传出消声器后，在尾管中进行传播时，又会对尾管内的气体造成冲击，形成新的共振噪声，共振频率遵循下式：

图2 柴油机与消声器耦合的GTM模型

从公式可以看出，随着尾管长度l变长，f的大小变小。随着尾管增长，共振的最小频率变大。因此随着尾管长度增加，排气噪声在越来越高的频带上会出现驻波，使共振噪声增大，从而降低整个排气系统在中高频的消声效果。

图3 外特性功率对比

图4 外特性扭矩对比

图5 外特性噪声声压级对比

所以要想提高低频的消声效果，可以选择延长消声器的排气尾管。但较长的尾管在提高低频消声效果的同时，可能会增加中高频的消声难度。

从图7上比较不同尾管长度的排气噪声声压级发现，随着尾管长度的增加，声压级呈下降趋势。

通过前面的仿真分析可以看到发动机排气噪声主要集中在低频范围内，而较长的消声器尾管会提高排气消声系统的低频消声性能，所以随着尾管长度增加，排气噪声得到了更好的降噪。

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

来稿日期：2013-06-07

孙培岩（1963-），男，博士，副教授，研究方向为内燃机测试。