内置催化器位置对消声器性能的影响分析

黄泽好，谭章麒，袁光亮

(重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆 400054)

内置催化器位置对消声器性能的影响分析

黄泽好，谭章麒，袁光亮

(重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆 400054)

对内置催化器式消声器的催化器安装空间与消声器消声性能和空气动力学性能进行研究。根据实验对比需求建立了5组内置催化器式消声器模型，运用GT－suit软件将消声器模型与匹配发动机模型进行耦合仿真，计算得到各转速下设计实验组的消声器的插入损失和功率损失。通过计算结果研究消声器中催化器安装空间对消声器消声效果和匹配发动机功率损失的影响，并提出一种两参数的加权评价标准，为内置催化器式消声器设计和改进提供依据。

内置催化器;消声器;插入损失;功率损失;评价模型

受限于车辆的空间布置和提高排气系统集成度的要求，某些车辆将三元催化器直接安装在排气消声器中。如何将消声器中的三元催化器有机地与消声器完美配合，提升排气消声器的声学性能，使发动机功率损失控制在合理范围内，同时最大程度地发挥催化器的催化效能，这就对消声腔室的设计提出了更高的要求［1－2］。本文利用虚拟实验技术对设计的消声器进行仿真［3］，从而有效减少实验次数，缩短产品开发周期，降低开发成本［4－6］。本文着重分析三元催化器在消声器中的安装空间和位置对插入损失和匹配发动机功率损失的影响。

1 模型的建立和实验方案的选择

1.1 建立消声器模型

GME3D是GT－SUIT下用于进排气系统设计的模块，通过该模块能够很方便地建立和改进进排气系统的三维模型。在某容积约为55 L的消声器三维模型基础上保留其腔室结构和管道结构，去掉其包裹材料、悬挂支架和加强筋等，在GME3D中建立计算用消声器模型，如图1所示。其中，选用的三元催化器参数如表1所示。再分别设置消声器腔室离散长度和管道离散长度，将模型离散化(775个单元)为计算用的声学有限元模型，生成*.gtm格式文件，至此完成模型的建立。

图1 计算用消声器模型

表1 三元催化剂参数

1.2 设计实验方案

为了解催化器安装空间对排气消声器声学性能和流体性能的影响，分别控制催化器前端空间A改变后端B，再控制后端B改变前段距离(如图2所示)。参考原消声器，取A的长度分别为20，35，50 mm，取B的长度为20，50，80 mm。假设催化器前后空间独立影响消声器的声学性能和流体性能，设计出5个独立实验，如表2所示。

图2 消声器平面图

表2 实验序号表mm

2 基于排气消声器建立动力系统模型

评价排气消声器通常是从消声性能和空气动力学性能这两个方面进行。对于声学性能，一般用传递损失(transmission loss)和插入损失(insertion loss)来评价。相比于传递损失，插入损失能更直观地反映发动机在不同转速下消声器的消声性能，而且相对容易测试，所以实际工程中多用此方法测试消声器的声学性能。排气消声器空气动力学性能主要由压力损失和匹配发动机的功率损失来评价。本文采用插入损失IL和功率损失P对5组消声器进行评价［7］。

2.1 发动机模型的建立

在GTise中建立的是发动机的一维模型，它几乎包括了发动机的运动学模型、流体模型和燃烧模型的所有关键工况。根据该排气消声器所匹配的发动机参数(见表2)建立发动机模型。将建立的发动机模型与实验得到的发放机模型最大功率曲线进行比较，结果如图3所示。实验数据和计算值差距［5，7］最大为7%。

表3 发动机参数

图3 发动机最大功率对比曲线

2.2 消声器插入损失、功率损失模型建立

将之前建立的一维发动机模型与离散化的消声器模型进行耦合，并加入麦克风、传感器等模块，建立如图4所示的插入损失计算模型，计算排气消声器在不同发动机转速下的消声性能。图4为用与消声器等长的直管代替消声器后的模型。图5是加入消声器后的模型。在计算出排气噪声的同时，软件可以计算出未加入消声器和加入消声器后发动机的输出功率，从而得到发动机的功率损失。

图4 直管代替消声器模型

图5 加入消声器模型

3 计算结果分析

3.1 插入损失

使用所建立的排气消声器和动力系统的耦合模型，依次对各实验序号消声器和用直管代替的消声器耦合模型进行仿真。实验转速的选取依照汽车实验学中对发动机台架的实验要求，选取从1 200 r/min到2 700 r/min中包括最大功率点和最大扭矩点平均分配的6个转速点进行仿真分析，结果如图6～9所示。

图6 A计权插入损失

图7 1 500 r/min时5组消声器插入损失

图8 1 800 r/min时5组消声器插入损失

从A计权［8］消声器插入损失来看，催化器前端位置的减小并没有提升消声效果，反而有最大10 dB的降低，说明增大催化器前端空间有助于提高发动机在中低转速下消声器的传递损失。对于催化器后端位置，增大会提升高转速时的插入损失，而减小可提升低转速时的消声效果。图7～9是在常用转速1 500，1 800，2 100 r/min下的各消声器对应频谱的传递损失可以看出:对于1 000 Hz以下的中低频噪声，催化器后端位置±30 mm的改变对传递损失的影响不大，反倒是当前端空间下降到20 mm后，对100 Hz到200 Hz的低频传递损失明显提升了13 dB左右。而在1 000 Hz以上的高频噪声阶段，由于过小的催化器前端空间影响了排气的顺畅度，反而产生了一些次生噪声，传递损失变为负值。相反，当前端空间增大时可以明显改善1 000 Hz以上的高频消声效果。

3.2 功率损失

功率损失是评价排气消声器的重要指标之一，功率损失过大会造成撞车后动力系统的动力输出不足。标准规定该类发动机功率损失应小于4%。表4是动力系统与对于消声器耦合模型在不同转速下的功率损失。

表4 各组消声器在不同转速下的功率损失%

从表4可以看出:消声器功率损失随着发动机转速的上升而增大，其原因是发动机转速上升，导致排气量增大，消声器气阻也相应增大。对比消声器功率损失标准，1号、2号、3号、5号消声器符合规定，但2号和5号消声器功率损失相对较大，说明催化器前后端空间过大或者过小都会引起功率损失，也就是排气背压的增大［9］。

3.3 插入损失、功率损失的综合分析

通常消声器的传递损失和匹配发动机的功率损失是一对相互矛盾的量，对于消声器和发动机的匹配，不同的车辆有不同的侧重。如对于表4的4号消声器，当催化器与最近的隔板距离小于一定距离时，功率损失将非常大，不能达到消声器设计的相关标准。而当消声效果和功率损失都能达到设计标准［10］时，传递损失和功率损失的取舍将是需要面对的一个问题。给出两参数加权公式，如式(1)所示。

其中:Δp为各转速平均功率损失;Δd B(A)为A计权的传递损失;a，b分别为功率损失和传递损失的加权系数。若注重汽车动力性，可将权值a增大;若注重控制汽车噪声，则可提高权值b(其中a+b =1);c，d分别为标准中对应车辆的功率损失最大限值和插入损失最小限值。

当消声器各项指标达到标准后，计算结果表明:L值越大，则消声器综合性能越好。

4 结论

1)当催化器前端空间小于35 mm，频率高于1 000 Hz时插入损失可能变为负值，同时功率损失将急剧增大。

2)催化器后端空间的增大会提升高转速时的插入损失，而减小可提升低转速时的消声效果。

3)运用设计的消声器评价方法可以有效评价改进的排气消声器的综合性能。

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(责任编辑 刘舸)

Performance Analysis of Built-in Catalysts Position on Muffler

HUANG Ze－hao，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年重庆高校创新团队建设计划资助项目(KJTD201319)

黄泽好(1966—)，男，湖南麻阳人，博士，教授，主要从事车辆动力学、车辆振动噪声控制方面研究。

黄泽好，谭章麒，袁光亮.内置催化器位置对消声器性能的影响分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(9):7－10.

format:HUANG Ze－hao，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.