一种排气背压的计算方法

许亚峰，周维

(华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁沈阳 110104)

一种排气背压的计算方法

许亚峰，周维

(华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁沈阳 110104)

应用GT-Power软件，建立某排气系统的一维计算模型，利用EndFlowInlet模块，快速计算排气系统背压并与台架试验结果进行对比。试验结果表明，用该计算方法能够快速准确地计算出排气背压。

排气系统；背压；GT-Power软件

0 引言

发动机排气系统的主要功能是顺利地将废气排出、降噪。在排气系统的开发过程中，排气背压是关键的设计目标之一，排气背压的大小直接影响着发动机的功率损失和噪声水平。

作者提出一种排气系统背压的开发方法，该方法通过建立排气系统的三维模型，并离散成一维模型，利用其中EndFlowInlet模块迅速建立背压计算模型，对排气系统背压进行预测，由于该方法不需要建立发动机模型，计算过程中采用一维动力学仿真，所以整个计算过程非常快。

1 排气背压对发动机性能的影响

1.1 不同的排气背压下发动机性能数据

为了验证排气背压对某发动机性能的影响，分别制作两套排气系统，背压分别是51.4、48 kPa。搭载到发动机台架试验进行性能测试，来验证排气背压对功率、扭矩、燃油消耗率的影响。一催前测量点背压如图1所示。

图1 一催前测量点背压

不同背压下发动机功率、扭矩、燃油消耗量分别如图2—4 所示。

图2 不同背压下发动机功率图

图3 不同背压下发动机扭矩图

图4 不同背压下燃油消耗量图

从图2—4中可知不同背压对发动机性能影响很大，在额定功率点5 500 r/min下的功率由109.9 kW下降到105.8 kW，3.4 kPa排气背压增加量导致了4.1 kW的功率损失，扭矩和燃油消耗量也有不同程度的损失，这对于发动机性能的影响是不可忽略的。开发阶段非常有必要计算和优化排气背压。

2 排气背压计算

2.1 排气系统模型的建立

一维动力学仿真软件中的GEM3D专门用于建立复杂结构的三维模型。利用该模块建立了完整的排气系统模型(图5)，并离散成一维模型，离散长度取40 mm。几何误差的处理方法是计算准确的前提，压力损失通常发生在截面变化的位置，如消音器或管路连接处等。

图5 排气系统的建模和离散

2.2 计算理论

在GT-Power中有一个标准模块EndFlowInlet专门用于计算部件压损，该对象描述了一个边界条件，它将流量引入或流出附加的流动组件。流体的流速可以指定为体积流量、质量流量或流速。当使用此模板时，该模块实际上计算在满足用户指定的流量所需的边界处的压力，所以只要知道发动机排气口的质量流量和温度就可以计算排气系统背压。

需要特别注意的是，如果用户指定不适合系统的流量，这可能会导致稳定性问题。例如，如果一个巨大的流量被指定去通过一个小的管孔、阀等，然后在EndflowInlet的压力和任何上游流组件会升得很快；最终，密度或马赫数将增加足以满足指定的流量，但所得到的流体状态可能是错误的流体性能，从而导致非常快速的压力增加。

在管模板选项文件夹属性里可以定义向前和向后的压力损失系数。管里的压力损失是由锥形、弯曲或不规则的截面引起的。压力损失系数定义如下：

(1)

式中：p1为出口处总压；p2为入口处总压；ρ为入口处气体密度；v1为入口处气体速度。

如果压力损失系数设为预定义，弯管或锥管造成的压力损失自动估算。计算出的压力损失系数被保存为RLT变量，可以在RLT后处理再看到。计算结果综合了各种数据，但没有考虑管壁摩擦。管壁摩擦是被单独计算的。压力损失系数没有考虑由于突然收缩或膨胀引起的压力损失。在孔里的流量系数模拟此损失[1]。

2.3 计算模型的建立

建立如图6所示的计算模型，其中压力传感器布置位置和压力测试位置如图所示。载体参数如表1所示。

图6 排气背压一维计算模型

参数几何尺寸目数壁厚面积一级催化器ϕ93mm×91mm6000.1524mm6761mm2二级催化器ϕ118.4mm×100mm4000.1524mm10835mm2

其中各管路初始表面粗糙度设置为0.25 μm，计算壁温时要用到内部热传递、外部热传递、管壁的比热容和初始壁温，设置如图7—10所示。

图7 各管路main参数设置

图8 壁温求解参数设置

图9 EndFlowInlet参数设置

图10 运行设置

EndFlowInlet中两个主要参数——排气质量流量和温度按照实际值493 kg/h、775 ℃填写，混合气成分选择FluidMixtureBurned部件，具体可按照软件自带参数模板设置。运行设置中采用以时间为步长的计算方式，计算时长2 s，质量流量收敛的误差率设置为0.2%，压力收敛误差率设置为1%，如果计算结果不收敛可以提高计算时长来达到稳态。

2.4 计算结果及验证

按照以上设置，运行计算模型得到的压力云图结果如图11所示。

图11 压力云图

最终计算的背压为51kPa@493kg/h,从结果中也可以得出各段的压力损失，如果得到排气系统入口质量流量随发动机转速的函数变化，可以得到一条不同转速下排气系统的背压曲线(见图12)，计算的排气背压在额定功率转速下较实测值高出1.7 kPa，计算精度误差在3%左右，能够有效地支持排气系统背压的开发。

图12 排气背压计算值和实测值对比

3 结论

(1)通过不同排气背压对发动机性能影响的试验结果可知，排气背压是影响发动机动力经济性关键设计目标。

(2)该计算方法不需要建立复杂的发动机模型，操作简便实用性强。

(3)GT-Power具有足够的精度来满足排气背压目标开发要求，同时因为是一维软件，网格处理方便、计算速度快，可以实现排气背压的快速预测。

【1】Gamma Technologies Inc.GT-Power User’s Manual-vers.6.1601[M].Oakmont.

【2】马少康，梁涛，苏艳君，等.排气背压对发动机性能影响的研究[J].小型内燃机与摩托车,2015,44(2):12-15. MA S K,LIANG T,SU Y J,et al.Influence of Exhaust Back Pressure on Engine Performance[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2015,44(2):12-15.

A Kind of Calculation Method for Exhaust Back Pressure

XU Yafeng, ZHOU Wei

(Brilliance Auto R & D Center Powertrain Integrated Technology Section,Shenyang Liaoning 110104,China)

The GT-Power software was applied to establish one-dimensional model of a exhaust system.Using EndFlowInlet module,the back pressure of the exhaust system was calculated quickly and it was compared with bench test result. The experimental results show that this method can be used to calculate exhaust backpressure rapidly and accurately.

Exhaust system; Back pressure; GT-Power software

2016-12-28

许亚峰(1988—)，男，工学学士，助理工程师，研究方向为排气系统NVH设计方向。E-mail：yafeng.xu@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.006

U461.134+4

A

1674-1986(2017)04-025-04