黃澤好，譚章麒，袁光亮

(重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

內(nèi)置催化器位置對消聲器性能的影響分析

黃澤好，譚章麒，袁光亮

(重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

對內(nèi)置催化器式消聲器的催化器安裝空間與消聲器消聲性能和空氣動力學性能進行研究。根據(jù)實驗對比需求建立了5組內(nèi)置催化器式消聲器模型，運用GT－suit軟件將消聲器模型與匹配發(fā)動機模型進行耦合仿真，計算得到各轉(zhuǎn)速下設(shè)計實驗組的消聲器的插入損失和功率損失。通過計算結(jié)果研究消聲器中催化器安裝空間對消聲器消聲效果和匹配發(fā)動機功率損失的影響，并提出一種兩參數(shù)的加權(quán)評價標準，為內(nèi)置催化器式消聲器設(shè)計和改進提供依據(jù)。

內(nèi)置催化器;消聲器;插入損失;功率損失;評價模型

受限于車輛的空間布置和提高排氣系統(tǒng)集成度的要求，某些車輛將三元催化器直接安裝在排氣消聲器中。如何將消聲器中的三元催化器有機地與消聲器完美配合，提升排氣消聲器的聲學性能，使發(fā)動機功率損失控制在合理范圍內(nèi)，同時最大程度地發(fā)揮催化器的催化效能，這就對消聲腔室的設(shè)計提出了更高的要求［1－2］。本文利用虛擬實驗技術(shù)對設(shè)計的消聲器進行仿真［3］，從而有效減少實驗次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本［4－6］。本文著重分析三元催化器在消聲器中的安裝空間和位置對插入損失和匹配發(fā)動機功率損失的影響。

1 模型的建立和實驗方案的選擇

1.1 建立消聲器模型

GME3D是GT－SUIT下用于進排氣系統(tǒng)設(shè)計的模塊，通過該模塊能夠很方便地建立和改進進排氣系統(tǒng)的三維模型。在某容積約為55 L的消聲器三維模型基礎(chǔ)上保留其腔室結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)，去掉其包裹材料、懸掛支架和加強筋等，在GME3D中建立計算用消聲器模型，如圖1所示。其中，選用的三元催化器參數(shù)如表1所示。再分別設(shè)置消聲器腔室離散長度和管道離散長度，將模型離散化(775個單元)為計算用的聲學有限元模型，生成*.gtm格式文件，至此完成模型的建立。

圖1 計算用消聲器模型

表1 三元催化劑參數(shù)

1.2 設(shè)計實驗方案

為了解催化器安裝空間對排氣消聲器聲學性能和流體性能的影響，分別控制催化器前端空間A改變后端B，再控制后端B改變前段距離(如圖2所示)。參考原消聲器，取A的長度分別為20，35，50 mm，取B的長度為20，50，80 mm。假設(shè)催化器前后空間獨立影響消聲器的聲學性能和流體性能，設(shè)計出5個獨立實驗，如表2所示。

圖2 消聲器平面圖

表2 實驗序號表mm

2 基于排氣消聲器建立動力系統(tǒng)模型

評價排氣消聲器通常是從消聲性能和空氣動力學性能這兩個方面進行。對于聲學性能，一般用傳遞損失(transmission loss)和插入損失(insertion loss)來評價。相比于傳遞損失，插入損失能更直觀地反映發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下消聲器的消聲性能，而且相對容易測試，所以實際工程中多用此方法測試消聲器的聲學性能。排氣消聲器空氣動力學性能主要由壓力損失和匹配發(fā)動機的功率損失來評價。本文采用插入損失IL和功率損失P對5組消聲器進行評價［7］。

2.1 發(fā)動機模型的建立

在GTise中建立的是發(fā)動機的一維模型，它幾乎包括了發(fā)動機的運動學模型、流體模型和燃燒模型的所有關(guān)鍵工況。根據(jù)該排氣消聲器所匹配的發(fā)動機參數(shù)(見表2)建立發(fā)動機模型。將建立的發(fā)動機模型與實驗得到的發(fā)放機模型最大功率曲線進行比較，結(jié)果如圖3所示。實驗數(shù)據(jù)和計算值差距［5，7］最大為7%。

表3 發(fā)動機參數(shù)

圖3 發(fā)動機最大功率對比曲線

2.2 消聲器插入損失、功率損失模型建立

將之前建立的一維發(fā)動機模型與離散化的消聲器模型進行耦合，并加入麥克風、傳感器等模塊，建立如圖4所示的插入損失計算模型，計算排氣消聲器在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的消聲性能。圖4為用與消聲器等長的直管代替消聲器后的模型。圖5是加入消聲器后的模型。在計算出排氣噪聲的同時，軟件可以計算出未加入消聲器和加入消聲器后發(fā)動機的輸出功率，從而得到發(fā)動機的功率損失。

圖4 直管代替消聲器模型

圖5 加入消聲器模型

3 計算結(jié)果分析

3.1 插入損失

使用所建立的排氣消聲器和動力系統(tǒng)的耦合模型，依次對各實驗序號消聲器和用直管代替的消聲器耦合模型進行仿真。實驗轉(zhuǎn)速的選取依照汽車實驗學中對發(fā)動機臺架的實驗要求，選取從1 200 r/min到2 700 r/min中包括最大功率點和最大扭矩點平均分配的6個轉(zhuǎn)速點進行仿真分析，結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 A計權(quán)插入損失

圖7 1 500 r/min時5組消聲器插入損失

圖8 1 800 r/min時5組消聲器插入損失

從A計權(quán)［8］消聲器插入損失來看，催化器前端位置的減小并沒有提升消聲效果，反而有最大10 dB的降低，說明增大催化器前端空間有助于提高發(fā)動機在中低轉(zhuǎn)速下消聲器的傳遞損失。對于催化器后端位置，增大會提升高轉(zhuǎn)速時的插入損失，而減小可提升低轉(zhuǎn)速時的消聲效果。圖7～9是在常用轉(zhuǎn)速1 500，1 800，2 100 r/min下的各消聲器對應(yīng)頻譜的傳遞損失可以看出:對于1 000 Hz以下的中低頻噪聲，催化器后端位置±30 mm的改變對傳遞損失的影響不大，反倒是當前端空間下降到20 mm后，對100 Hz到200 Hz的低頻傳遞損失明顯提升了13 dB左右。而在1 000 Hz以上的高頻噪聲階段，由于過小的催化器前端空間影響了排氣的順暢度，反而產(chǎn)生了一些次生噪聲，傳遞損失變?yōu)樨撝怠Ｏ喾?，當前端空間增大時可以明顯改善1 000 Hz以上的高頻消聲效果。

3.2 功率損失

功率損失是評價排氣消聲器的重要指標之一，功率損失過大會造成撞車后動力系統(tǒng)的動力輸出不足。標準規(guī)定該類發(fā)動機功率損失應(yīng)小于4%。表4是動力系統(tǒng)與對于消聲器耦合模型在不同轉(zhuǎn)速下的功率損失。

表4 各組消聲器在不同轉(zhuǎn)速下的功率損失%

從表4可以看出:消聲器功率損失隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而增大，其原因是發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，導致排氣量增大，消聲器氣阻也相應(yīng)增大。對比消聲器功率損失標準，1號、2號、3號、5號消聲器符合規(guī)定，但2號和5號消聲器功率損失相對較大，說明催化器前后端空間過大或者過小都會引起功率損失，也就是排氣背壓的增大［9］。

3.3 插入損失、功率損失的綜合分析

通常消聲器的傳遞損失和匹配發(fā)動機的功率損失是一對相互矛盾的量，對于消聲器和發(fā)動機的匹配，不同的車輛有不同的側(cè)重。如對于表4的4號消聲器，當催化器與最近的隔板距離小于一定距離時，功率損失將非常大，不能達到消聲器設(shè)計的相關(guān)標準。而當消聲效果和功率損失都能達到設(shè)計標準［10］時，傳遞損失和功率損失的取舍將是需要面對的一個問題。給出兩參數(shù)加權(quán)公式，如式(1)所示。

其中:Δp為各轉(zhuǎn)速平均功率損失;Δd B(A)為A計權(quán)的傳遞損失;a，b分別為功率損失和傳遞損失的加權(quán)系數(shù)。若注重汽車動力性，可將權(quán)值a增大;若注重控制汽車噪聲，則可提高權(quán)值b(其中a+b =1);c，d分別為標準中對應(yīng)車輛的功率損失最大限值和插入損失最小限值。

當消聲器各項指標達到標準后，計算結(jié)果表明:L值越大，則消聲器綜合性能越好。

4 結(jié)論

1)當催化器前端空間小于35 mm，頻率高于1 000 Hz時插入損失可能變?yōu)樨撝担瑫r功率損失將急劇增大。

2)催化器后端空間的增大會提升高轉(zhuǎn)速時的插入損失，而減小可提升低轉(zhuǎn)速時的消聲效果。

3)運用設(shè)計的消聲器評價方法可以有效評價改進的排氣消聲器的綜合性能。

［1］黃澤好，楊超，黃一桃，等.摩托車排氣凈化消聲器性能分析［J］.中國機械工程，2013，24(1):110－114.

［2］Munjal M.Analysis and Design of Pod Silencers［J］. Journal of Sound and Vibration，2003，262:497－507.

［3］侯獻軍，劉慶，劉志恩.基于GT－Power的汽車排氣消聲器性能分析及改進［J］.汽車技術(shù)，2009(1):38－40.

［4］Panigrahi S N，Munjal ML.A Generalized Scheme for Analsis of Multifarious Commercially used Mufflers［J］. Applied Acoustics，2007，68(6):660－681.

［5］謝田峰，金國棟，鐘紹華.GT－Power在內(nèi)燃機排氣消聲器設(shè)計中的運用［J］.內(nèi)燃機，2003(1);12－14.

［6］侯鎖軍，杜艷霞.基于整車噪聲控制的消聲器分析與改進［J］.汽車工程，2013，35(10):944－954.

［7］馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［8］陳克安，曾向陽，李海英.聲學測量［M］.北京:科學出版社，2005.

［9］Denia FD，Selamet A，F(xiàn)uenmayor F J，etal.Acoustic Attention with Empty Inlet/Outlet Extension［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，302(4/5);1000－1017.

［10］QC/T631—2009，汽車排氣消聲器總成技術(shù)條件和實驗方法［S］.

(責任編輯 劉舸)

Performance Analysis of Built-in Catalysts Position on Muffler

HUANG Ze－h(huán)ao，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年重慶高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃資助項目(KJTD201319)

黃澤好(1966—)，男，湖南麻陽人，博士，教授，主要從事車輛動力學、車輛振動噪聲控制方面研究。

黃澤好，譚章麒，袁光亮.內(nèi)置催化器位置對消聲器性能的影響分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(9):7－10.

format:HUANG Ze－h(huán)ao，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.