蘇 煒，艾天樂(lè)，鄭心怡

（武漢理工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，湖北 武漢430000）

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FSC）是一項(xiàng)由高等院校汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。排氣系統(tǒng)的基本功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)做功所產(chǎn)生的廢氣排出體外，其布置形式的選擇以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有巨大影響[1]。

由于要滿足空間合理布局及性能、噪聲要求，需對(duì)原車排氣系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，主要包括排氣歧管設(shè)計(jì)及消音器設(shè)計(jì)。在排氣歧管設(shè)計(jì)中，運(yùn)用GT-Power 仿真確定了排氣歧管的長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)CATⅠA 進(jìn)行建模，借助Fluent進(jìn)行流體分析得出排氣管道內(nèi)流體壓力及流體流速的分布情況，從而進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；在消聲器的設(shè)計(jì)中，主要是通過(guò)GT-Power 軟件模擬了不同結(jié)構(gòu)形式的消音器，確保噪聲在規(guī)則允許范圍內(nèi)[2]。

1 排氣歧管設(shè)計(jì)

在分析了2018 賽季發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力缺陷的基礎(chǔ)上，本部分排氣歧管設(shè)計(jì)將以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力、提高功率和扭矩輸出為目標(biāo)，基于一維CFD 仿真軟件及三維CFD 仿真軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先基于18 年發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)搭建一維仿真模型，利用GT-Power 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管長(zhǎng)度及布置方式進(jìn)行了一維CFD 仿真，確定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管長(zhǎng)度參數(shù)及排氣歧管；其次以提升排氣歧管各缸均勻性和排氣阻力為目標(biāo)對(duì)排氣歧管進(jìn)行三維CFD仿真優(yōu)化。

1.1 運(yùn)用GT-Power 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模

GT-Power 是由Gamma Technologies 公司開(kāi)發(fā)的模擬仿真工具，該軟件采用有限體積法進(jìn)行流體的計(jì)算，能進(jìn)行直接優(yōu)化、DOE 設(shè)計(jì)/優(yōu)化，能進(jìn)行進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪聲分析，能對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)的消音元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及2018 年臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)排氣系統(tǒng)的建立模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power 模型（4-2-1）

通過(guò)參數(shù)輸入得到仿真功率與扭矩仿真曲線，提取數(shù)據(jù)并與2018 賽季臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2 所示。

圖2 GT-Power 仿真功率與臺(tái)架數(shù)據(jù)對(duì)比

在對(duì)比中不難發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下，功率數(shù)值有一定差距，但考慮到在建立該模型時(shí)燃燒模型是理想化的，比實(shí)際燃燒情況要好，同時(shí)該進(jìn)氣模型采用了理想化的形式，默認(rèn)各缸進(jìn)氣是均勻的，因此誤差是在所難免的，但是對(duì)比兩者的功率趨勢(shì)基本是吻合的，所以驗(yàn)證了仿真模型建立是可用的。

1.2 排氣歧管的布置形式確定

由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的廢氣在流經(jīng)排氣歧管后要聚攏在一起排出，并且CBR600 為4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)。因此排氣系統(tǒng)有3種布置方式，分別為4-2 布置、4-2-1 布置和4-1 布置。

4-2 布置形式雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，管道彎曲少利于廢氣的排出，但缺點(diǎn)是占用兩側(cè)車身空間大，易產(chǎn)生干涉，且此種布置廢氣的擴(kuò)散空間小，管道內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，并需要兩個(gè)消聲器，所以不予考慮。其余2 種形式采用采用單一變量法進(jìn)行分析，變量為4-2-1 與4-1 布置形式，分別用GT-Power 仿真5 000～9 000 r/min 內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，比較在相同轉(zhuǎn)速下，兩種方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響如圖3 所示。

圖3 不同布置形式、轉(zhuǎn)速下仿真扭矩及功率對(duì)比

從以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，排除極端因素，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在5 000～7 500 r/min 時(shí)，4-2-1 比4-1 方案功率大，且兩者差值隨轉(zhuǎn)速的上升而減?。辉? 000～9 500 r/min 時(shí)，4-2-1 比4-1 要低，且差值逐漸增大。

可以得出：4-2-1 在中低轉(zhuǎn)速下利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮，4-1 則在高轉(zhuǎn)速下利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。考慮到賽車在比賽過(guò)程中，中低轉(zhuǎn)速5 000～8 000 r/min 的工況使用較頻繁，因此選擇4-2-1 的布置形式。

1.3 排氣歧管的長(zhǎng)度確定

在設(shè)計(jì)排氣管道時(shí)，需要對(duì)管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)徑以及彎管的曲率半徑進(jìn)行計(jì)算。已知CBR600 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口內(nèi)徑為32 mm，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[3]：

式（1）中：P為排氣歧管的長(zhǎng)度，mm；ED為180°+排氣門提前打開(kāi)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，°；RPM為發(fā)動(dòng)機(jī)性能最佳時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

排氣歧管內(nèi)徑計(jì)算公式為：

式（2）中：ID為排氣歧管內(nèi)徑，mm；CC為發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，mL。

將原始參數(shù)代入上式，排氣歧管內(nèi)徑為26.6 mm，長(zhǎng)度為363 mm。但如果內(nèi)徑設(shè)為26.6 mm，則排氣歧管必將是一段錐形管，通過(guò)建模在Fluent 中分析后發(fā)現(xiàn)在排氣出口附近會(huì)形成高壓，這樣是不利于廢氣的排除，因此選擇另一種方案，內(nèi)徑設(shè)為32 mm，通過(guò)GT-Power 分析選出最佳的歧管長(zhǎng)度。

根據(jù)圖2 所示GT-Power 排氣4-2-1 模型為基礎(chǔ)，設(shè)置單一變量為歧管長(zhǎng)度，仿真模擬出各個(gè)轉(zhuǎn)速下最佳排氣歧管長(zhǎng)度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析，相同轉(zhuǎn)速下不同長(zhǎng)度功率的峰谷差在0.077 5～0.466 5 kW，其方差均在0.17 之內(nèi)?？梢?jiàn)排氣歧管的長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有一定影響，但影響很小，通過(guò)工況的匹配，最終選定長(zhǎng)度在300～320 mm 均可，具體值根據(jù)排氣管空間限制及Fluent 的分析確定。

1.4 排氣歧管仿真分析

圖4 為新設(shè)計(jì)的排氣歧管相比于18 賽季4-2 結(jié)構(gòu)形式排氣歧管的GT-Power 仿真對(duì)比結(jié)果。

由圖4 可以看出：在低轉(zhuǎn)速區(qū)間，排氣背壓較低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩功率較弱，且有較為明顯的諧振現(xiàn)象，相比18賽季低轉(zhuǎn)速性能較差；在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間排氣背壓較小，得到了更好的特性曲線。尤其是中段扭矩得到大幅提升，由于在耐久賽及高速避障比賽中，需要不斷進(jìn)行制動(dòng)、加速、制動(dòng)、加速過(guò)程，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)在中段轉(zhuǎn)速扭矩的提升能極大地提高車輛的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。

假定流場(chǎng)內(nèi)的流體為煙氣，流體狀態(tài)為可壓縮、非定常流動(dòng)。邊界條件按如下參數(shù)設(shè)置：入口邊界為壓力入口，壓力值為0.3 MPa；出口為壓力出口，壓力值為1.0 MPa；固壁邊界為光滑壁面且無(wú)速度滑移。在Fluent 中進(jìn)行流體分析[4]。在分析不同形狀集合器時(shí)我們得出，排氣歧管的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笈艢夤艿那拾霃角疫m當(dāng)減小排氣管的彎角大小，盡可能避免直角彎道的形式，這樣流體在管道內(nèi)的壓力和流速分布更均勻，廢氣排放更順暢。如圖5 中所示，各個(gè)氣流匯合處具有較好的對(duì)稱性，流線分布合理，無(wú)明顯湍流現(xiàn)象，流體沿程損失和局部損失較小。

圖4 新設(shè)計(jì)的排氣歧管相比于18 賽季4-2 結(jié)構(gòu)形式排氣歧管的GT-Power 仿真對(duì)比結(jié)果

圖5 Fluent 仿真流線圖

通過(guò)對(duì)不同形狀參數(shù)的排氣歧管進(jìn)行仿真后，最終確定排氣歧管模型如圖6 所示。

圖6 最終排氣歧管模型及其仿真分析

通過(guò)仿真分析得出，該排氣總管兩道彎曲處的外側(cè)流體壓力最大，而在兩次彎曲處的內(nèi)側(cè)流體壓力最?。涣黧w在排氣管的直管部分壓力分布相對(duì)均勻。排氣總管的進(jìn)口處以及彎管內(nèi)側(cè)流體的流速較大，排氣總管的彎管外側(cè)流速相對(duì)較小，其余各處流速分布相對(duì)均勻。

2 消聲器設(shè)計(jì)

根據(jù)比賽規(guī)則，靜態(tài)測(cè)試時(shí)，測(cè)量麥克風(fēng)的探頭將放置位于尾氣出口后方0.5 m 處，與排氣口水平，并與氣流流動(dòng)方向夾角成45°。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)噪聲等級(jí)上限為C 加權(quán)103 dB（快速加權(quán)，F(xiàn)ast Weighting），其他速度時(shí)噪聲等級(jí)上限為C 加權(quán)110 dB。

在往屆比賽中我們采用抗性消聲器并進(jìn)行了頻譜分析，如表1 所示，效果較差。阻抗結(jié)合式分別用抗性消聲單元和吸聲材料組合構(gòu)成的消聲器，它具有抗性、阻性消聲器的共同特點(diǎn)，對(duì)低、中、高頻噪聲都有很好的消聲效果，因此擬采用該種形式的消聲器。

表1 18 賽季消聲器頻譜分析測(cè)量結(jié)果

2.1 消聲器基本參數(shù)確定

查閱資料得到消聲器通用體積公式如下[5]：

式（3）中：Q為修正系數(shù)，一般取2～6，對(duì)消聲器要求越高時(shí)，Q應(yīng)越大；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Vst為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；τ為沖程數(shù)；i為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)。

取轉(zhuǎn)速n=11 000 r/min，代入上式計(jì)算得消聲器體積為3～4.5 L，初步確定長(zhǎng)度為360 cm，空腔半徑5～7 cm。

2.2 消聲器建模及仿真

使用GT-Suit 系列軟件中的GEM 3D 模塊根據(jù)以上參數(shù)，初步對(duì)消聲器建模，并將其離散為一維結(jié)構(gòu)。其中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)消音棉參數(shù)，設(shè)置填充物纖維直徑為0.01 mm，填充密度100 g/L。將離散化的消聲器模型導(dǎo)入GTⅠ-SE 模塊，與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管尾端相連接，并添加microphone 元件，用以測(cè)量加入消聲器后排氣尾段的噪聲。根據(jù)賽事要求，microphone 的位置為距消聲器尾段上方50 cm 的后方50 cm處。進(jìn)行仿真，并在GT-Post 模塊中得到指定位置處噪聲值隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式消聲器的反復(fù)仿真和測(cè)試，確定最終消聲器的結(jié)構(gòu)形式如圖7 所示。

圖8 所示為GT-Post 中指定位置處的噪聲曲線。橫軸為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），縱軸為噪聲分貝（dB）。從圖中可以看出，加裝消聲器后的噪聲曲線（淺灰色）相較于未加裝消聲器的噪聲曲線（深灰色）有顯著下降，且在比賽規(guī)則要求范圍內(nèi)，消聲器最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

圖7 消聲器模型和一維離散化模型

圖8 消聲器降噪效果

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于大學(xué)生方程式大賽，以Honda CBR600 發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其排氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。通過(guò)GT-Power仿真初步確定了排氣歧管的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，之后利用Catia 進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行CFD 分析并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)GEM 3D 進(jìn)行消聲器建模，離散后導(dǎo)入GT-Post 進(jìn)行噪聲分析，最終選取了效果滿足要求的消聲器。通過(guò)與往年數(shù)據(jù)對(duì)比分析，新的排氣系統(tǒng)在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間排氣背壓較小，得到了更好的外特性曲線。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power 模型的建立為以后的動(dòng)力總成設(shè)計(jì)提供了方向，通過(guò)仿真減少了不必要的臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù)。