發動機排氣消聲系統與催化裝置的匹配研究

劉 慶 ，徐楠楠 ，侯獻軍

（1．河南機電高等專科學校 汽車工程系，河南，453000；2．武漢理工大學 汽車工程學院，武漢 430070）

發動機排氣噪聲是摩托車的主要噪聲源，隨著摩托車的排放標準和噪聲標準變得日益嚴格，選擇合理的設計手段和方法來滿足法規要求就顯得尤為重要。為達到第三階段排放標準，催化轉化器已經成為摩托車的標準配置。根據摩托車的結構特點，催化器需要和消聲器集成為一體，即摩托車排氣凈化消聲器。這種一體化設計對消聲器提出了新的要求，因此，研究排氣凈化消聲系統對發動機動力性、經濟性及噪聲性能的影響十分重要［1］。

隨著計算機軟件技術的迅猛發展及其在工程中的廣泛應用，發動機性能仿真技術也得到了快速發展并日漸成熟，成為現代消聲器研究的主要平臺。本文利用GT-Power軟件完成了摩托車發動機排氣消聲系統與催化裝置的匹配研究［2］。

1 發動機仿真模型的建立與驗證

1.1 仿真模型的建立

GT-power軟件以一維CFD計算為基礎，采用有限容積法進行模擬計算。它把發動機的各系統分為不同的功能模塊進行面向對象的編程，然后將這些通用的功能模塊以模板的形式存儲起來形成模板庫。該軟件的模板庫非常豐富，包括了流體元件、機械部件、分析工具和模擬過程控制等發動機全工況模擬所需的元件與工具。搭建發動機模型，僅需將相應的模板拷貝到建模區域中形成對象并予賦值，然后將對象連接進行有機集成，形成與發動機實際輸入與輸出關聯的發動機仿真程序［3］［4］。

圖1為基于GT-Power平臺建立的某摩托車發動機仿真模型，該發動機的參數如表1所示。模型采用模塊化結構，包括系統邊界、進氣和排氣道、進排氣門、氣缸、缸體、空氣濾清器及噴油器等。

表1 某發動機的性能、結構參數

1.2 仿真模型的驗證

1.2.1 發動機扭矩的驗證

由圖2可以看出，仿真結果與實驗值吻合較好。在轉速為6 500 rpm時誤差達到最大值，此時實驗值為8.4 N·m，仿真結果為8.65 N·m，此時的誤差為2.9%，在誤差允許范圍內。

1.2.2 發動機功率的驗證

由圖3可以看出，仿真結果與實驗值同樣吻合較好。在轉速為7 500 rpm時誤差達到最大值，此時實驗值為6.75 kW，仿真結果為6.925 kW，此時的誤差為2.6%，在誤差允許范圍內。

可見，扭矩與功率的仿真結果與實驗結果的誤差都在允許范圍內，所以上述模型可以與消聲器模型進行耦合計算。

2 發動機與消聲器耦合仿真

2.1 消聲器模型

GT-Power軟件的GT-SUITE用戶界面內含有消聲器的前處理程序Muffler，Muffler采用圖形化設計，包含了消聲器的各種零部件數學模型，如殼體、直管、彎管、重疊管、多孔管、吸聲材料及隔板等。用戶可在圖形界面方便地建立消聲器復雜幾何形狀的三維網格，然后系統將此三維網格轉化為其內部格式的數據文件，并在GT-ISE中導入即可自動生成GT-power 軟件的模型［5，6］。

作者首先建立了原消聲器模型（圖4），然后在原消聲器模型上加入催化器對消聲器模型進行了改進 （圖5）。改進方式如下：在進管處加一根熱管（Φ36×45 mm）， 第一腔內加催化器 （直徑×長度：Φ40×60mm；容積：75.36ml，目數：400cpsi）。

2.2 耦合仿真模型

將GT-Power的插入損失和壓力損失功能模塊與發動機工作過程仿真模型、消聲器離散模型進行耦合，建立起消聲器性能分析的計算模型［6］。

尾管噪聲計算模型如圖6所示。該模型考慮了流體對噪聲的影響，流體噪聲設為80 dB（A）。模型使用了“AcoustExhMicrophone”模塊，該模塊相當于一個外置麥克風，能根據聲源特性將氣流的壓力波模擬成聲波。在計算插入損失時需將模型中的Muffler部分替換成與之長度相等的直管，計算得出尾管噪聲與帶消聲器的尾管噪聲求差值，即為插入損失。

壓力損失計算模型見圖7。通過兩個壓力傳感器（“SensorConn”模塊）分別將消聲器前后的壓力信號傳遞到累加器（“Sum”模塊）進行求差運算，得到壓力損失，并存儲到變量存儲器 （“RLTCreator”模塊）中。此處的壓力損失值是包括催化器在內的排氣系統熱端的壓力損失。

2.3 仿真計算結果及分析

2.3.1 改進前后尾管噪聲和插入損失對比

尾管噪聲仿真分析表明，在整個轉速范圍內，帶催化器的消聲器尾管噪聲比原消聲器方案明顯降低，降幅約為 2.5 dB（A）（圖 8）。

由圖9可以看出，催化器的加入致使插入損失明顯增大，在最大功率點（對應9 000 rpm）時，消聲器的插入損失由 31.35 dB（A）上升至 40 dB（A），增幅達到 8.65 dB（A）。

2.3.2 壓力損失對比

壓力損失仿真分析表明，6 000 rpm以下壓力損失基本沒有變化；在6 000 rpm~7 500 rpm轉速范圍內，消聲器與催化器集成后的壓力損失略有下降；對于高于8 000 rpm的轉速范圍，帶催化器的消聲器壓力損失比原消聲器方案略有增加。但總地來說，壓力損失變化不大。

3 結論

（1）作為計算機輔助工程 （CAE）軟件的GTPower可以很好的實現發動機和消聲器的耦合仿真，其具有的聲學分析模塊具有很好的預測性能，能夠實現消聲器的聲學性能分析及結構優化設計。

（2）增加了催化器之后的消聲器插入損失增加，尾管噪聲減小，在整個轉速范圍內尾管噪聲減小范圍為2～5 dB（A）。轉速在7 500 rpm以上時壓力損失增加，轉速在6 000 rpm~7 500 rpm之間時壓力損失基本減小，轉速在6 000 rpm以下時壓力損失基本不變。

（3）后處理系統已成為控制發動機排放的必然選擇，然而，受制于布置空間等外部因素，排放后處理系統的催化器部分往往宜采用與消聲器集成的方式。

［1］侯獻軍,潘洪健,彭輔明，等.滿足摩托車國Ⅲ排放標準的凈化技術研究［J］.汽車科技，2010，（4）.

［2］方華，李冰，鄭廣勇，等.排氣消聲器消聲性能仿真分析［J］.小型內燃機與摩托車，2007，（6）.

［3］顏伏伍,張云飛,劉志恩.摩托車排氣凈化消聲器的設計方法研究［J］.小型內燃機與摩托車，2009，（10）:25-29.

［4］田翠翠，侯獻軍，劉志恩，等.壁面吸聲材料對汽車排氣消聲器性能的影響［J］.汽車科技，2008，（6）.

［5］李冰，排氣消聲器消聲性能仿真分析［D］.長春：吉林大學，2005.

［6］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，2009，（1）:38-40.