基于GT-Power 的某汽車排氣系統(tǒng)消聲器改進(jìn)

麻金賀，張鶴，朱帥，吳孟兵，何延剛，楊德銀

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于GT-Power 的某汽車排氣系統(tǒng)消聲器改進(jìn)

麻金賀，張鶴，朱帥，吳孟兵，何延剛，楊德銀

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于GT-Power軟件，對(duì)某乘用車消聲器傳遞損失與插入損失仿真分析過程做了詳細(xì)介紹。通過與發(fā)動(dòng)機(jī)模型耦合得到消聲器傳遞損失曲線與插入損失曲線，依據(jù)曲線結(jié)果提出消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。本文對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

GT-Power；傳遞損失；插入損失；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

排氣噪聲是汽車的主要噪聲源之一，在排氣系統(tǒng)上加裝消聲器是控制汽車排氣系統(tǒng)噪聲最有效、最簡(jiǎn)單的辦法[1]。汽車排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)是相互耦合的系統(tǒng)，單獨(dú)的排氣消聲器設(shè)計(jì)而不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程對(duì)消聲器性能的影響往往難以獲得預(yù)期的消聲效果[2]。因此，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程與排氣消聲器進(jìn)行匹配研究。本文利用 GT-Power軟件建立某車型發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣消聲器耦合仿真分析模型，分析了排氣消聲器傳遞損失、插入損失，并對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了排氣系統(tǒng)噪聲大的問題。

1 消聲器設(shè)計(jì)理論

1.1 消聲器的評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前國(guó)外對(duì)于消聲器性能指標(biāo)主要有兩個(gè)，分別是：汽車的消聲量以及功率的損失。其中消聲量的評(píng)價(jià)指標(biāo)指的是，汽車使用的傳遞損失和插入損失，而功率損失則使用損失比來進(jìn)行評(píng)價(jià)，即關(guān)于消聲器的動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用壓力損失來進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

傳遞損失TL(transmission loss)是指聲音經(jīng)過消聲元件后其能量的衰減，即入射聲功率級(jí)和透射聲功率級(jí)的差值。傳遞損失描述的是消聲器本身的消聲特性，適用于消聲器之間的對(duì)比；插入損失IL(insertion loss)是安裝消聲器前后在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口某固定測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的計(jì)權(quán)聲級(jí)之差，它直接反映了消聲器對(duì)相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的消聲效果[4]。本文分別采用傳遞損失和插入損失進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 目標(biāo)車型的消聲器設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的乘用車消聲器匹配的是4缸直列式空冷發(fā)動(dòng)機(jī)(GD192)，排量為1.997 L，壓縮比為9.5，額定功率為145kW (5000 r/min)，最大轉(zhuǎn)矩為 280 N ·m(4000 r/min)。

消聲器設(shè)計(jì)需滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以汽車排氣消聲器技術(shù)條件QC/T631(2009)為準(zhǔn)，對(duì)于M1類車輛，額定功率大于100 kW時(shí)，插入損失不得小于26 dB，功率損失比不得大于6%，且排氣背壓不得大于26kPa。

1.3 消聲器設(shè)計(jì)方法

汽車消聲器主要分為幾個(gè)結(jié)構(gòu)原理，分別是氣體流動(dòng)、傳熱、震動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能、結(jié)構(gòu)等，通過這些結(jié)構(gòu)原理，消聲器能夠很好地進(jìn)行消聲作用，同時(shí)也具有較高的復(fù)雜性。對(duì)于傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)方法主要分為以下幾點(diǎn)，分別是：理論分析、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證三點(diǎn)。對(duì)于形狀較為簡(jiǎn)單的排氣系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論。而這些設(shè)計(jì)方法是基于理論的指導(dǎo)，缺乏實(shí)踐，匹配不同動(dòng)力總成，會(huì)出現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)比較大的誤差情況[5]。

隨著科技的不斷發(fā)展，排氣系統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)由過去的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸向CAE設(shè)計(jì)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，工作人員利用計(jì)算機(jī)的先進(jìn)性以及先進(jìn)的測(cè)試方法，對(duì)消聲器進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試工作，以便得到更好的效果。

本文基于 GT-Power軟件對(duì)某款乘用車消聲器做了仿真分析，得到消聲器的傳遞損失曲線和插入損失曲線，并對(duì)此消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出幾種優(yōu)化方案，并通過仿真計(jì)算找到最優(yōu)的消聲器優(yōu)化方案，可以對(duì)汽車消聲器的設(shè)計(jì)起到參考作用。

2 建立仿真模型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立及驗(yàn)證

GT-Power應(yīng)用的是一維流體假設(shè)的動(dòng)力學(xué)模型，幾乎包含了發(fā)動(dòng)機(jī)所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的性能變化。整個(gè)系統(tǒng)被劃分為許多小的控制單元體，單元體上又劃分成許多相互交錯(cuò)的網(wǎng)格，網(wǎng)格是系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算估值的基本單元。形狀各異的氣體通道皆可轉(zhuǎn)化為功能相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)管件，最后形成發(fā)動(dòng)機(jī)的管網(wǎng)化的模型，用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真[6]。GT-Power這種一維模型在計(jì)算進(jìn)氣口噪聲和排氣尾管噪聲特別是低于 1000Hz的中低頻噪聲時(shí)有相當(dāng)高的精確度。

本文中發(fā)動(dòng)機(jī)的模型是依據(jù) GD192發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)而建立的，對(duì)于影響排氣噪聲的因素進(jìn)行了比較細(xì)致的調(diào)校，使其適于對(duì)任何工況進(jìn)行模擬，以提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及不同工況下消聲器消聲性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度[7]。建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖1所示。

圖1 GD192發(fā)動(dòng)機(jī)GT模型Fig.1 GT model of GD192 engine

2.2 消聲器模型的建立

排氣系統(tǒng)仿真模型的建立就是用特定的圖形工具準(zhǔn)確描述消聲器的結(jié)構(gòu)，并離散成 G-Tise模塊能接受的模型的過程。將該模型能加入到 GT-Power的仿真模型中用于排氣系統(tǒng)的仿真分析。消聲器的模型處理過程如圖2、3所示：

圖2 前消聲器模型前處理Fig.2 former muffler model pretreatment

圖3 后消聲器模型前處理Fig.3 rear muffler model pretreatment

2.3 消聲器傳遞損失仿真計(jì)算

將建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型與消聲器模型耦合，并為其建立無反射端，消聲性能以傳遞損失為依據(jù)，消聲器前后聲功率差即為其傳遞損失。使用傳感器法，通過四個(gè)傳感器之間的自相關(guān)譜即可得到聲功率差。建立傳遞損失分析模型[8]如圖4。

圖4 傳遞損失計(jì)算模型Fig.4 Transmission loss calculation model

設(shè)置相關(guān)參數(shù)后開始計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖5所示。

圖5 傳遞損失分析結(jié)果Fig.5 Analysis result of transmission loss

由圖5可以看出，前消聲器低頻消聲性能較差，而高頻消聲量不錯(cuò)，主要原因是前消聲器內(nèi)有兩腔填充吸聲材料；后消聲器高頻消聲性能較差，共振峰值頻率為70 Hz，消聲器實(shí)際工作溫度較高，共振峰值頻率會(huì)向高頻移動(dòng)。

2.4 消聲器插入損失仿真計(jì)算

由于插入損失是計(jì)算兩個(gè)外置麥克風(fēng)之間的聲壓級(jí)之差，且插入損失與聲源特性有關(guān)，因此計(jì)算時(shí)須將消聲器與發(fā)動(dòng)機(jī)模型連接。插入損失模型首先計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)連接前消和后消后的噪聲值，然后在圖6中模型用等長(zhǎng)的直管代替前消和后消，計(jì)算此時(shí)的噪聲值。兩次噪聲值的差值即為消聲器的插入損失。

圖6 插入損失計(jì)算模型Fig.6 Insertionloss calculation model

設(shè)置相關(guān)參數(shù)后開始計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖7所示。

圖7 插入損失分析結(jié)果Fig.7 Analysis result of insertion loss

由圖7可以看出：該消聲器在中高頻基本達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的 25dB(A)，但在 100Hz以內(nèi)、300~400Hz、500~600Hz等區(qū)域，計(jì)算模擬的結(jié)果偏低，小于 25dB(A)的要求，消聲量還略有不足，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 優(yōu)化后的模型及結(jié)果比對(duì)

對(duì)前消和后消有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的前消聲器和后消聲器結(jié)構(gòu)如圖8所示。具體措施如下：

圖8 優(yōu)化后的前消聲器和后消聲器模型Fig.8 GT model of front and rear muffler after optimize

①在不改變穿孔率的前提下，減小隔板上穿孔的孔徑，即增加擴(kuò)張腔的擴(kuò)張比，可使整個(gè)消聲器的消聲量得到提高。

②考慮到后消聲器存在高轉(zhuǎn)速下消聲量不足的問題，因此對(duì)后消聲器進(jìn)行適當(dāng)改變，以增加其對(duì)高頻噪音的消聲量。具體步驟為：增加后消聲器穿孔的范圍以增加其有效吸聲長(zhǎng)度，同時(shí)適當(dāng)減小穿孔的孔徑以增加消聲量。

③由于后級(jí)消聲器高頻消聲性能較差，將最右的隔板往后移動(dòng)50mm，增加消音材料的填充體積和填充密度。

④將后消聲器進(jìn)口管改為喇叭口形，以增加變徑，增加消聲量。

此優(yōu)化方案的傳遞損失和插入損失的仿真結(jié)果如圖 9、圖10所示。

圖9 優(yōu)化前后模型的傳遞損失仿真比較Fig.9 Simulation values of transmission loss before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后模型的插入損失仿真比較Fig.10 Simulation values ofinsertionloss before and after optimization

3 結(jié)論

利用 GT-Power軟件對(duì)某整車排氣系統(tǒng)的傳遞損失和插入損失進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果提出了有效的優(yōu)化方案。根據(jù)上述分析結(jié)果可以得到如下4點(diǎn)結(jié)論：

1）建立GD192發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-Power模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，建立與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合的消聲器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)插入損失和傳遞損失的仿真模型。

2）根據(jù)理論計(jì)算確定了消聲器的尺寸參數(shù)，并建立了基于 GT-Power的消聲器模型，完成了消聲器的設(shè)計(jì)方案以及優(yōu)化方案的傳遞損失和插入損失的模擬計(jì)算，所設(shè)計(jì)的乘用車消聲器插入損失總體上達(dá)到了 25 dB(A)，最大達(dá)到67dB(A)。

3）采用改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式可以在一定程度改善消聲器低頻消聲性能，但是改善效果有限。

4）采用GT-Power對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬，在與消聲器模塊耦合時(shí)進(jìn)行的傳遞損失和插入損失的仿真準(zhǔn)確度較高，能很好地對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

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Improvement of Exhaust Systems Mufflerof a VehicleBased on GT-Power

Ma Jinhe, Zhang He, Zhu Shuai, Wu Mengbing, He Yangang, Yang Deyin
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on GT-Power software, a passenger car muffler transmission loss and insertion loss simulation process are described in detail. Get the transmission loss curve and insertion loss curve of muffler by coupling with engine model.Muffler structure optimization strategy is proposedbased on the simulation results. This paper can play a reference role in the design and optimizing of muffler. It can shorten design cycle, and save design cost.

GT-Power; transmission loss; insertion loss; optimization design

CLC NO.: U467.4+8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-41-04

U467.4+8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.015

麻金賀，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。