发动机排气系统优化设计及应用分析

摘要

目前汽车发动机排气噪声控制方法方法中，应用最广泛的足在排气系统中安装适当的排气消声器，这是最有效、最简单，也是目前国内外采用最多的方法。一个好的消声器要求在其工作气流的温度、压力环境下，在一定的频率范围内应有较大的消声量和较小的阻力损失。同时，随着汽车市场竞争的加剧以及人们对产品认知度的不断提高，汽车的NVH性能，尤其是汽车的车内噪声性能越来越引起人们的重视，设计出既满足声压级及背压要求，又具有良好车内声品质的排气系统，成为产品开发过程中至关重要的环节。本文针对某发动机搭载的两款不同排气系统-A型和B型，采用试验-仿真-试验的方法对其进行了优化设计，介绍了数值仿真方法在汽车排气系统设计中的应用。
　　 对A型排气系统，加装两级催化器后排气阻力增加，因此需要优化设计排气系统结构，以降低排气冷端部分背压。首先使用GT-Power软件，建立压力损失计算模型，通过压力损失试验，使试验结果与仿真结果吻合良好，从而校核仿真模型的准确性；分析排气系统各部件的背压贡献率；研究降低排气系统背压的方法，如排气管弯曲度、直径，消声器内插管、穿孔隔板等结构对背压的影响趋势；并提出三种排气系统优化方案；试验结果表明，三种优化方案的排气冷端背压减少了9-10kPa，试验与仿真结果基本一致，误差在4％左右。
　　 对B型排气系统，针对样车试验时发现发动机急加速过程中车内噪声出现隆隆异响声、乘坐舒适性较差的问题，优化排气系统。首先通过定置尾管噪声及排气模态试验，确定排气二阶噪声过高及怠速排气共振是引起上述现象的主要原因，通过无气流插入损失试验，分析得到现有排气系统的消声器低频尤其是100Hz以下频段消声量不足；提出两种后消声器改进方案，采用共振消声结构，降低排气噪声中的二阶低频及共振噪声成分，采用芦弗管结构，降低高频气流再生噪声成分，增加排气尾管直径，降低阻力损失。建立发动机加速瞬态尾管噪声计算模型，分析改进方案的声学及空气动力性能。试验结果表明，改进后的消声器，两种方案的车辆启动和加速车内噪声较原样车分别降低了10dB(A)和8dB(A)，车内声品质有明显的改善。
　　 使用数值仿真软件指导排气系统设计，实际效果显著，缩短了开发周期，这对排气系统的设计工作具有重要意义。