排气系统背压测试的冷流试验装置及热态背压估算方法

摘要

本发明公开了一种排气系统背压测试的冷流试验装置及热态背压估算方法，其中试验装置包括用于产生气流的气源装置、用于对所述气源装置产生的气流进行冷却的冷却装置、用于拟合四缸发动机排气阀门的阀门装置、测试反馈装置和控制装置，所述气源装置、所述冷却装置和所述阀门装置通过管道依次连通，且所述气源装置、所述冷却装置和所述阀门装置分别与所述控制装置连接，所述阀门装置与待测样件连通。该排气系统背压测试的冷流试验装置能够在试验室对排气系统的背压进行预测，且设备成本较低，操作简单，而且不易受外界客观条件限制；同时根据冷流状态下的测试数据对台架背压进行估算，使得冷流测试数据更切合发动机实测背压数据。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车NVH技术领域，具体涉及一种排气系统背压测试的冷流试验装置及热态背压估算方法。

背景技术

在汽车排气系统匹配开发过程中排气背压作为一项关键指标直接影响发动机的功率损失，且背压大小与发动机功率损失为正相关，主机厂都会明确给出排气背压要求以控制发动机功率损失。但排气背压又与尾口噪声存在负相关，排气系统声学匹配中的任何消声结构变动都可能造成排气背压的提升甚至超标。所以每一轮声学匹配的优化必须以排气背压满足要求为前提，即每一轮排气声学匹配方案必须进行发动机台架测试以保障排气背压满足目标要求。

在实际排气系统匹配开发过程中，由于资源限制供应商不具备搭建发动机台架的条件时，每一轮排气声学匹配方案的台架背压测试周期会很长甚至无法进行测试。严重影响整个排气系统匹配开发的周期，甚至造成声学匹配完成后排气背压不合格需要重新优化的局面。

国标GB/T18297-2001发动机性能试验方法中明确规定了排气背压的测量方法，测试内容诸多，且准备周期较长。主机厂往往不会针对排气噪声匹配方案而专门进行排气背压测试，而会在排气声学匹配完成后和发动机其他测试事项一起进行台架试验。使得前期背压数据较难获得，而排气声学匹配必须以背压要求为前提进行设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的问题，提供一种排气系统背压测试的冷流试验装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种排气系统背压测试的冷流试验装置，包括用于产生气流的气源装置、用于对所述气源装置产生的气流进行冷却的冷却装置、用于拟合四缸发动机排气阀门的阀门装置、测试反馈装置和控制装置，所述气源装置、所述冷却装置和所述阀门装置通过管道依次连通，且所述气源装置、所述冷却装置和所述阀门装置分别与所述控制装置连接，所述阀门装置与待测样件连通。

优选地，所述冷却装置采用水循环冷却装置，所述水循环冷却装置包括通过管道相连通的水泵和冷凝器，所述冷凝器与所述气源装置通过管道连通，所述水泵与所述控制装置连接。

优选地，所述阀门装置包括四通支管、分别设置在所述四通支管的每个支管上的阀门、阀门控制器，所述阀门通过所述阀门控制器与所述控制装置连接，通过所述控制装置控制所述阀门的开闭以拟合四缸发动机排气阀门的开闭动作。

进一步地，所阀门为气动阀门，所述阀门装置还包括气瓶，所述气动阀门通过所述阀门控制器与所述气瓶连接。

进一步地，所述阀门为机械式阀门。

优选地，所述冷流试验装置还包括使所述气源装置产生的气流压力稳定的稳压装置，所述稳压装置包括稳压罐和旁通阀，所述稳压罐设置在所述冷却装置和所述阀门装置之间，所述旁通阀设置在所述气源装置和所述稳压罐之间。

进一步地，所述测试反馈装置设置在所述稳压罐与所述阀门装置之间的管路上，所述测试反馈装置包括用于测试管道内气流压力的压力传感器、用于测试管道内气流温度的温度传感器和用于测试管道内气流流速的流速传感器，所述压力传感器、所述温度传感器、所述流速传感器分别与所述控制装置连接。

进一步地，所述冷流试验装置还包括设置在所述稳压罐和所述阀门装置之间的节流阀，所述节流阀与所述控制装置连接。

本发明的另一目的是提供一种热态背压估算方法，采用如上述任一项所述的冷流试验装置测试，所述冷流试验装置与所述待测样件的排气系统连通，所述排气系统包括通过管道依次连通的排气歧管、一级催化器、二级催化器、前级消声器和后级消声器，所述排气歧管与所述冷流试验装置的所述阀门装置连通，所述排气歧管与所述一级催化器之间的管道上设有第一测点，所述一级催化器与所述二级催化器之间的管道上设有第二测点，所述二级催化器与所述前级消声器之间的管道上设有第三测点，所述前级消声器与所述后级消声器之间的管道上设有第四测点，所述后级消声器之后的尾管上设有第五测点。

进一步地，所述估算方法为：

（1）确定所述排气系统的额定进气质量流量；

（2）所述冷流试验装置在额定进气质量流量工况下，测试所述排气系统各个测点在冷流状态下的背压；

（3）计算所述排气系统各级在冷流状态下的第一压力损失；

（4）计算所述排气系统各级在冷流状态下的第一空气密度；

（5）根据所述排气系统结构确认各个测点位置的排气管径，并计算各个测点在冷流状态下的第一流速；

（6）计算所述排气系统各级在冷流状态下的压力损失系数；

（7）根据发动机参数及所述排气系统结构预估所述排气系统各级的温度，并计算热流状态下各级的第二空气密度；

（8）根据所述排气系统各个测点位置的排气管径计算各个测点在热流状态下的第二流速；

（9）根据各级第二流速、第二空气密度及冷流状态下的压力损失系数计算各级的第二压力损失；

（10）计算所述排气系统热流状态下的总背压。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的排气系统背压测试的冷流试验装置能够在试验室对排气系统的背压进行预测，且设备成本较低，操作简单，而且不易受外界客观条件限制；同时根据冷流状态下的测试数据对台架背压进行估算，使得冷流测试数据更切合发动机实测背压数据。

附图说明

附图1为本发明的排气系统背压测试的冷流试验装置的结构示意图；

附图2为本发明的冷却装置的控制流程图；

附图3为本发明的阀门装置的控制流程图；

附图4为本发明的测试反馈装置的控制流程图；

附图5为本发明的排气系统的测点位置示意图。

其中：1、气源装置；2、冷却装置；21、冷凝；器22、水泵；3、阀门装置；31、四通支管；32、阀门；33、阀门控制器；34、气瓶；4、控制装置；51、压力传感器；52、温度传感器；53、流速传感器；61、稳压罐；62、旁通阀；7、节流阀；

81、排气歧管；82、一级催化器；83、二级催化器；84、前级消声器；85、后级消声器；91、第一测点；92、第二测点；93、第三测点；94、第四测点；95、第五测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1所示的排气系统背压测试的冷流试验装置，包括气源装置1、冷却装置2、阀门装置3、测试反馈装置和控制装置4，气源装置1、冷却装置2和阀门装置3通过管道依次连通，且气源装置1、冷却装置2和阀门装置3分别与控制装置4连接，阀门装置3与待测样件连通。

气源装置1用于产生气流，本实施例中，气源装置1采用罗茨风机。

冷却装置2用于对罗茨风机产生的气流进行冷却，本实施例中，冷却装置采用水循环冷却装置，该水循环冷却装置包括冷凝器21和水泵22，冷凝器21设置在气源装置1和阀门装置3之间的管路上，水泵22与冷凝器21通过管道连通，同时水泵22与控制装置4连接，通过控制装置4控制水泵22的开启，以使水循环冷却装置工作，冷却装置2的控制流程见图2所示。

阀门装置3包括四通支管31、分别设置在四通支管31的每个支管上的阀门32、阀门控制器33，四通支管31与冷凝器21通过管道连通，阀门32通过阀门控制器33与控制装置4连接，通过控制装置4控制阀门32的开闭，包括各个阀门32的开闭周期、动作顺序及开闭的时刻，以拟合四缸发动机排气阀门的开闭动作，从而在阀门32的循环动作下产生阶次脉冲气流。阀门32可采用气动阀门或机械式的阀门，当阀门32采用气动阀门时，该阀门装置3还包括用于给气动阀门开闭提供动力的气瓶34，气瓶34通过阀门控制器33与气动阀门连通，当阀门32采用气动阀门时阀门装置3的控制流程见图3所示。

测试反馈装置设置在冷凝器21和四通支管31之间的管道上，测试反馈装置包括用于测试管道内气流压力的压力传感器51、用于测试管道内气流温度的温度传感器52和用于测试管道内气流流速的流速传感器53，压力传感器51、温度传感器52、流速传感器53分别与控制装置4连接，通过压力传感器51、温度传感器52和流速传感器53测得的数据以及管道的直径计算出管道中的质量流量，并与控制装置4中设定的质量流量的基准值进行比较，以控制罗茨风机的转速，测试反馈装置的控制流程见图4所示。

为使罗茨风机产生的气流更加稳定，避免气流波动对测试产生影响，该冷流试验装置还包括稳压装置，稳压装置包括稳压罐61，稳压罐61设置在冷凝器21和四通支管31之间的管道上，沿气流流动方向，压力传感器51、温度传感器52和流速传感器53分别设置在稳压罐61之后的管道上。该稳压装置还包括旁通阀62，沿气流流动方向，旁通阀62设置在稳压罐61之前的管道上，旁通阀62与控制装置4连接，当罗茨风机产生的气流的压力超过一定压力值时，控制装置4控制旁通阀62进行泄压，以使稳压罐61内的气流压力稳定在一定压力值，同时可起到保护该冷流试验装置安全的作用，以避免高压气流造成各装置的损坏。

该冷流试验装置还包括设置在稳压罐61与四通支管31之间的管道上的节流阀7，节流阀7与控制装置4连接，通过控制装置4控制节流阀7的开闭，节流阀7开启时，稳压罐61与四通支管31之间的气流通道连通。

该冷流试验装置的工作过程如下：

（1）控制装置4控制水泵22的电源开启，冷凝器21开始水循环对气流进行冷却；

（2）控制装置4控制罗茨风机的电源开启，罗茨风机进入待工作状态；

（3）控制装置4控制节流阀7的开启，经稳压罐61稳压后的气流开始通过四通支管31进入待测样件；

（4）压力传感器51、温度传感器52和流速传感器53开始检测温度、压力和流速信号并反馈到控制装置4中；

（5）控制装置4控制阀门控制器33的电源开启，启动阀门32进入待工作状态；

（6）在控制装置4中设置阀门32的开闭周期及作用顺序；

（7）控制装置4计算各个阀门32的开闭时刻，并通过阀门控制器33控制阀门32开始工作；

（8）气流在阀门32周期动作下产生脉冲气流；

（9）在控制装置4中设定气流质量流量的基准值；

（10）控制装置4中根据反馈的压力、温度、流速等信号计算检测的质量流量值；

（11）控制装置4比较计算质量流量值与基准值，并通过比较结果对罗茨风机的转速进行调整；

（12）控制装置4重新比较调整后的计算质量流量值与基准值，并再次对罗茨风机的转速进行调整，直至计算的质量流量值与基准值基本趋于一致。

汽车的排气系统一般包括通过管道依次连通的排气歧管81、一级催化器82、二级催化器83、前级消声器84和后级消声器85，当采用上述的冷流试验装置测试汽车排气系统的热态背压时，排气歧管81与冷流试验装置的四通支管31连通，在排气歧管81与一级催化器82之间的管道上设有第一测点91，一级催化器82与二级催化器83之间的管道上设有第二测点92，二级催化器83与前级消声器84之间的管道上设有第三测点93，前级消声器84与后级消声器85之间的管道上设有第四测点94，后级消声器85之后的尾管上设有第五测点95，详见图5所示。热态背压的具体的计算方法如下：

（1）首先查找与排气系统匹配发动机的型号及类型，确认与该排气系统匹配发动机的额定进气质量流量值m，此质量流量值m即为控制装置4设定的质量流量的基准值；

（2）通过控制装置4调整罗茨风机的转速，使冷流试验装置中计算的质量流量值与基准值基本一致，在此工况下，测试排气系统各个测点的冷态背压，即测试排气歧管81处的背压P1、二级催化器83前端的背压P2、前级消声器84前端的背压P3、后级消声器85前端的背压P4、后级消声器85后端的背压P5；

（3）通过步骤（2）中各测点的背压测试数据计算出排气系统各级在冷流状态下的第一压力损失，具体如下：

一级催化器的第一压力损失为,；

二级催化器的第一压力损失为,；

前级消声器的第一压力损失为,；

后级消声器的第一压力损失为,；

尾管的第一压力损失为,；

（4）计算冷流状态下的第一空气密度，具体计算公式如下：

（5）根据排气系统结构确认各个测点位置的排气管径D1、D2、D3、D4、D5，并通过以下公式算出各个测点在冷流状态下的第一流速、、、、；

（6）计算各级在冷流状态下的压力损失系数，具体如下：

一级催化器压力损失系数，

二级催化器压力损失系数，

前级消声器压力损失系数，

后级消声器压力损失系数，

尾管压力损失系数，

（7）根据发动机参数及排气系统结构预估排气系统各个测点的温度t1、t2、t3、t4、t5、并计算热流状态下的各个测点的第二空气密度、、、、，计算方法同步骤（4）；

（8）根据排气管径D1、D2、D3、D4、D5，并计算各个测点在热流状态下的第二流速、、、、，计算方法同步骤（5）；

（9）根据热流状态下的各级第二流速、第二空气密度及冷流状态下的压力损失系数计算各级的第二压力损失，具体如下：

一级催化器第二压力损失，；

二级催化器第二压力损失,；

前级消声器第二压力损失，；

后级消声器第二压力损失，；

尾管第二压力损失，；

（10）计算排气系统在热流状态下的总背压，总背压为各级第二压力损失的和，具体如下：

。

至此完成排气系统热态背压的测算。

综上，本发明提供的一种用于排气背压测试的冷流试验装置，设备成本较低，能耗小，且不易受外界客观条件限制，在排气声学匹配开发过程中可用于排气背压的比较分析；本实施例设计的排气背压试验装置由罗茨风机产生风量，并通过水循环对风量进行冷却，克服了罗茨风机长时间工作时产生热源对气源温度和测试误差产生影响；本实施例设计的排气背压试验装置安装有稳压罐，使罗茨风机产生气源更加稳定，避免气源波动对测试产生影响；本实施例设计的排气背压试验装置安装有四个阀门，通过控制装置控制构成一套排气阀门控制系统，用于拟合四缸发动机排气阀门的开闭动作，使冷流试验装置能够产生阶次脉冲气流；而且本发明提供的通过冷流实验数据估算热态背压的方法，使得冷流实验数据更切合发动机的实测数据。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。