某发动机排气系统尾口噪声优化

某发动机排气系统尾管噪声优化

许亚峰周维刘兴利刘兵王瑞麟

华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，沈阳，110104

[摘要]：本文首先确定排气噪声的来源，针对特定的问题制定相应的优化方法，并应用GT-power软件对不同方案进行仿真分析，选取最优方案并在实车上进行验证，试验结果表明优化方法解决了噪声问题。[关键词]：排气系统；噪声；GT-power；

Tailpipe noise optimization of engine exhaust system

Yangfeng Xu,Wei Zhou,Xingli Liu,Bing Liu, Ruilin Wang

Brilliance Auto R&D Center Powertrain Integrated Technology Section [Abstract]: This article determine the source of exhaust noise. Develop appropriate optimization methods for specific problems. Simulation analysis of different schemes by GT-power software. Select the best solution and verity it in the real vehicle. The experimental results show that the optimization method can solve the noise problem.

[Keywords]: exhaust system; noise; GT-power;

引言

发动机排气系统的主要功能除了能顺利的将废气排出，还要有很好的降噪作用。排气系统是汽车最主要的噪声源之一，不但要满足顾客对汽车舒适性的要求也要面对日益严苛的国家法规。所以排气系统降噪设计非常重要。本文研究的项目是对某排气系统噪声问题原因的调查，从而制定适当的设计方法，最终开发出满足要求的排气系统。

应用发动机热力学计算分析软件GT-power建立发动机热力学和声学分析模型，计算出不同消声方案的排气口噪声总声压值及阶次噪声值。通过不断的改进消声结构，针对性的消除某些峰值噪声，直到满足控制目标。

1排气噪声源

1.1排气尾管噪声源

尾口噪声是一种脉动噪声。声音是以平面波在管道中传播，当达到尾管时，由于声阻抗不匹配一部分波会透过管道继续传播，而另一部分声波则被反射回去，形成反射波。

尾口噪声由两部分噪声组成：空气噪声和气流摩擦噪声。稳定的气流在尾管处发出空气噪声，而不稳定的气流则产生摩擦噪声。在尾管噪声中，这两种噪声所占成分取决于气流流量的大小和速度。流量小和速度低时，空气噪声占主要成分；而流量大和速度快时，摩擦噪声占主要成分[1]。

1.2问题原因分析

该排气系统为双尾口设计，消音器左右出气结构有少许的差异导致该款发动机的尾管噪声经过几轮优化后问题始终发生在1000-1300rpm与2700rpm左右的左侧尾口二阶噪声（见图1）。因为其中2700rpm的峰值噪声严重影响的了车内的声品质，使车内存在明显的共鸣。1000-1300rpm的二阶噪声对应的频率33-43Hz,2700rpm的二阶噪声对应的频率为90Hz.都属于低频噪声问题，具体计算公式参考文献[3]为此专门针对排气尾管噪声做了接大消音器的解耦试验（见图2），图中虚线是排气口又接了一个大消音器的测试结果，实线是基态的的测试结果，通过曲线对比，屏蔽掉尾口噪声后全阶及各阶次明显降低，从而确定了33-43Hz 和90Hz确实是由排气尾口贡献的。

图1左侧尾口噪声测试结果图2解耦试验测试结果

其中2700rpm的二阶峰值噪声幅值较为异常，因此制作了一套不带消音器的排气系统（见图3），来了解此噪声源的产生的根本原因，以确定具体的调音手段。

图3噪声源测试方案图4 噪声源测试结果

从测试结果中（图4）可以清晰的看出2700rpm有明显的共振带，根据测试声音回放确认为燃油进入排气管二次燃烧，产生的放炮声。确定了90Hz的噪声不单单是二阶贡献的，整个频带分布较宽，需要在设计消音器时更多的拓宽消声频带也是本次优化中的难点。为此我们借助GT-power强大的仿真能力，首先建立起发动机的数值模型，经过标定后该模型能够精确地模拟发动机的实际工作状态，然后利用GT-power模块的声学模块对原排气系统经行初步优化，再与发动机模型耦合，计算排气尾管噪声，判断能否满足噪声及性能要求，最终通过实车验证及发动机背压测试验证，达到了设计要求。

2 GT-Power模型的建立

2.1模型的建立

应用GT-power建立完整的发动机数值模型（图5）所示，包括进气系统、气缸和排气系统。其中进气系统不涉及性能优化，利用GT中的压损元件通过改变小孔直径模拟真实的进气阻力，利用GT-power里的GEM3D模块对排气系统中消和后消建立详细的子模型，并利用台架实验数据对模型进行标定和验证。

图5发动机GT-Power数值模型

在建模过程中使用了原机在台架上进行实际测量的空燃比、发动机摩擦功；使用PID 压力控制模式，保证进气歧管压力与实测一致；使用单峰wiebe燃烧模型，利用测量所得的缸内压力曲线计算出wiebe燃烧模型的主要参数，包括50%燃烧点、10%-90%燃烧持续期与燃烧品质指数[2]。

2.2模型的标定

为了使发动机的数值模型能精确地模拟发动机实际工作状态，还需要对发动机数值模型利用台架实验数据经行标定。标定的内容包括发动机的功率与扭矩、发动机损失功率、燃油质量、涡轮前后压力、IMEP、BSFC、进气流量、进排气系统的压力波动、排气系统中排气总温度、催化器前温度，必要时标定出排气系统各段的温度梯度等[2]。

图6扭矩的标定图7功率的标定