一种排气背压的计算方法

一种排气背压的计算方法

许亚峰周维

华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，沈阳，110104

摘要：应用GT-Power软件，建立某排气系统的一维计算模型，利用EndFlowInlet模块，快速计算排气系统背压并与台架试验结果进行对比。试验结果表明，用该计算方法能够快速准确地计算出排气背压。

关键词：排气系统；背压；GT-Power软件

A kind of Calculation Method for Exhaust Back Pressure

XU Yangfeng, ZHOU Wei

(Brilliance Auto R&D Center Powertrain Integrated Technology Section,Shenyang Liaoning

110104,China)

Abstract: The GT-Power software was applied to establish one-dimensional model of a exhaust ing EndFlowInlet module,the back pressure of the exhaust system was calculated quickly and it was compared with bench test result. The experimental results show that this method can be used to calculate exhaust backpressure rapidly and accurately.

Keywords: Exhaust system; Back pressure ; GT-Power software

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、降噪，在排气系统的开发过程中，排气背压是关键的设计目标之一，排气背压的大小直接影响着发动机的功率损失和噪声水平。

本文提出了一种排气系统背压的开发方法，该方法通过建立排气系统的三维模型，并离散成一维模型，利用其中EndFlowInlet模块迅速建立背压计算模型，对排气系统背压进行预测，由于该方法不需要建立发动机模型，计算过程中采用一维动力学仿真，所以整个计算过程非常快。

1排气背压对发动机性能的影响

1.1不同的排气背压下发动机性能数据

为了验证排气背压对某发动机性能的影响，分别制作的两套排气系统，背压分别是51.4kpa、48kpa。搭载到发动机台架试验进行性能测试，来验证排气背压对功率、扭矩、燃油消耗率的影响。一催前测量点背压如图1所示，不同背压下发动机功率、扭矩、燃油消耗量分别如图2-4 所示。

简介：作者许亚峰 1988.6 男工学学士学位助理工程师排气系统NVH设计方向邮箱：yafeng.xu@

图1 一催前测量点背压(Kpa) 图2不同背压下发动机功率图(Kw)

图3不同背压下发动机扭矩图(N.m) 图4 不同背压下燃油消耗量图g.Kw/h)从上图中可知不同背压对发动机性能影响很大，在额定功率点5500rpm下的功率由109.9kw下降到105.8kw，3.4kpa排气背压增加量导致了4.1kw的功率损失，扭矩和燃油消耗量也有不同程度的损失，这对于发动机性能的影响是不可忽略的。开发阶段对排气背压的计算和优化实非常有必要的。

2排气背压计算

2.1排气系统模型的建立

在一维动力学仿真软件中的GEM3D专门用于建立复杂结构的三维模型，利用该模块建立了完整的排气系统模型（图5），并离散成一维模型，离散长度取40mm，几何误差的处理方法是计算准确的前提，压力损失通常发生在截面变化的位置，如消音器或管路连接处等。

图5 排气系统的建模和离散 2.2计算理论

在GT-Power 中有一个标准模块EndFlowInlet 专门用于计算部件压损，该对象描述了一个边界条件，它将流量引入或流出附加的流动组件。流体的流速可以指定为体积流量、质量流量或流速。当使用此模板时，该模块实际上计算在满足用户指定的流量所需的边界处的压力，所以只要知道发动机排气口的质量流量和温度就可以计算排气系统背压。

需要特别注意的是，如果用户指定不适合系统的流量，这可能会导致稳定性问题。例如，如果一个巨大的流量被指定去通过一个小的管孔、阀、等，然后在endflowinlet 的压力和任何上游流组件会升得很快。最终，密度或马赫数将增加足以满足指定的流量，但所得到的流体状态可能是错误流体性能，从而导致非常快速的压力增加。

在管模板选项文件夹里属性可以定义向前和向后的压力损失系数。管里的压力损失是由锥形、弯曲或不规则的截面引起的。压力损失系数定义如下：

C P=p 1−p 212ρv 12 (1)

p 1 出口处总压

p 2 入口处总压

ρ 入口处气体密度

v 1 入口气体速度

如果压力损失系数设为预定义，弯管或锥管造成的压力损失自动估算。计算出的压力损失系数被保存为RLT 变量，可以在RLT 后处理在看到。计算结果综合了各种数据，但没有考虑管壁摩擦。管壁摩擦是被单独计算的。压力损失系数没有考虑由于突然收缩或膨胀引起的压力损失。在孔里的流量系数模拟此损失[1]。

系统背压测量点

2.3计算模型的建立

建立如图6所示的计算模型，其中压力传感器布置位置和压力测试位置如图所示，载体参数：

表1 催化器参数

图6 排气背压一维计算模型

其中各管路初始表面粗糙度设置为0.25mm，计算壁温时要用到内部热传递、外部热传递、

管壁的比热容和初始壁温，设置如下

图7 各管路main参数设置图8壁温求解参数设置

图9 EndFlowInlet参数设置图10运行设置

一级催化器

二级催化器

中消音器加管路

后消音器

背压P4