GT -POWER 在内燃机排气消声器设计中的应用谢田峰,金国栋,钟绍华(华中科技大学机械学院,湖北武汉430074)摘要:介绍一种新的模拟软件,可对两者进行综合预测,该软件基于一维流体动力学的假设。
为了便于用户设计复杂的消声器,该软件提供了绘图的处理程序。
通过绘图程序中提供的消声器基本元件库,用户可以轻松地创建复杂消声器模型。
将简单模型的模拟结果与试验结果相比较,可见模拟软件具有良好的预测性能。
由此可得出结论,应用计算机对发动机及消声器进行模拟,不仅能预测消声器特性,还能反应出不同结构消声器对发动机性能的影响。
关键词:GT -POWER ;排气消声器;模拟中图分类号:TK 413147 文献标识码:A 文章编号:1000-6494(2003)01-0012-03Application of GT -POWER in Design of Exhaust Muffler forInternal Combustion EngineXIE Tian -feng ,J IN Guo -dong ,ZHON G Shao -hua(College of Mechanical Engineering Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )Abstract :With the computer simulation of exhaust mufflers and engines ,the influence of mufflers on engine performance as well as exhaust noise can be predicted.This paper describes a new simulation software developed for such coupled simu 2lations ,which bases on the assumption of a one -dimensional fluid dynamics.To help users in design of muffler with com 2plex geometry ,an easy -to -use graphical preprocessor is provided ,with which the user builds a model representation of muffler using a library of basic elements.A comparison of simulation result and experiment result shows that the predic 2tions give good results.K ey w ords :GT -POWER ;exhaust muffler ;simulation 作者简介:谢田峰(1975-),男,硕士,主要研究方向:汽车节能与净化。
收稿日期:2002-09-17 在汽车噪声中,排气噪声是主要的噪声源。
在日益严格的噪声污染控制法规下,消声器的性能越来越引起人们的关注。
传统的消声器设计法存在着两点不足:实验周期长,人力物力消耗严重但仍不能取得好的效果,不能适应企业现代化、市场化及开发周期最小化的需要;设计时常常把消声器的消声性能和发动机的性能相互孤立地考虑,以至于很难找到两者的最佳结合点。
随着计算机软件技术的迅猛发展及其在工程中的广泛应用,发动机性能仿真技术也得到了快速发展并日渐成熟。
GT -POWER (GT -SU ITE 的一部分)就是其中优秀的仿真软件之一。
GT -POWER 软件系统在消声器开发中的应用使其与发动机性能相互影响的问题得到了综合解决,更加顾及全局的效果,减少了问题孤立化带来的困扰,并且大大缩短了产品的开发周期,减少了人力、财力、物力的浪费,提高了企业的竞争力。
1 发动机模型的建立GT -POWER 所应用的是一维流体假设的动力学模型,它综合了发动机性能的分析代码,并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型,可以较完整地模拟发动机不同工况的性能变化。
整个系统被划分为许多小的控制单元体,单元体上又划分成许多相互交错的网格,网格是系统进行运算估值的基本单元。
也就是说所有的标量(压力、温度等)都以单元体的中心为计算标准,而所有的向量(速度、物质流量)皆以单元体的边缘为计算标准,系统内部划分的单元体也是如此。
形状各异的气体通道皆可转化为功能相当的标准管件,最后形成发动机的管网化的模型,用于对发动机进行仿真。
・21・设计・研究内燃机 2003年第1期 本次试验模型是依据奥迪V6发动机提供的发动机的系统参数建立起来的。
用来检测GT-POW2 ER对抗性、阻性消声器消声性能预测的可靠性。
2 消声器模型的建立消声器内部穿孔管的存在使消声器管网化具有相当大的难度和复杂性,不过GT-POWER拥有专门的消声器设计系统,使复杂问题简单化。
不同的车辆所提供的安装空间不同,所以对消声器壳体外形尺寸的要求也不尽相同。
GT-POWER拥有用于设计消声器壳体外形的二维图,可以对消声器的前端及后端流通平面的形状进行设计,每个设计模板由一个圆均分的40个点阵组成,用户可以根据需要在径向方向上调整40个点的位置,来改变壳体的形状,设计者可以根据需要便捷地设计出壳体形状。
在消声器壳体中填充管子和其他部件才能生成完整的消声器。
GT-POWER提供了一个包含消声器零件库的二维绘图区,零件库包括:隔板、消声器壳体、直管、弯管、穿孔管、穿孔板等,还包括吸声材料,使消声器的制作十分的便捷。
GT-POWER 提供了正视图及左视图两种视图模式,设计者可以根据两个视角,方便地按工程图的方式填充零件。
绘制完二维图后可以把模型直接转化为三维图,并可以用方向键对三维图进行旋转等操作,由于壳体是透明的,设计者可以清晰地比较是不是自己所希望的内部布置,并可回到二维加以改正。
最主要的步骤是把设计的二维消声器模型网管化,设计完二维模型后,将其转化为3.dat文件,并在GT-ISE中导入便可生成连通的网管,这就是GT-POWER所需要的网管模型。
所生成的二维图还可以转化成三维图,便于对设计的消声器有更加直观的认识,更重要的是它可以直接转化为管网化的模型,大大减少了消声器模型制作的工作量。
直观与方便地设计消声器模块是GT-POWER的特色之一。
本实验的消声器是一个同轴的圆柱型共振腔消声器,外管(消声器壳体)直径156mm,长度为480 mm,中心管(穿孔管)上有2880个直径为3.5mm 的圆孔。
在此安装有两个传感器,一个位于共振腔前端180mm处,一个位于共振腔后端180mm处。
本实验在1000～6500r/min较宽的转速范围内进行。
本实验有两组试验数据,一种是共振空腔,一种是填有密度为120g/L的吸声羊毛材料。
把得到的消声器模块、发动机模块链接起来得到仿真模型,用该模型进行仿真测试。
3 其他模型的建立影响排气噪声的因素很多,对关键的影响因素, GT-POWER都提供了相关的模型:燃烧模型(包括用户自定义的燃烧模型、weibe函数、柴油机及涡轮增压)、热传导模型、发动机传动及负载模型等,适于对任何细节发动机工况进行模拟,提高对发动机性能及不同工况下消声器消声性能的预测。
4 仿真结果及分析4.1 空腔共振消声器的仿真预测结果前端的传感器仿真值与测量结果基本一致,见图1;后端的仿真值与测量图结果除了1/3倍频程的高速状况外基本吻合,见图2。
但对高速噪声变化趋势的预测还是较为准确的。
图1 前端传感器仿真预测结果图2 后端传感器仿真预测结果・31・设计・研究 内燃机 2003年第1期 该消声器模型主要是针对在内燃机排气系统中常用的阻性消声器,来验证GT -POWER 对阻性消声性能的模拟效果,阻性消声器结构主要包括共振室和膨胀腔。
共振室的特点是它对频率较敏感,即对不同频率的噪声有较强的选择性;膨胀腔主要影响消声器的消声频率范围。
通过对两者的调节使消声的消声频带更具有针对性。
4.2 装有吸声材料的共振消声器的仿真预测结果前端传感器的仿真预测值与空腔共振消声器的前端传感器的仿真预测值基本一致,后端传感器的预测值在1/3频程与实测值基本吻合,见图3。
从模型仿真的预测结果看,GT -POWER关于消声器设计部分的预测基本准确,尤其是各项参数的高低变化趋势完全吻合,可以替代台架试验进行对消声器性能的预测。
工程应用条件下,用计算机模拟方法进行计算图3 后端传感器在1/3频程预测值与实测值比较分析,可根据输出结果修改原方案,重新计算,达到满意为止。
模拟系统有多种方案可供选择,对结构、管道尺寸、孔板流通面接、穿孔管孔径等稍做调整便可形成不同的方案,再根据结果比较分析,综合考虑,即可得出较优的最终方案。
5 结论a.GT -POWER 具有良好的发动机模拟性能,在消声器设计满足降噪要求的同时兼顾发动机性能,对满足日益严格的汽车噪声污染控制标准具有重要意义。
b.对消声器设计者来说,GT -POWER 所提供的专门的消声器设计模块使设计更加直观和便捷。
c.消声器模块良好的预测性能必将减少消声器试验的重复性及复杂性,对设计的智能化及低耗高效有着重要的实用价值。
〔参考文献〕〔1〕 黎志勤,黎苏.汽车排气系统噪声与消声器设计[M ].北京:中国环境科学出版社,1991.〔2〕 Thomas Morel and John Silvestri.Modeling of EngineExhaust Acoustics ,SAE paper 991665.〔3〕 J.J.Silvestri ,T.morel and M.Costello.Study of intakeSystem Wave Dynamics and Acoustics by Simulation and Experiment ,SAE Paper 940206,February 1994.〔4〕 Dean G.Thomas.Muffler Selection and Design for Inter 2nal Combustion Engines.SAE 700537.〔5〕 GT -POWER TU TORIAL version 5.2.G amma Tech 2nology.DECEMBER 2001.(上接第11页)标已达到了欧洲Ⅱ号重型车用发动机排放标准。
另外,燃用压缩天然气后,发动机工作较柴油机稳定,工作噪声大大降低。
5 结论实验结果表明,发动机的燃气量采用理论空燃比控制与稀燃控制相比,燃气量充足,发动机的动力性得到了保证,动力性下降不超过15%。