許亞峰，周維

(華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧沈陽 110104)

一種排氣背壓的計(jì)算方法

許亞峰，周維

(華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧沈陽 110104)

應(yīng)用GT-Power軟件，建立某排氣系統(tǒng)的一維計(jì)算模型，利用EndFlowInlet模塊，快速計(jì)算排氣系統(tǒng)背壓并與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果表明，用該計(jì)算方法能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出排氣背壓。

排氣系統(tǒng)；背壓；GT-Power軟件

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的主要功能是順利地將廢氣排出、降噪。在排氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中，排氣背壓是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，排氣背壓的大小直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失和噪聲水平。

作者提出一種排氣系統(tǒng)背壓的開發(fā)方法，該方法通過建立排氣系統(tǒng)的三維模型，并離散成一維模型，利用其中EndFlowInlet模塊迅速建立背壓計(jì)算模型，對排氣系統(tǒng)背壓進(jìn)行預(yù)測，由于該方法不需要建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，計(jì)算過程中采用一維動(dòng)力學(xué)仿真，所以整個(gè)計(jì)算過程非?？臁?/p>

1 排氣背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

1.1 不同的排氣背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證排氣背壓對某發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，分別制作兩套排氣系統(tǒng)，背壓分別是51.4、48 kPa。搭載到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行性能測試，來驗(yàn)證排氣背壓對功率、扭矩、燃油消耗率的影響。一催前測量點(diǎn)背壓如圖1所示。

圖1 一催前測量點(diǎn)背壓

不同背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、燃油消耗量分別如圖2—4 所示。

圖2 不同背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)功率圖

圖3 不同背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩圖

圖4 不同背壓下燃油消耗量圖

從圖2—4中可知不同背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大，在額定功率點(diǎn)5 500 r/min下的功率由109.9 kW下降到105.8 kW，3.4 kPa排氣背壓增加量導(dǎo)致了4.1 kW的功率損失，扭矩和燃油消耗量也有不同程度的損失，這對于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響是不可忽略的。開發(fā)階段非常有必要計(jì)算和優(yōu)化排氣背壓。

2 排氣背壓計(jì)算

2.1 排氣系統(tǒng)模型的建立

一維動(dòng)力學(xué)仿真軟件中的GEM3D專門用于建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維模型。利用該模塊建立了完整的排氣系統(tǒng)模型(圖5)，并離散成一維模型，離散長度取40 mm。幾何誤差的處理方法是計(jì)算準(zhǔn)確的前提，壓力損失通常發(fā)生在截面變化的位置，如消音器或管路連接處等。

圖5 排氣系統(tǒng)的建模和離散

2.2 計(jì)算理論

在GT-Power中有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊EndFlowInlet專門用于計(jì)算部件壓損，該對象描述了一個(gè)邊界條件，它將流量引入或流出附加的流動(dòng)組件。流體的流速可以指定為體積流量、質(zhì)量流量或流速。當(dāng)使用此模板時(shí)，該模塊實(shí)際上計(jì)算在滿足用戶指定的流量所需的邊界處的壓力，所以只要知道發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的質(zhì)量流量和溫度就可以計(jì)算排氣系統(tǒng)背壓。

需要特別注意的是，如果用戶指定不適合系統(tǒng)的流量，這可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。例如，如果一個(gè)巨大的流量被指定去通過一個(gè)小的管孔、閥等，然后在EndflowInlet的壓力和任何上游流組件會(huì)升得很快；最終，密度或馬赫數(shù)將增加足以滿足指定的流量，但所得到的流體狀態(tài)可能是錯(cuò)誤的流體性能，從而導(dǎo)致非?？焖俚膲毫υ黾?。

在管模板選項(xiàng)文件夾屬性里可以定義向前和向后的壓力損失系數(shù)。管里的壓力損失是由錐形、彎曲或不規(guī)則的截面引起的。壓力損失系數(shù)定義如下：

(1)

式中：p1為出口處總壓；p2為入口處總壓；ρ為入口處氣體密度；v1為入口處氣體速度。

如果壓力損失系數(shù)設(shè)為預(yù)定義，彎管或錐管造成的壓力損失自動(dòng)估算。計(jì)算出的壓力損失系數(shù)被保存為RLT變量，可以在RLT后處理再看到。計(jì)算結(jié)果綜合了各種數(shù)據(jù)，但沒有考慮管壁摩擦。管壁摩擦是被單獨(dú)計(jì)算的。壓力損失系數(shù)沒有考慮由于突然收縮或膨脹引起的壓力損失。在孔里的流量系數(shù)模擬此損失[1]。

2.3 計(jì)算模型的建立

建立如圖6所示的計(jì)算模型，其中壓力傳感器布置位置和壓力測試位置如圖所示。載體參數(shù)如表1所示。

圖6 排氣背壓一維計(jì)算模型

參數(shù)幾何尺寸目數(shù)壁厚面積一級催化器?93mm×91mm6000.1524mm6761mm2二級催化器?118.4mm×100mm4000.1524mm10835mm2

其中各管路初始表面粗糙度設(shè)置為0.25 μm，計(jì)算壁溫時(shí)要用到內(nèi)部熱傳遞、外部熱傳遞、管壁的比熱容和初始壁溫，設(shè)置如圖7—10所示。

圖7 各管路main參數(shù)設(shè)置

圖8 壁溫求解參數(shù)設(shè)置

圖9 EndFlowInlet參數(shù)設(shè)置

圖10 運(yùn)行設(shè)置

EndFlowInlet中兩個(gè)主要參數(shù)——排氣質(zhì)量流量和溫度按照實(shí)際值493 kg/h、775 ℃填寫，混合氣成分選擇FluidMixtureBurned部件，具體可按照軟件自帶參數(shù)模板設(shè)置。運(yùn)行設(shè)置中采用以時(shí)間為步長的計(jì)算方式，計(jì)算時(shí)長2 s，質(zhì)量流量收斂的誤差率設(shè)置為0.2%，壓力收斂誤差率設(shè)置為1%，如果計(jì)算結(jié)果不收斂可以提高計(jì)算時(shí)長來達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2.4 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

按照以上設(shè)置，運(yùn)行計(jì)算模型得到的壓力云圖結(jié)果如圖11所示。

圖11 壓力云圖

最終計(jì)算的背壓為51kPa@493kg/h,從結(jié)果中也可以得出各段的壓力損失，如果得到排氣系統(tǒng)入口質(zhì)量流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)變化，可以得到一條不同轉(zhuǎn)速下排氣系統(tǒng)的背壓曲線(見圖12)，計(jì)算的排氣背壓在額定功率轉(zhuǎn)速下較實(shí)測值高出1.7 kPa，計(jì)算精度誤差在3%左右，能夠有效地支持排氣系統(tǒng)背壓的開發(fā)。

圖12 排氣背壓計(jì)算值和實(shí)測值對比

3 結(jié)論

(1)通過不同排氣背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，排氣背壓是影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)該計(jì)算方法不需要建立復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，操作簡便實(shí)用性強(qiáng)。

(3)GT-Power具有足夠的精度來滿足排氣背壓目標(biāo)開發(fā)要求，同時(shí)因?yàn)槭且痪S軟件，網(wǎng)格處理方便、計(jì)算速度快，可以實(shí)現(xiàn)排氣背壓的快速預(yù)測。

【1】Gamma Technologies Inc.GT-Power User’s Manual-vers.6.1601[M].Oakmont.

【2】馬少康，梁濤，蘇艷君，等.排氣背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2015,44(2):12-15. MA S K,LIANG T,SU Y J,et al.Influence of Exhaust Back Pressure on Engine Performance[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2015,44(2):12-15.

A Kind of Calculation Method for Exhaust Back Pressure

XU Yafeng, ZHOU Wei

(Brilliance Auto R & D Center Powertrain Integrated Technology Section,Shenyang Liaoning 110104,China)

The GT-Power software was applied to establish one-dimensional model of a exhaust system.Using 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.

Exhaust system; Back pressure; GT-Power software

2016-12-28

許亞峰(1988—)，男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)榕艢庀到y(tǒng)NVH設(shè)計(jì)方向。E-mail：yafeng.xu@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.006

U461.134+4

A

1674-1986(2017)04-025-04