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车用汽油发动机进排气系统噪声仿真研究 摘要 能源与环境是汽车工业在2 1 世纪发展所面i 临的两大课题，随着我国汽车工 业的迅速发展，汽车的噪声污染日益严重，而发动机的进排气噪声是汽车的主 要噪声源之一，对其进行研究有着重要的意义。 在汽车研发过程中计算机仿真技术应用十分广泛，由于计算机仿真技术可 以极大地节省实验时间，不受时间、经费、场地等客观条件的限制，显著提高 产品开发速度。因此g t p o w e r 等模拟软件已经成为设计研发不可缺少的手段。 对于消声器来说，传统的研究往往将消声器与发动机分开考虑，单独对消 声器的声学特性进行分析，而进排气噪声与发动机的工作过程是密不可分的， 所以要综合对消声器与发动机进行研究。本文采用发动机仿真软件g t p o w e r 建立了消声器与发动机的耦合模型，分析了进排气噪声，通过对进排气系统的 优化，使噪声得到了显著地改善，改变了传统上设计消声器的思路，缩短了研 发周期、节约了成本。 本文运用g t p o w e r 和m a t l a b 软件分别对扩张消声器、赫姆霍兹消声器、 1 4 波长管的声学特性进行了分析。讨论了扩张消声器的扩张比、总长度、插 入管长度对其传递损失的影响以及赫姆霍兹消声器的容积、连接管道长度、连 接管道截面面积、主管的截面面积对其的影响；在1 4 波长管方面，总结了旁 支管与主管截面面积比值以及波长管的长度对传递损失影响的规律。以上对消 声器声学特性的探索工作为后续发动机进排气系统的研究奠定了基础。 中国汽车市场正在走向成熟，人们对噪声的关注也在日益增加。汽车制造 公司正在加大对这方面研究和开发的投入。相信在不久的将来，噪声与振动将 是汽车厂家和顾客最关注的指标之一，在汽车研究与产品开发过程中的作用也 会越来越突出。 关键词：汽油发动机；计算机仿真技术；扩张消声器；赫姆霍兹消声器； 噪声与振动 t h es i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho fi n t a k ea n de x h a u s t s y s t e mn o i s eo fm o t o rg a s o l i n ee n g i n e a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r et w os e r i o u sp r o b l e m sf a c e db yt h e a u t o m o b i l ei n d u s t r i e si nt h e21s tc e n t u r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , a u t o m o b i l en o i s ep o l l u t i o nh a sb e e ns e v e r e rt h a nb e f o r e t h ei n t a k ea n de x h a u s tn o i s eo f e n g i n ei so n eo f a u t o m o b i l em a i nn o i s es o u r c e s i t sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c hi t c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o ni sw i d e s p r e a di nt h ep r o c e s so f a u t o m o b i l er & d b e c a u s ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc a ng r e a t l ys a v et e s tt i m ea n d i m p r o v ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sa n di th a s n tb e e nc o n s t r a i n e db yt i m e ，f u n d i n g ， v e n u e sa n ds oo n g t - p o w e ra n do t h e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ea r ei n d i s p e n s a b l ed e s i g nt o o l s f u rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t f o rt h em u f f l e r , t h et r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o d i st h a tt h em u f f l e r sa c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i ci sa l o n ea n a l y z e dw h e ni ti sc o n s i d e r e ds e p a r a t e l yf r o mt h ee n g i n e h o w e v e r , t h ei n t a k ea n de x h a u s tn o i s eo f e n g i n eh a ss o m e t h i n gt od ow i t h e n g i n ew o r k i n gp r o c e s s ，s o t h em u f f l e rs h o u l db ei n t e g r a t e dw i mt h ee n g i n ef o rr e s e a r c h t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h e m u f f l e ra n de n g i n e sc o u p l e dm o d e lb ye n g i n es i m u l a t i o ns o f t w a r eg t - p o w e r , m o r e o v e r ， a n a l y z e dt h ei n t a k ea n de x h a u s tn o i s eo fe n g i n e t h en o i s ew a sr e m a r k a b l yc h a n g e df o r o p t i m i z i n gt h ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m t h em e t h o dc h a n g e dt h et r a d i t i o n a li d e aa n d s h o r t e n e dt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dc o s t t h et h e s i sr e s p e c t i v e l ya n a l y z e dt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x p a n s i o nm u f f l e r , h e l m h o l t zm u f f l e r , 1 4w a v e l e n g t hp i p eb yu s i n gg t - p o w e ra n dm a t l a bs o f t w a r e f o r t r a n s m i s s i o nl o s s ，i td i s c u s s e de x p a n s i o nr a t i o ，t o t a ll e n g t h ，i n s e r tt h el e n g t h si m p a c t i n go n t h ee x p a n s i o nm u f f l e ra n dv o l u m e ，c o n n e c t i n gp i p el e n g t h ，c o n n e c t i n gp i p ec r o s ss e c t i o n a r e a , t h ec r o s s - s e c t i o na r e a si n f l u e n c i n go nt h eh e l m h o l t zm u f f l e r ；f o r1 4w a v e l e n g t h p i p ew a sc o n c e r n e d ，b r a n c hp i p ea n dc r o s ss e c t i o na r e ar a t i oa n dw a v e l e n g t hp i p el e n g t h s e f f e c tw a ss t u d i e d t h ea b o v ee x p l o r m i o nw o r kl a y st h ef o u n d a t i o nf o ri n t a k ea n de x h a u s t s y s t e m s r e s e a r c ho f e n g i n e c h i n a sa u t o m o b i l em a r k e ti sm o v i n gt o w a r d sm a t u r i t y , p e o p l ea r ea l s oi n c r e a s i n g l y c o n c e r n i n ga b o u tt h en o i s e a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e sa r eb o o s t i n gt h e i r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n v e s t m e n tt ot h ef i e l d ib e l i e v ei nt h en e a rf u t u r e ，n v hw i l lb e t h em o s tc o n c e r n e do n eo ft h ei n d i c a t o r sf o rv e h i c l em a n u f a c t u r e r sa n dc u s t o m e r s i t sr o l e w i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l ya c u t ei nt h ep r o c e s so f a u t o m o b i l ea n dp r o d u c td e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ；e x p a n s i o nm u f f l e r h e l m h o l t zm u f f l e r ；n v h 图2 1 图2 2 图2 3 图2 ，4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 。1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 18 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 一1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 t5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 l 图4 1 插图清单 g t - s u i t e 软件界面8 一维交错网格9 软件仿真模拟计算的流程1 0 进气歧管模型1 1 管接头属性编辑界面1 2 空气滤清器模型。1 2 消声器三维c a d 图一1 3 消声器模型图1 3 额定转速下发动机的缸压曲线1 5 发动机进气门升程曲线1 6 发动机排气门升程曲线1 6 发动机整机模型1 7 进气系统空气流量1 7 发动机排气背压1 8 发动机功率图1 8 发动机扭矩图1 8 发动机燃油消耗量1 9 发动机燃油消耗率1 9 内燃机排气系统简图2 2 简单扩张室的模型2 5 不同扩张比的扩张室对应的传递损失2 5 不同长度的扩张室对应的传递损失2 6 不同长度插入管对应的传递损失2 7 旁支式和同心式共振腔消声器。2 8 传递损失测量图2 9 双话筒随机噪声法模型2 9 插入损失的测量3 0 原消声器的三维模型3 0 原消声器的传递损失3 l 优化后消声器的三维模型3 2 优化后消声器的g t p o w e r 子模型3 2 优化前后消声器传递损失的对比3 3 发动机转速n = 5 0 0 0 r m i n 噪声曲线3 4 发动机转速n = 4 5 0 0 r m i n 噪声曲线3 5 发动机转速n = 4 0 0 0 r m i n 噪声曲线一3 5 发动机转速n = 3 5 0 0 r m i n 噪声曲线3 6 发动机转速n = 3 0 0 0 r m i n 噪声曲线。3 7 发动机转速n = 2 5 0 0 r m i n 噪声曲线3 7 发动机转速n = 2 0 0 0 r m i n 噪声曲线3 8 进气系统的结构示意图4 0 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 赫姆霍兹消声器4 2 连接管道中的气流4 2 容积对传递损失和共振频率的影响4 5 连接管道截面面积对传递损失和共振频率的影响4 5 连接管道长度对传递损失和共振频率的影响4 6 主管道直径对传递损失和共振频率的影响4 6 截面面积比的变化对1 4 波长管传递损失的影响4 8 长度的变化对1 4 波长管传递损失的影响4 8 测试系统框图4 9 隔声罩结构示意图5 0 发动机进气噪声的仿真结果5 2 2 5 0 0 r m i n 进气系统优化前后噪声对比5 2 2 5 0 0 r m i n 谐振腔处于不同位置时迸气噪声对比5 3 3 0 0 0 r m i n 进气系统优化前后噪声对比一5 3 3 0 0 0 r m i n 谐振腔处于不同位置时进气噪声对比5 4 表格清单 表1 - 1汽车加速行驶车外噪声限值1 表2 - 1 本文研究的发动机基本参数l o 表2 - 2 发动机的摩擦损失功1 4 表2 3 发动机的配气相位1 5 表3 1 不同扩张比的扩张室尺寸2 5 表3 2 排气系统优化前后发动机性能比较3 9 表4 - 1不同结构形式的隔声罩及其隔声量5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：【：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金照三业厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刘胜 刘胜 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 2 日 2 0 0 7 1 2 1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王逃太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目b 王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刘胜 文i l 胜2 0 0 7 1 2 1 2 签字日期：2 0 0 7 年1 2 月 1 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：左承基 签字目期：2 0 0 7 年1 2 月 1 2 日 电话： 邮编： 致谢 本论文的研究是在导师左承基教授的悉心指导下完成的。在两年多的研究生学习 过程中，导师在学业上对我谆谆教导，在生活上给我无微不至的关怀，使我得以顺利 地完成学业。左老师严谨的科学态度、渊博的学识、创新的科研精神、宽厚待人的气 度给我留下了深刻的印象，将使我在以后的工作实践中终身受益。值此论文完成之际， 谨向左承基导师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢孙军教授、滕勤副教授、刘一鸣副教授、程晓章副教授、汪春梅副教授和钱 叶剑等内燃机教研室老师，在课题研究过程中给我的指导、帮助和大力支持。 感谢实验室的徐天玉老师、谈建老师在课题实验方面所给的巨大帮助。 感谢刘玉雪同学在生活和学习上给我的帮助和照顾。 感谢师兄姚炜在学习上给我的支持和帮助。 感谢程报、邓玫、宋小芹在论文完成过程中对本人的帮助。 我要特别感谢父母的养育之恩和教诲! 感谢他们多年来对我无私的关怀和支持， 并祝愿他们永远幸福、快乐! 再次感谫 所有在求学过程中给我以指导和帮助的老师、 同学和朋友们! 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致谢! 作者：刘胜 2 0 0 7 年1 1 月1 5 日 第一章绪论 1 1 研究背景 在我国，由于汽车的数量、品种和用途不断增加，汽车噪声已成为影响人 们生活环境质量的重要污染源，汽车噪声所造成的环境污染严重影响人们的工 作和学习，损害人们的身心健康。实验结果表明，人们长期在8 5 9 0 d b ( a ) 噪 声级环境下工作，将会造成永久性的听力损害。因此降低汽车噪声作为当今汽 车技术发展的一个重要课题。随着我国汽车保有量的增加、汽车行业本身的竞 争以及2 0 0 8 年北京奥运会，噪声的控制更加刻不容缓。 我国政府从1 9 7 9 年开始控制机动车噪声，并制定相关的标准，以后定期修 订噪声标准【t l ，使得噪声控制的要求交得越来越突出，限值的交化也还有进一 步下降的趋势。我国加入w t o 后，人们对汽车行业的环保工作更加重视，特别是 汽车行业公布了4 3 项强检项目和标准，其对汽车排放的限值越来越严，2 0 0 2 年 国家又颁布了g b l 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法标准， 同时也给出了噪声限值实施的时间进度表，如表1 所示，从表中可以看出与工 业发达国家在噪声性能指标上相比，仍存在一定的差距，即使是新公布的 g b l 4 9 5 2 0 0 2 在2 0 0 5 年1 月1 日以后的噪声限值也高于1 9 9 7 年e c er 5 i 0 2 限 值。 表1 1 汽车加速行驶车外噪声限值 d 狞 勃。凇毖嫩 汽孳劈擞 ：蝴鼍篆2 髫0 。镰譬辫1 9 9 7 t g 期黼耗，的汽肇 m i m 2 f c f m 3 - 5i ) 城 烈i 矗f 甜蓝3 5t f ： 秽i5 射2 7 87 6 7 6 2 “矗r m 3 5t7 97 77 ， m 2f 3 jt 5i l ： ，k 1 5 0k 钟8 2g o 7 8 ，l5 l k 影8 58 38 0 n 2 3 jt 2 t 时： 如果p 1 4 0 k w ，p g w 之比大于7 5k w t 并用第三挡测试时其尾端出线的速度大于6 1 m h ，其限值增加l d b ( a ) 。 1 汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源。根据英国汽车工业研究 协会经过多年研究发现，在汽车产生的噪声中以发动机的噪声为最大 2 1 。因此 降低发动机噪声对降低汽车的整车噪声具有决定性的作用。鉴于当前噪声污染 的严重形式以及加入w t o 后所要面临的严峻挑战，我国政府对噪声控制极为重视 不断提出更为严格的要求，内燃机噪声控制技术被列为“十五”期间应优先发 展的内燃机九大关键技术之一。可见，控制发动机噪声刻不容缓。 随着发动机向大功率趋势发展，由发动机引起的噪声也越来越严重。发动机 的噪声源有很多，其按辐射方式分为空气动力噪声和表面噪声两大类。由于气体 扰动以及气体和其它物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声，在发动机 中，它包括迸气噪声、排气噪声和风扇噪声；表面噪声包括燃烧噪声和机械噪声， 它们是通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接的零部件振动面向大气 放射的。 进、排气噪声是发动机的空气动力噪声，是发动机主要噪声源之一。一般情 况下，排气噪声比进气噪声要大，所以一般发动机总是需要安装排气消声器。 因进气空滤器对进气噪声有一定的消除作用，所以，进气系统一般不安装进气 消声器。对大功率发动机来讲，进气噪声有时候可比发动机自身噪声( 燃烧噪声， 机械噪声) 还高。对于带空气滤清器的整机来讲，如果转速显著提高，则进气噪声 也会显著增大。所以，研究空气动力噪声的特性及产生机理，弄清进气噪声对发 动机整机噪声的影响是非常有必要的。另外，随着法规对噪声的限制加大，对 排气噪声的进一步降低有更高的要求。 发动机进、排气噪声是由于进、排气门周期性地开闭而产生的迸、排气系 统内部压力起伏变化所引起的。进、排气噪声的大小与发动机进、排气方式( 增 压或自然吸气) 、进、排气门结构尺寸、缸径、凸轮型线等设计因素有关。根 据产生机理不同，进、排气噪声主要含有如下几种：周期性压力脉动噪声、涡流 噪声、气缸的赫姆霍兹共振噪声和进、排气管的气柱共振噪声。 当气流进入进气( 排气) 管后，在气门的开闭过程中，必将引起发动机进气 ( 排气) 管道中空气压力和速度的波动，引起空气密度的周期性变化，产生周期 性压力脉动噪声。该类型噪声主要从节气门沿进、排气管道来回传播。周期性 压力脉动与管内的压力脉动相吻合，是进、排气噪声的主要构成部分。 当高速气流进入气缸时，由于在气流通道内有气门、气门导管、进、排气管 内的毛刺、尖棱、砂眼等障碍物，气流受阻而形成涡流，产生涡流噪声。涡流噪 声是一种高声强噪声源，也是一种频谱很复杂的宽带噪声，其峰值将分布在一定 宽度的频率范围内。 另外，可将发动机气缸看成是一个赫姆霍兹共振腔，即把气缸看成是一个 一端封闭的共振腔。其共振来源于气缸内气体压力波的激发，共振频率的大小与 发动机的转速无关，只取决于气缸容积，进、排气管长度和直径。当气缸内的气 2 体压力脉动的激发频率等于发动机的各阶赫姆霍兹共振频率时，气缸内将发生 赫姆霍兹共振，此时的辐射声能最大。 当进、排气门关闭时，进、排气管变成了一端封闭一端开口的等截面管，构 成了一个气柱共振系统。在管道内的气体介质，由于具有连续分布的质量和可压 缩性，而易发生气柱的振动。这种气柱振动与声波源的激振频率与气柱的某一阶 固有频率接近时，气柱便发生对应于该频率的共振，使管道强烈振动并辐射噪声 对噪声的控制，可以从两个方面采取措施。一方面就是对噪声源本身采取 措施，这需要从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，包括凸轮轴、气门结 构以及缸盖等等的设计，而这些又会影响到内燃机其他方面的性能，因此需要 综合考虑并进行大量的实验研究；另一方面是在外部采取降嗓措施，如排气消 声器、谐振腔等等。这是最有效、最简单，也是目前国内外采用最多的方法。 国内外降低进排气噪声的成功方法是减小进、排气管内压力脉动强度和气 流通过气门截面处的涡流强度。具体措施有：采用波纹管作为进、排气管，能 使进、排气管内压力脉动得到缓冲；采用进、排气消声器，是非常有效的方法。 排气消声器一般是独立的。进气消声器可以是独立的，也可以与空气滤清器做 成为一体的。进、排气消声器的结构可以采用迷宫通道式、多级吸声片组件和 多级扩张腔等阻性与抗性复合消声结构；在空滤器后面加装旁支型赫姆霍兹共 振腔对降低低频噪声是非常有效的措施。 目前，国内外对于发动机进、排气噪声的研究已经较为深入和成熟，工程 上有许多成功的实例可以参考，但是，要想将发动机进、排气噪声降到更低的 水平，尚有许多深入细致的工作要做。 1 2 研究现状 1 2 1 计算机模拟的应用 随着现代科学技术的进步，特别是计算机等高新技术的发展，模拟技术也 得到了迅速的开发和应用。发动机的设计开发能力反映了发动机企业的技术水 平，是企业能否长期生存发展的核心和关键。传统的“图板十经验+ 发动机台架” 的设计方法设计周期长、开发成本高，难以适应市场对产品多样化和小批量生 产的要求。同时，计算机软、硬件技术的巨大进步和相关基础理论如有限元分 析( f e a ) 、计算流体力学( c f d ) 等的研究进展为计算机辅助设计( c a d ) 的发展和应 用提供了必要的前提条件和坚实的基础。 由于发动机的许多零部件，如曲柄连杆机构和配气机构的形状结构、受力， 以及发动机的流动、传热传质、燃烧等工作过程十分复杂，因此建立这些零部 件及整机的数学模型是十分困难的，而求解数学模型则更为困难。传统的设计 分析只能采用一些经验公式进行简单的估算。计算机技术的发展使这一问题得 到有效的解决。它有如下的优点： 1 、代替许多难以或无法实施的实验。在工程实际中，许多问题是无法通过 实际运行来加以研究的。如果采用计算机模拟，则可以在抽象的模型上反复进 行“数值实验”从而解决了这种实际运行或真实实验难以解决的问题。 2 、降低投资风险，节省研究开发费用。越是大型复杂系统和高新技术项目， 其不可预见性越大，相应的投资风险和人力、物力的花费也越大。如果预先通 过计算机模拟对系统或项目的设计、规划加以研究，并对系统建成后的运行效 果进行模拟，就可以预先获得许多宝贵的认知，增加决策的科学性，减少失误， 降低投资风险，节省人力和物力。 3 避免实际实验对人身、财产的危害。某些实验项目在实际实施中是有相 当风险的，而计算机模拟却可以较好的达到预期的目的，避免对人员、财产的 危害。 4 可以缩短实验时间，不受时空限制。如柔性制造系统几十小时的加工过 程，采用计算机模拟实验仅仅需几小时，甚至几十分钟，大大节省了实验时间； 有些实验由于受时间和经费的限制，难以反复进行，计算机模拟则不受这种限 制，可以多次重复；有些实验需要相当大的场地，受客观环境的限制，而计算 机模拟对空间的要求微不足道。 总之，在发动机的研究工作中，利用这些软件进行模拟计算可以大大减少 实验次数及时间，而且可以得到由于实验条件或测试技术的限制在实验中无法 得到的信息，因而其成为研究发动机工作过程的另一有效手段，是实验研究的 重要补充。从而节约内燃机开发和研究工作中的人力、物力和财力。由于环保 和节能的要求，使内燃机的设计越来越复杂化，要在排放限制和燃油经济性等 条件下获得最佳的动力特性，工作过程的模拟变得越来越重要。尽管就目前的 技术水平而言，工作过程的模拟计算还不能较精确地描述实际状况，但通过模 拟计算可以对工作过程进行定性分析，从而也为研究开发初期提供依据。 1 2 2 国外的概况 国外对噪声的研究起步比较早。在2 0 世纪6 0 年代以前，汽车噪声的改进 主要是基于实验和简单的计算。印年代后，计算机逐步应用到汽车领域，首先 用于结构分析，有限元被用于计算汽车部件的模态和响应。到了7 0 年代，随着 计算机容量和计算机速度的发展，有限元网格可以划得很细，计算精度达到相 当高。其中国外就采用了有限元对消声器进行研究分析【3 】到了8 0 年代就实现了 三维有限元分析【4 】，完成了对一简单扩张腔式消声器、内插管、椎形消声器等 传递损失的计算。文献【5 】中证明了三维有限法对于结构复杂的消声器的分析具 有很好的效果。 随着计算流体动力学( c f d ) 的发展，2 0 世纪8 0 年代，开发出c f d 与声学 混合的软件，用于计算流动引起的噪声和管道的流场和噪声。9 0 年代，一维三 维计算流体声场的软件逐步成熟。计算流体力学( c f d ) 在发动机领域的应用越来 越广，并逐步形成一个独立的发展分支，其中主要内容之一就是对发动机中的 4 气体流动进行综合数值模拟，现在c f d 在消声器内的应用也逐渐多起来。应用 一维非线性模型可以预测流动特性、多缸内燃机的容积效率、排气噪声、传递 损失、排气系统内的冲击波等参数。在实际的仿真模拟中，为了提高仿真的精 度，往往采用一维与三维相结合的计算流体力学模型对消声器内不定常流动进 行分析【6 】【7 1 ，同时预测发动机实际工况下消声器内部的压力损失和声学特性， 在样品制造之前，即可实现对消声器的预先优化。 进入2 1 世纪后，一些公司开始寻找噪声分析软件和其他性能分析软件之间 的沟通及通用性，建立“虚拟实验室”这样的软件。 1 2 3 国内的概况 国内对汽车噪声研究较晚，直到1 9 7 9 年我国颁布执行机动车标准后才开始 进行，并且工作重点侧重于实验研制。中国加入w t o 后，汽车工业面临着极大 的挑战，以及噪声法规日益严格的要求和激烈的市场竞争，引起了人们对噪声 控制的极大关注。不可否认的是，由于我国对机动车辆噪声控制的重视程度不 够，监控不严格，致使我国目前消声器的研究水平和技术水平与市场需求情况 非常不协调，研究单位少，投资少，开发能力差，产品技术性能低，至今产品 设计还停留在发达国家八十年代的水平。尽管如此，最近几年国内许多专家学 者作了不少的工作，并取得了许多研究成果； 康钟绪利用有限元软件a n s y s 以及声学软件s y s n o i s e 计算了两种穿i l 率相 同而孑l 径不同的穿孔管消声器的传递损失，通过比较发现孔径的大小对穿孔管 的影响主要集中在中频段i s 】。胡玉梅在不考虑气流速度和结构温度影响的条件 下推导了几种非基本声学子结构的声传递矩阵，并利用推导的各子结构声传递 矩阵，在m a t l a b 软件中编制消声器传递损失计算程序，为消声器的设计提供了 依据【9 1 。白书战等人针对传统排气消声器设计方法中存在的理论计算与实际实 验数据之间误差较大的问题，结合人工神经网络提出了一种排气消声器的优化 设计方法，利用该方法对初步实验后的数据进行处理，精确地找到要观察的各 个参数的可消声量、功率损失以及油耗之间函数的变化关系，避免了改进设计 的盲目性【1 0 】。宋艳冗等人考虑了发动机排气系统中气体的非定常流动，利用 g t p o w e r 软件建立了排气消声器和发动机的耦合仿真模型，对菜轿车的排气消 声器进行了设计，并模拟了整车加速排气噪声，该文献为我们进行降噪研究提 供了一个典型的例子 1 1 1 。翁红林对r 1 7 5 柴油机排气消声器进行正交实验，得 出各主要结构参数对消声器性能的影响程度，通过对原消声进行改进，使新消 声器消声性能有明显的提高，为设计消声器和改迸提供了依据i l “。刘晓玲开发 了一种计算机辅助消声器开发系统，利用建立的消声器三维模型对排气消声器 的插入损失进行计算，采用正交方法优化结构参数，并利用v b a 对a u t o c a d 进行 二次开发，实现了消声器结构图的自动绘制及编辑【l3 1 。詹樟松、张小燕利用 g t p o w e r 软件建立发动机整机模型，对进排气系统进行模拟和设计优化，验证 了几种主要的消声结构对进排气系统噪声的影响。值得一提的是对空气滤清器 进行了完整的建模，大大增加了模型的仿真精度。可见，g t - p o w e r 软件在进排 气系统设计中发挥着重要的作用f 1 4 】。陈海娥通过大量的实验分析了空气滤清器 以及赫姆霍兹谐振器对发动机性能以及噪声的影响 1 5 1 。林进修等研究了空气滤 清器插入管的长度对进气消声性能的影响，提出应按照发动机类型，给空气滤 清器配备合适的消声元件，是降低发动机进气噪声的最佳方法f 1 “。以上的研究 成果对我们进行发动机进排气系统的研究有着重要的意义。 通过总结国内外的概况，可以看出计算机仿真技术在汽车噪声控制中应用 十分广泛。在工程实际中，有许多问题是无法通过实际运行来加以研究的。采用 计算机仿真可在抽象的模型上反复进行“数值实验”，解决了真实实验难以解 决的问题，节约了成本，缩短了研究开发周期，为设计提供了理论依据。 1 3本文的课题来源及研究内容、目的 1 3 1 课题来源 本论文的课题来源于国家8 6 3 项目一一奇瑞a o 汽车发动机进排气噪声研究 与控制的子课题。 1 3 2 主要研究内容 本论文主要应用g t p o w e r 软件对轿车用发动机建模仿真，达到精度要求。 探讨进、排气系统结构参数变化对发动机噪声、动力性、经济性的影响，优化 进排气系统，通过仿真优化，提出进排气系统改进意见；同时对几种不同结构 消声器的声学特性进行分析。 本文主要研究内容： l 、建立发动机的仿真模型，将仿真结果与实验结果相比较，确定其模拟精 度达到实际要求。 2 、分析不同结构消声器的声学特性，找出规律，为进排气系统的优化提供 理论依据。 3 、针对发动机进排气噪声进行仿真，并提出优化方案，降低进排气噪声。 1 3 3 研究目的 l 、对不同结构消声器的消声性能进行模拟分析，得出扩张消声器、赫姆霍 兹消声器、1 4 波长管等不同消声结构的消声特性，总结出一些主要结构参数 对消声性能影响的规律。 2 、针对发动机的进排气系统进行优化，使发动机噪声能得到明显的改善。 6 第二章发动机整机建模 2 1 软件的功用 g tp o w e r 软件是美国的g t i( g a m - m at e c h n o l o g i e si n c ) 公司用现代计 算机技术和数值计算方法最新开发出的发动机性能模拟与仿真软件，被称为“虚 拟发动机”。它丰富的解析机能，准确的物理模型和简单而方便的建模方法，专 门用于发动机性能仿真，广泛应用于发动机的设计、开发等工作。该软件具有 丰富的物理模型和分析功能，使得它能够对各种发动机系统进行专业权威的性 能分析，是c a e 工程师真正的帮手和工具。 它可以用于发动机稳态( 进排气歧管设计和调整、气门升程曲线和正时的 优化、燃烧分析：计算压力、温度、放热率曲线等等) 和瞬态( 气缸部件的热 分析、增压器的响应等等) 仿真计算【1 7 儿1 8 】【1 9 儿2 们，也可以用于发动机动力系统 的控制系统分析。它适用于几乎所有形式的内燃机，同时用它的部件可以搭建 出用户设计的各种新型发动机。另外，将它与f l u e n t 、s t a r c d 等三维软件耦 合计算，可以实现某些零部件单元( 如进气管道、消声器等) 真实复杂三维尺 寸的模拟，提高了仿真精度以及与s i m u l i n k 、m o d e f r o n t i e r 、m s e x c e l 和 c h e m k i n 等的耦合使用进一步增强了它的功能。 该软件的模板库非常丰富，包括了流体元件、机械部件、分析工具和模拟 过程控制等能对发动机所有运行工况进行模拟所需要的元件和分析工具。流体 元件库包括进排气歧管、空气滤清器、喉管、进排气阀、气缸以及燃烧和换热 等的模型，机械部件库包括曲轴、凸轮以及传动系和整车等的模型，分析工具 库和模拟过程控制库则包括了信号发生器、传感器以及微积分、f f t 、压力损失、 传递损失和插入损失等的分析模型。g t p o w e r 软件系统提供一个与其它 g t s u i t e 系列产品( g t f u e l ，g t - c o o l ，g t d r i v e 等) 共用的前处理建模环境 g t i s e ，其中g t - f u e l 是一款通用型的液力系统仿真软件，特别适合于燃油喷 射系统和液压系统，多用于各种结构的喷油器设计；g t c o o l 主要用于发动机 热管理系统设计和分析；g t - d r i v e 是多用途的车辆或者驱动系统动力学分析的 工具；而g t c r a n k 则用于发动机曲轴动力学分析和曲轴机构设计；g t v t r a i n 用于配气机构的机械运动和摩擦分析。当建立发动机模型时只需将相应的模板 拷贝到g t - s u i t e 中形成对象，并给对象的属性赋值，再将这些对象连接起来进 行有机的集成，形成一个与实际发动机输入与输出相关的发动机仿真程序。软 件的前后处理方法简单明了，对于建立发动机模型的前处理，它采用了可视化 的模板，形象生动，数据的输入是具有知识与学习功能的，而且还提供实时的 帮助。可以在任一节点处进行输出设置，简单而方便。其后处理专门设计了一 个g t - p o s t 软件，能对输出的数据和图表进行各种分析处理，如图2 - 1 所示为 g t s u i t e 软件界面，右边为发动机的建模区。 图2 1g t s u i t e 软件界面 2 2 软件的基本原理 g t p o w e r 软件的基本思想是将发动机各系统进行模块化，将整体问题分散 处理，有针对性地对具体问题进行集中建模，这样既能考虑模型的多样性，又 能提高模型的精度。在对流体的处理上采用容积法将进排气管和气缸等串联起 来的容积离散成小的单元，单元之间由边界相连，这样不仅能考虑流体的非稳 态性，而且计算收敛快，精度高。其燃烧模型包括直喷柴油机的多区模型、基 于涡流火焰传播的火花点火发动机模型、直喷式汽油机燃烧模型、基于韦伯函 数放热率的汽油机模型和柴油机模型等多种型式。除了对熟流体进行计算外， 它还能充分地考虑曲轴、连杆、飞轮乃至于整车等机械部件对发动机性能的影 响。最后集成的模型成为一个有机的整体，因而它可以对发动机的非稳定工况 进行动态模拟。 g t p o w e r 软件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) 都以本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都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。 g t p o w e r 软件采用一维交错网络，基于一维气体动力学原理，在管路和其 相关模块中以流动和传热理论为基础，在特殊模块中应用液体流动和传热能力 分析理论。流动模型同时包括连续方程、动量方程和能量方程。作为一维算法， 设定所有的流体质量是均匀流动的。主要的变量参数是质量流量，密度和内能 总和。这个系统被离散为多段网格，其中接头处被离散为一段网格，管路可被 离散为一段或多段网格，这些网格通过边界相连接。位于网格中心标量在计算 中视为定值，主要的标量是密度和内能总和；辅助标量是压力，温度，焓值， 组分浓度。矢量在网格间的边界处计算。主要的矢量是质量流量，辅助矢量是 速度，质量分数流量等【2 1 1 ，如图2 2 、； 守i 。 a 图2 2 一维交错网格 相关原理方程如下： 连续方程： 能量方程： 焓方程： 动量方程： 百d m = m n x 耸 = z ( m f l x ，h ) + 蹬吣。) 生鱼： = ( 耻。厅h ) + v 案h g a ( t 拶t w 曲 d ( m n x ) d p a + ( m f l x * u ) - 4 c 乎警- c p 舀a i 一i 一 上式中m f l x 是边界处的质量流量：m 、p 分别为体积块内的质量、压力；e 和h 分别为总内能和焓值：p 是密度，a 是流通面积；h 。、c f 、c p 分别为传 热系数、表面摩擦系数、压力损失系数；u 为边界处的速度；d 是当量直径； d x 是边界处沿流动方向流体流过的厚度距离；d p 是经过d x 距离