基于DOE的排氣系統(tǒng)背壓設(shè)計(jì)優(yōu)化

段雨蒙，王文龍，李華雷，李新炯

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 引言

某SUV車型在研階段排氣系統(tǒng)總成背壓測(cè)試為32.2 kPa，不滿足企標(biāo)中規(guī)定：要求背壓值不大于26 kPa。排氣背壓是排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，其值大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失和排氣系統(tǒng)的噪聲水平。排氣背壓過大使得發(fā)動(dòng)機(jī)排廢氣消耗的功率增加，造成功率損失比變大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出從而使油耗增加；而排氣背壓過小將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下的扭矩減小，從而導(dǎo)致車輛低轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力不足，引起顧客抱怨[1]。因此，設(shè)計(jì)合理的背壓來(lái)降低油耗并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，是整車廠一直研究的重要課題。從目前研究的成果來(lái)看，影響排氣背壓的因素主要有管路走向、管徑大小、消聲器筒體結(jié)構(gòu)等[2]。

1 背壓設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1.1 產(chǎn)品性能參數(shù)確定

為了使消聲器排氣順暢，要求在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速工況下，測(cè)得消聲器最大背壓值不大于26 kPa?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，需求消聲器總成背壓值介于24～26 kPa之間。由于設(shè)計(jì)過程中探測(cè)系統(tǒng)為CFD仿真分析和冷流試驗(yàn)，顧客在消聲器驗(yàn)收階段測(cè)量值與臺(tái)架背壓測(cè)試之間存在-2 kPa誤差，故確定消聲器設(shè)計(jì)目標(biāo)值為22～24 kPa。

統(tǒng)計(jì)以往采用該車型所用發(fā)動(dòng)機(jī)，此發(fā)動(dòng)機(jī)的各車型輸入?yún)?shù)如表1所示，為了保證消聲器總成在最惡劣環(huán)境下背壓值能夠達(dá)標(biāo)，故選取各車型額定功率和相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速工況下的質(zhì)量流量和溫度最大值，即：質(zhì)量流量780 kg/h、副消聲器溫度850 ℃、主消聲器溫度700 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證與測(cè)量系統(tǒng)分析。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 測(cè)量系統(tǒng)分析

按照GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試方法》中規(guī)定設(shè)置排氣背壓測(cè)量點(diǎn)，即離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管出口或渦輪增壓器出口75 mm處，在排氣連接管內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，壓力傳感器的測(cè)量需與管內(nèi)壁平齊，消聲器背壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試誤差不超過0.2 kPa。目前主要測(cè)試手段有兩種：

(1)借助流體仿真分析軟件，采用數(shù)值計(jì)算方法直接求解流動(dòng)主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量獲得流場(chǎng)的數(shù)值解；不存在計(jì)算誤差，因此可以保證測(cè)量系統(tǒng)的可接受性。

(2)使用Super Flow SF-1020冷流試驗(yàn)機(jī)在常溫環(huán)境下精確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況，對(duì)排氣系統(tǒng)在不同流量下進(jìn)行重復(fù)性與再現(xiàn)性分析，測(cè)量系統(tǒng)可接受[3]。

1.3 產(chǎn)品功能解析

消聲器總成由副消聲器分總成、消聲器連接管、主消聲器分總成三大部分組成(見圖1)，由背壓的定義可知三部分結(jié)構(gòu)對(duì)排氣流動(dòng)均有阻礙作用，即均會(huì)影響背壓值大小。通過消聲器總成背壓組成圖(見圖1)確定消聲器總成背壓受內(nèi)芯管管徑Y(jié)1-1、內(nèi)芯管對(duì)正面積Y1-2等因子影響(詳見表2)。

圖1 消聲器總成背壓組成圖

序號(hào)符號(hào)符號(hào)意義序號(hào)符號(hào)符號(hào)意義1Y1-1內(nèi)芯管管徑6Y2-2連接管二管徑2Y1-2內(nèi)芯管對(duì)正面積7Y2-3彎管半徑3Y1-3內(nèi)芯管孔數(shù)8Y3-1內(nèi)進(jìn)氣管管徑4Y1-4隔板孔數(shù)9Y3-2內(nèi)中間管管徑5Y2-1連接管一管徑10Y3-3內(nèi)出氣管管徑

2 背壓設(shè)計(jì)優(yōu)化

經(jīng)探測(cè)，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)副消分總成背壓值Y1為19.18 kPa，連接管背壓值Y2為1.18 kPa， 主消聲器分總成背壓值Y3為11.57 kPa。副消分總成背壓值最大，故針對(duì)副消分總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一般副消聲器的體積較小，主要采用阻性消聲結(jié)構(gòu)來(lái)消減中高頻噪聲，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，背壓一般不做特殊調(diào)整，以便將更多的背壓空間留給主消聲器來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿足降噪的目標(biāo)。由影響副消聲器分總成背壓的結(jié)構(gòu)因素確定因子水平[4]，詳見表3；采用正交試驗(yàn)法對(duì)副消聲器分總成背壓方案進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，結(jié)果見表4,分析見圖2。

表3 副消分總成因子水平表

表4 副消分總成背壓探測(cè)方案及結(jié)果

圖2 副消DOE背壓探測(cè)分析(數(shù)據(jù)均值)

從圖2中得出：影響副消分總成背壓值Y1大小的因素依次為： 內(nèi)芯管對(duì)正面積Y1-2、內(nèi)芯管管徑Y(jié)1-1、內(nèi)芯管孔數(shù)Y1-3、隔板孔數(shù)Y1-4。經(jīng)過以上探測(cè)確定方案9背壓最小，背壓值為2.84 kPa，與原方案相比背壓值降低16.34 kPa。

經(jīng)過以上分析，副消聲器分總成為背壓超標(biāo)的主要因素，而內(nèi)芯管對(duì)正面積Y1-2與副消分總成背壓值為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，將原方案中內(nèi)芯管對(duì)正面積調(diào)整至100%，背壓值降至2.84 kPa，總成背壓值降至15.59 kPa(Y=Y1+Y2+Y3=2.84+1.18+11.57=15.59 kPa)，距設(shè)計(jì)目標(biāo)22～24 kPa存在足夠的背壓余量，滿足后期設(shè)計(jì)主消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)降噪的目標(biāo)。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析和模擬分析相結(jié)合的手段改進(jìn)消聲器的結(jié)構(gòu)，通過DOE探測(cè)找到影響排氣背壓的主要因素，并分析得出該因素與背壓值的關(guān)系，從而為其他車型在設(shè)計(jì)階段開展對(duì)排氣背壓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化明確方向，進(jìn)一步縮短了研發(fā)周期和減少了經(jīng)費(fèi)投入。

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