醇氢动力汽车排气消声器声学性能模拟仿真

0 引言

醇氢动力汽车与传统动力汽车有着不一样的发动机燃油系统结构参数、燃料成分比例及排气特性，故其排气消声性能和空气动力性能必然与传统动力汽车有所差异。可见，现有排气消声器扩张比的大小、扩张腔的长度、插入管的长度等参数无法刚好适用于醇氢动力汽车。目前国内外尚未针对专用于醇氢动力汽车的消声器作深入研究，因此对醇氢动力汽车排气消声器进行性能分析和优化设计研究是很有必要的。

应用模拟仿真的方法进行消声器性能分析和优化设计，可缩短设计周期、降低设计开发成本，且结果可靠[1-3]。因此论文运用GT-Power仿真软件，对醇氢动力汽车的排气消声器进行数值模拟仿真，为后期进行醇氢动力汽车排气消声器的优化设计提供依据。

1 GT-Power仿真模型的建立

分别在GT-Power和GT-Muffler中建立发动机工作过程模型和消声器三维几何模型。再将排气消声器的离散化模型并与发动机模型进行耦合，建立消声器性能仿真分析计算模型。

1.1 发动机模型的建立

在GT-Power软件中建立醇氢动力汽车发动机模型，所需要的一些结构参数如表1所示。

表1

这些基本参数是发动机模型建立的基础，建模中还会用到其他各种具体尺寸和技术数据，在此不作详细介绍。在GT-Post后处理中可以查看模拟结果，观察到发动机功率曲线如图1所示。

图1 扭矩曲线

从图1的扭矩曲线随转速的变化情况，可以大致了解此款醇氢动力汽车发动机的工作状况，曲线基本符合了醇氢发动机的工作特性，大致验证了此模型的合理性。

1.2 消声器模型的建立

这款醇氢动力汽车消声器是不锈钢结构的抗性消声器，其内部有三个消声腔，左右两个腔容积相等。建立该消声器的三维模型。基于GT-Muffler建立的消声器视图和三维立体模型如图2所示。

接下来，把建立好的消声器三维模型导入GT—ISE，软件系统会将其转化为离散化模型。

2 排气消声器声学性能模拟计算

论文主要从传递损失、插入损失、降噪量三个指标来进行评价。

图2 基于GT-Muffler的消声器视图

2.1 传递损失测试平台搭建及计算

建立消声器传递损失计算平台，将各个模块设置完毕后，在工程图中组装到一起，搭建好仿真模型。仿真计算求得的传递损失如图3所示。

图3 醇氢动力汽车排气消声器的传递损失

对于频率在400Hz以下的噪声，传递损失值较小，未达到30dB，消声效果不太理想。700Hz以后，由于噪声频率增大，传递损失值大致上随着降低。这款消声器在700Hz至1000Hz的频率范围内的传递损失值也比较合格，绝大部分的值在30dB以上，基本上满足消声需求。但从此图中也可明显看出，在700Hz左右时，传递损失值出现很大的回落，从60dB直降到37dB，这说明此处的消声效果不理想。总的说来，此消声器的传递损失值达到了消声的要求，消声性能比较好。

2.2 插入损失测试平台搭建及计算

把消声器模型与发动机模型耦合起来，进行运行设置，得出计算结果，转速为5500r/min时两种情况下的噪声声压级对比如图4所示。

对于0至200Hz的低频噪声来说，插入损失值在7dB和22dB之间，大致上随着频率一起增大。噪声频率在450Hz至1080Hz之间时，插入损失值一般在20dB到40dB之间，在消声理论上说，是比较理想的，较好满足消声需求。噪声频率在1080Hz以上时，插入损失的峰值在不断起伏中逐渐减小，从40dB逐渐降到16dB，而谷值从15dB逐渐降到0左右，消声性能明显一般，甚至较弱。该消声器仍有可改进的空间，对高频噪声的消声效果有待改进。

图4醇氢动力汽车消声器插入损失图

2.3 耦合消声器的排气噪声频谱分析

图5 和图6分别为发动机耦合消声器前后的排气总噪声及不同阶次的噪声特征情况。

图5 耦合前总噪声与阶次噪声随转速的变化

图6 耦合后总噪声与阶次噪声随转速的变化

不同转速下的噪声值在安装消声器后都有所下降。在转速为5500r/min时最多下降了23.6dB，在转速为1500r/min时最少下降了约4.75dB，安装消声器后噪声值的下降幅度在4.75dB和23.6dB之间，即消声器对噪声的降低起到了一定程度的作用。此外，该消声器对不同阶次的噪声都有一定的消声效果，其中对1阶噪声效果较差，对8阶噪声的降噪效果最好。

3 结论

基于GT-Power对某款醇氢动力汽车的排气消声器的消声性能进行了仿真研究，结论是：

①在传递损失评价指标方面：对于频率在400Hz以下的噪声，消声效果不太理想。但是绝大部分频率范围的传递损失值在30dB以上，满足消声需求。总的说来，此消声器的传递损失值达到了消声的要求。

②在插入损失评价指标方面：插入损失值随着频率是不断起伏的，对某一频率范围的噪声消声效果不够稳定。但整体上体现了抗性消声器对高频噪声的消声性能较差。

③在三分之一倍频程的降噪量指标方面：在各种工作转速下，对于40Hz至1500Hz范围内的噪声，消声器都能有效地起到降低噪声的作用，尤其是频率集中在100Hz至1000Hz的噪声，绝大部分频率噪声的三分之一倍频程的降噪量在20dB以上，基本符合抗性消声器对于低频噪声的良好降噪效果的特性。