一種排氣背壓的計算方法

許亞峰，周維

(華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧沈陽 110104)

一種排氣背壓的計算方法

許亞峰，周維

(華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧沈陽 110104)

應用GT-Power軟件，建立某排氣系統的一維計算模型，利用EndFlowInlet模塊，快速計算排氣系統背壓并與臺架試驗結果進行對比。試驗結果表明，用該計算方法能夠快速準確地計算出排氣背壓。

排氣系統；背壓；GT-Power軟件

0 引言

發動機排氣系統的主要功能是順利地將廢氣排出、降噪。在排氣系統的開發過程中，排氣背壓是關鍵的設計目標之一，排氣背壓的大小直接影響著發動機的功率損失和噪聲水平。

作者提出一種排氣系統背壓的開發方法，該方法通過建立排氣系統的三維模型，并離散成一維模型，利用其中EndFlowInlet模塊迅速建立背壓計算模型，對排氣系統背壓進行預測，由于該方法不需要建立發動機模型，計算過程中采用一維動力學仿真，所以整個計算過程非常快。

1 排氣背壓對發動機性能的影響

1.1 不同的排氣背壓下發動機性能數據

為了驗證排氣背壓對某發動機性能的影響，分別制作兩套排氣系統，背壓分別是51.4、48 kPa。搭載到發動機臺架試驗進行性能測試，來驗證排氣背壓對功率、扭矩、燃油消耗率的影響。一催前測量點背壓如圖1所示。

圖1 一催前測量點背壓

不同背壓下發動機功率、扭矩、燃油消耗量分別如圖2—4 所示。

圖2 不同背壓下發動機功率圖

圖3 不同背壓下發動機扭矩圖

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動機性能影響很大，在額定功率點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，這對于發動機性能的影響是不可忽略的。開發階段非常有必要計算和優化排氣背壓。

2 排氣背壓計算

2.1 排氣系統模型的建立

一維動力學仿真軟件中的GEM3D專門用于建立復雜結構的三維模型。利用該模塊建立了完整的排氣系統模型(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算準確的前提，壓力損失通常發生在截面變化的位置，如消音器或管路連接處等。

圖5 排氣系統的建模和離散

2.2 計算理論

在GT-Power中有一個標準模塊EndFlowInlet專門用于計算部件壓損，該對象描述了一個邊界條件，它將流量引入或流出附加的流動組件。流體的流速可以指定為體積流量、質量流量或流速。當使用此模板時，該模塊實際上計算在滿足用戶指定的流量所需的邊界處的壓力，所以只要知道發動機排氣口的質量流量和溫度就可以計算排氣系統背壓。

需要特別注意的是，如果用戶指定不適合系統的流量，這可能會導致穩定性問題。例如，如果一個巨大的流量被指定去通過一個小的管孔、閥等，然后在EndflowInlet的壓力和任何上游流組件會升得很快；最終，密度或馬赫數將增加足以滿足指定的流量，但所得到的流體狀態可能是錯誤的流體性能，從而導致非常快速的壓力增加。

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

(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。

如果壓力損失系數設為預定義，彎管或錐管造成的壓力損失自動估算。計算出的壓力損失系數被保存為RLT變量，可以在RLT后處理再看到。計算結果綜合了各種數據，但沒有考慮管壁摩擦。管壁摩擦是被單獨計算的。壓力損失系數沒有考慮由于突然收縮或膨脹引起的壓力損失。在孔里的流量系數模擬此損失[1]。

2.3 計算模型的建立

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

圖6 排氣背壓一維計算模型

參數幾何尺寸目數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置為0.25 μm，計算壁溫時要用到內部熱傳遞、外部熱傳遞、管壁的比熱容和初始壁溫，設置如圖7—10所示。

圖7 各管路main參數設置

圖8 壁溫求解參數設置

圖9 EndFlowInlet參數設置

圖10 運行設置

EndFlowInlet中兩個主要參數——排氣質量流量和溫度按照實際值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模板設置。運行設置中采用以時間為步長的計算方式，計算時長2 s，質量流量收斂的誤差率設置為0.2%，壓力收斂誤差率設置為1%，如果計算結果不收斂可以提高計算時長來達到穩態。

2.4 計算結果及驗證

按照以上設置，運行計算模型得到的壓力云圖結果如圖11所示。

圖11 壓力云圖

最終計算的背壓為51kPa@493kg/h,從結果中也可以得出各段的壓力損失，如果得到排氣系統入口質量流量隨發動機轉速的函數變化，可以得到一條不同轉速下排氣系統的背壓曲線(見圖12)，計算的排氣背壓在額定功率轉速下較實測值高出1.7 kPa，計算精度誤差在3%左右，能夠有效地支持排氣系統背壓的開發。

圖12 排氣背壓計算值和實測值對比

3 結論

(1)通過不同排氣背壓對發動機性能影響的試驗結果可知，排氣背壓是影響發動機動力經濟性關鍵設計目標。

(2)該計算方法不需要建立復雜的發動機模型，操作簡便實用性強。

(3)GT-Power具有足夠的精度來滿足排氣背壓目標開發要求，同時因為是一維軟件，網格處理方便、計算速度快，可以實現排氣背壓的快速預測。

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

【2】馬少康，梁濤，蘇艷君，等.排氣背壓對發動機性能影響的研究[J].小型內燃機與摩托車,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，工學學士，助理工程師，研究方向為排氣系統NVH設計方向。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