利用DOE優化消音器聲學結構

周維,許亞峰

(華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧沈陽 110104)

0 引言

長久以來在消音器設計領域，傳統的優化方法是在多種設計方案中進行比較分析，或者是針對一套方案的某一結構進行優化。這樣不僅無法找到最優的設計方案，也受制于工程師的經驗，而且增加了開發成本。現代DOE(Design of Experiment)是一門以應用數學、統計學、計算機輔助建模為基礎的“基礎模型優化”的前沿科學，它通過科學地安排實驗方案，正確地分析實驗結果，盡快獲得最優方案[1]。

作者將DOE方法引入到消音器設計優化過程中，應用GT-Power建立發動機熱力學和聲學分析模型，利用DOE設計消音器聲學結構參數，迅速找出獨立變量和相關變量的關系，確定最優的消聲結構，大大縮短優化時間[2]。

1 原始消音器結構及存在的問題

在初始設計中，原排氣系統中、后消音器模型分別如圖1、圖2所示。通過整車測試，測得的排氣系統聲學特性與仿真結果對比如圖3—5所示。

圖1 中消音器結構

圖2 后消音器結構

圖3 尾口噪聲測試結果

圖4 尾口噪聲計算結果

圖5 排氣背壓計算結果(kPa)

從圖3、圖4可以看出:在3 000 r/min內尾管總聲壓級、2階及4階仿真結果與實際測試有很高的吻合度，特別是4階1 600～2 100 r/min范圍內超出目標線的峰值也可以從仿真中體現出來;6階、8階與實測值差異較大，原因在于軟件基于一維平面波理論開發、對于一些高頻噪聲計算有理論缺陷，搭建的發動機模型及排氣系統有幾何誤差。因此次測試的問題點已經從仿真中體現出來，所以這里也就不再對模型進行標定[3-4]。此次測試的冷端背壓為20 kPa，通過對模型的標定使背壓的仿真結果與實測值吻合，作為后續優化方案的對標模型來確保背壓在控制范圍內。

針對4階噪聲超出目標線的峰值，計劃在原方案的基礎上，采用模擬計算結合DOE的方法，對設計參數進行調整，以滿足NVH性能要求。

2 基于DOE的消音器參數化設計

2.1 排氣系統調音的變量

決定排氣系統聲學優劣主要有以下幾個方面：

(1)發動機的設計與標定。氣缸個數、排量、氣門升程曲線，排氣溫度、缸壓、點火時刻影響聲源的強度。

(2)Y-形管長度。V型發動機不同的Y-形管長度決定半階次和點火階次的等級。

(3)消音器和催化轉化器的容積。消音器和催化器的總容積是決定排氣系統插入損失最關鍵的因素。

(4)消音器的位置和數量。幾個小容積的消音器要比一個相同容積的消音器更好，因為消音器連接管路更短，產生駐波的概率降低。

(5)消音器內部設計。在以上條件的限制下，內部結構的設計決定哪些頻率被削弱或者通過，這也是調音最后的機會。

作者從以往項目經歷以及相關聲學理論中總結以下優化方向:(1)消音器容積增大可以提高中、低頻消聲性能；(2)排氣系統管道(消音器內以及連接管、尾管等)可以提高中、低頻消聲性能；(3)合理的赫爾姆茲共振腔參數可以提高中、低頻消聲性能；(4)赫爾姆茲共振腔壁上打幾個小孔，可以提高中、低頻(非共振腔消聲頻率)消聲性能；(5)排氣管道中增加堵頭時，可以提高中、低頻消聲性能；(6)尾管長度和走向影響中、低頻噪聲；(7)吸音材料的填充可以提高中、高頻消聲性能；(8)雙尾管可以提高中、高頻消聲性能；(9)部分穿孔消音器的消聲頻率隨穿孔率增大而增大。

2.2 中、后消音設計方案

此套排氣系統中消音器結構簡單，只起到輔助消聲作用，因此中消音器結構保持不變，只對后消音器結構進行優化。

在后消音器中，依據設計經驗選取L、D1、D2為可變參數，如圖6所示，可變參數變化范圍見表1。

圖6 后消音器結構

表1 可變參數范圍 mm

根據DOE設計原則，取各因素最高、最低水平共進行了27次試驗，布點方式如表2所示。在GT-Power軟件的DOE模塊中可一次完成所有試驗的仿真。

表2試驗組合方案

2.3 GT-Power計算結果

DOE的計算是針對每個轉速下不同因素組合的計算結果，這里作者選擇問題轉速2 000 r/min的計算結果。從圖7、圖8中可以看出D1=51 mm、D2=45 mm、L=70 mm時4階聲壓級最低，是此次計算的最優方案。針對該方案作者單獨做一次全轉速下噪聲水平(見圖9)，同時采用定常流分析法預測管徑變細帶來的壓力損失，冷端背壓預計升高為22 kPa[5]。

圖10為消音器幾何參數D1、D2、L以及它們的二次項和交互項對消聲量的影響，其中D1對結果影響較小，在后期優化過程中可忽略D1。

圖7 L與D1因數2 000 r/min下4階噪聲

圖9 尾管噪聲計算結果

圖10 消音器參數主效應圖(2 000 r/min)

3 整車測試結果

優化方案搭載整車測試，測試條件為3擋-WOT，距離尾口500 mm(45°)，測試結果如圖11所示，所有曲線均在目標值以下，其中全階、二階、四階的仿真結果與實測結果也比較吻合，證明了該發動機模型和優化方法在排氣噪聲開發過程中有足夠的精度和可操作性。

圖11 尾管噪聲測試結果

4 結論

(1)仿真結果的問題重現，是解決實際問題的前提，在關鍵問題點和聲學趨勢上如果與實際問題吻合便可以確定優化方向及聲學方案篩選。

(2)排氣系統背壓測試在發動機臺架進行，噪聲測試在整車上完成，以實際工程經驗來看，兩者的冷端入口溫度有很大差異，所以文中背壓計算采用定常流分析法[5]，輸入臺架實測溫度和流量，計算結果準確度極高。

(3)DOE設計方法雖然可以一次完成所有計算，但也存在計算量過大、周期較長等缺點，后期可根據計算結果確定各參數貢獻量，提高優化效率。

參考文獻:

[1]袁志發，周靜芋.試驗設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]倪計民，解難，杜倩穎，等.基于DoE的車用消音器優化設計[J].汽車技術，2012(3):22-26.

NI J M,XIE N,DU Q Y,et al.Optimization Design of Vehicle Muffler Based on DoE[J].Automobile Technology,2012(3):22-26.

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

[4]許亞峰，周維，劉兵，等.某發動機排氣系統尾管噪聲優化[J].汽車實用技術，2017(10):25-28.

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[5]許亞峰，周維.一種排氣背壓的計算方法[J].汽車零部件，2017(4):25-28.

XU Y F,ZHOU W.A Kind of Calculation Method for Exhaust Back Pressure[J].Automobile Parts,2017(4):25-28.