基于DOE的排气系统背压设计优化

段雨蒙，王文龙，李华雷，李新炯

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

0 引言

某SUV车型在研阶段排气系统总成背压测试为32.2 kPa，不满足企标中规定：要求背压值不大于26 kPa。排气背压是排气系统设计的关键设计目标之一，其值大小直接影响发动机的功率损失和排气系统的噪声水平。排气背压过大使得发动机排废气消耗的功率增加，造成功率损失比变大，影响发动机的功率输出从而使油耗增加；而排气背压过小将导致发动机在低转速工况下的扭矩减小，从而导致车辆低转速时动力不足，引起顾客抱怨[1]。因此，设计合理的背压来降低油耗并提高发动机的动力性，是整车厂一直研究的重要课题。从目前研究的成果来看，影响排气背压的因素主要有管路走向、管径大小、消声器筒体结构等[2]。

1 背压设计验证

1.1 产品性能参数确定

为了使消声器排气顺畅，要求在发动机额定功率和对应转速工况下，测得消声器最大背压值不大于26 kPa。考虑到发动机标定，需求消声器总成背压值介于24～26 kPa之间。由于设计过程中探测系统为CFD仿真分析和冷流试验，顾客在消声器验收阶段测量值与台架背压测试之间存在-2 kPa误差，故确定消声器设计目标值为22～24 kPa。

统计以往采用该车型所用发动机，此发动机的各车型输入参数如表1所示，为了保证消声器总成在最恶劣环境下背压值能够达标，故选取各车型额定功率和相对应转速工况下的质量流量和温度最大值，即：质量流量780 kg/h、副消声器温度850 ℃、主消声器温度700 ℃进行设计验证与测量系统分析。

表1 发动机项目输入参数统计表

1.2 测量系统分析

按照GB/T 18297-2001《汽车发动机性能测试方法》中规定设置排气背压测量点，即离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口75 mm处，在排气连接管内部进行测量，压力传感器的测量需与管内壁平齐，消声器背压测试系统测试误差不超过0.2 kPa。目前主要测试手段有两种：

(1)借助流体仿真分析软件，采用数值计算方法直接求解流动主控方程以发现各种流动现象。通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量获得流场的数值解；不存在计算误差，因此可以保证测量系统的可接受性。

(2)使用Super Flow SF-1020冷流试验机在常温环境下精确模拟发动机工况，对排气系统在不同流量下进行重复性与再现性分析，测量系统可接受[3]。

1.3 产品功能解析

消声器总成由副消声器分总成、消声器连接管、主消声器分总成三大部分组成(见图1)，由背压的定义可知三部分结构对排气流动均有阻碍作用，即均会影响背压值大小。通过消声器总成背压组成图(见图1)确定消声器总成背压受内芯管管径Y1-1、内芯管对正面积Y1-2等因子影响(详见表2)。

图1 消声器总成背压组成图

序号符号符号意义序号符号符号意义1Y1-1内芯管管径6Y2-2连接管二管径2Y1-2内芯管对正面积7Y2-3弯管半径3Y1-3内芯管孔数8Y3-1内进气管管径4Y1-4隔板孔数9Y3-2内中间管管径5Y2-1连接管一管径10Y3-3内出气管管径

2 背压设计优化

经探测，现有结构副消分总成背压值Y1为19.18 kPa，连接管背压值Y2为1.18 kPa， 主消声器分总成背压值Y3为11.57 kPa。副消分总成背压值最大，故针对副消分总成进行结构优化。一般副消声器的体积较小，主要采用阻性消声结构来消减中高频噪声，由于结构简单，背压一般不做特殊调整，以便将更多的背压空间留给主消声器来设计内部结构满足降噪的目标。由影响副消声器分总成背压的结构因素确定因子水平[4]，详见表3；采用正交试验法对副消声器分总成背压方案进行设计验证，结果见表4,分析见图2。

表3 副消分总成因子水平表

表4 副消分总成背压探测方案及结果

图2 副消DOE背压探测分析(数据均值)

从图2中得出：影响副消分总成背压值Y1大小的因素依次为： 内芯管对正面积Y1-2、内芯管管径Y1-1、内芯管孔数Y1-3、隔板孔数Y1-4。经过以上探测确定方案9背压最小，背压值为2.84 kPa，与原方案相比背压值降低16.34 kPa。

经过以上分析，副消声器分总成为背压超标的主要因素，而内芯管对正面积Y1-2与副消分总成背压值为强负相关，将原方案中内芯管对正面积调整至100%，背压值降至2.84 kPa，总成背压值降至15.59 kPa(Y=Y1+Y2+Y3=2.84+1.18+11.57=15.59 kPa)，距设计目标22～24 kPa存在足够的背压余量，满足后期设计主消声器内部结构以实现降噪的目标。

3 结论

通过试验分析和模拟分析相结合的手段改进消声器的结构，通过DOE探测找到影响排气背压的主要因素，并分析得出该因素与背压值的关系，从而为其他车型在设计阶段开展对排气背压的结构优化明确方向，进一步缩短了研发周期和减少了经费投入。

参考文献:

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HUANG G H,ZHANG Y T,XIE Z Q,et al.Influence of the Internal Structure of Car Muffler on Back Pressure and Fuel Consumption[J].Automobile Technology,2014(5):5-8.

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