專利名稱：一種對(duì)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性預(yù)測(cè)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具內(nèi)燃機(jī)測(cè)試技術(shù)，具體涉及一種對(duì)柴油機(jī)微粒過濾器的消聲性能進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。
背景技術(shù)：
目前大氣中可吸入顆粒物的增多已成為環(huán)境污染的突出問題，因此近年來對(duì)車用柴油機(jī)微粒排放的限制越來越嚴(yán)格，為了滿足柴油機(jī)微粒排放法規(guī)的嚴(yán)格要求，除了采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和電控等手段優(yōu)化柴油機(jī)本身設(shè)計(jì)外，還需要使用柴油機(jī)廢氣后處理裝置——微粒過濾器。微粒過濾器的使用又帶來新的問題，使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣聲學(xué)特性發(fā)生變化。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理裝置的聲學(xué)特性研究始于1988年，當(dāng)時(shí)Glav等把Morse和Ingard的無均勻流的窄管理論與Singhal的均勻流寬管理論相結(jié)合推導(dǎo)了蜂窩結(jié)構(gòu)的兩部分聲學(xué)模型，這種方法其實(shí)不適合很細(xì)的蜂窩管。后來E.Dokumaci采用ZwikkerKosten理論并考慮疊加的均勻流，把Zwikker Kosten理論加以延伸成功的建立了三元催化轉(zhuǎn)換器的聲學(xué)模型。Sabry Allan和Mats Abom于2002年建立了柴油機(jī)微粒過濾器的一維數(shù)學(xué)模型，在模型中忽略了聲波在過濾器中的傳播，把過濾器簡單地看成是一個(gè)聲阻原件，這種模型在波長遠(yuǎn)大于過濾器單元長度的低頻范圍比較有效，但通常在冷態(tài)下200-300Hz和工作狀態(tài)下的400-600Hz，以及在600Hz以上的頻率范圍內(nèi)誤差較大。2003年他們參考Dokumaci的三元催化器聲學(xué)模型，考慮波在單元管中的傳播和管壁邊界條件，進(jìn)一步改善了計(jì)算微粒過濾器聲學(xué)的數(shù)學(xué)模型，并提高了計(jì)算微粒過濾器冷態(tài)條件下數(shù)學(xué)模型的精度。
目前有關(guān)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性研究的內(nèi)容主要集中在如何預(yù)測(cè)冷態(tài)下廢氣微粒過濾器的聲學(xué)特性。然而接入發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒過濾器是在熱態(tài)下工作的，冷態(tài)下預(yù)測(cè)的廢氣微粒過濾器的聲學(xué)特性并不足以正確反映工作狀態(tài)下廢氣微粒過濾器的聲學(xué)特性。另一方面，目前有關(guān)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性的預(yù)測(cè)方法主要適用于頻率低于1000Hz的低頻段，中高頻段誤差較大，因此還不足以指導(dǎo)技術(shù)人員對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)微粒過濾器的聲學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
以下結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的方法和測(cè)試步驟進(jìn)行說明。本發(fā)明的測(cè)試部分包括排氣管1、微粒過濾器2、尾管3、溫度傳感器4、壓力傳感器5、渦輪機(jī)6、發(fā)動(dòng)機(jī)本體7、電力測(cè)功機(jī)8。對(duì)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性預(yù)測(cè)的方法，是由兩個(gè)溫度傳感器和兩個(gè)壓力傳感器分別測(cè)取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣狀態(tài)參數(shù)，利用聲學(xué)分析軟件SYSNOISE計(jì)算獲得微粒過濾器進(jìn)出口聲壓和速度，其數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布置和計(jì)算的具體方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)a.在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路1與微粒過濾器2之間設(shè)置第一個(gè)溫度傳感器4-1和第一個(gè)壓力傳感器5-1；在微粒過濾器2與尾管3之間設(shè)置第二個(gè)溫度傳感器4-2和第二個(gè)壓力傳感器5-2。溫度傳感器4-1與壓力傳感器5-1采集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路1同一點(diǎn)的信號(hào)；溫度傳感器4-2與壓力傳感器5-2采集微粒過濾器2出口同一點(diǎn)的信號(hào)。由溫度傳感器4-1測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度t4；由溫度傳感器4-2測(cè)得經(jīng)微粒過濾器2后的排氣溫度t6；由壓力傳感器5-1測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力p5；由壓力傳感器5-2測(cè)得經(jīng)微粒過濾器2后的排氣壓力p7。以t0=t4+t62]]>作為排氣平均溫度，p0=p5+p72]]>作為排氣平均壓力。由公式c0=γRμt0]]>得到聲速c0；由公式ρ0=p0μRt0]]>得到排氣平均密度。式中γ為絕熱指數(shù)，R＝8.31J/K·mol為氣體常數(shù)，μ＝29×10-3kg/mol為空氣莫爾量。
b.由SYSNOISE得到的兩組微粒過濾器2的進(jìn)、出口聲壓(pci，pco，psi，pso)和兩組進(jìn)、出口質(zhì)點(diǎn)速度(vci，vco，vsi，vso)，由公式T=T11T12T21T22]]>得到微粒過濾器2的傳遞矩陣，其中T11=pcipco,T12=psivso,T21=vcipco,T22=vsivso.]]>因?yàn)镾YSNOISE的計(jì)算是不考慮粘性的，因此要對(duì)T進(jìn)行粘性修正。粘性修正矩陣為R=S1100S22.]]>c.由公式T′=T11′T12′T21′T22′=T11T12T21T22S1100S22]]>得到粘性修正后的微粒過濾器2傳遞矩陣，式中S11＝S22＝exp(al0)，α=2a0c0γηωρ0,a0=8kw/φ,]]>l0為過濾層厚度，φ為過濾層孔隙率，kw為過濾層滲透率，η為動(dòng)力粘度，ω圓頻率。
d.由公式IL=20log10(|P0.b|P0.a|)=20log10(|e1z+f1e2z+f2|),]]>計(jì)算得到微粒過濾器2的插入損失，其中z=Z0ρ0c0,]]>c1d1e1f1=A1B1C1D1T11′T12′SiSl1T21′SiSl1T22′A2B2S12SoC2S12SoD2]]>為加微粒過濾器時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)后排氣系統(tǒng)的傳遞矩陣，Sl1為排氣管截面積，Si為微粒過濾器入口端開口截面積，So為微粒過濾器出口端開口截面積，Sl2為尾管截面積，Z0為排氣管出口處的聲阻抗率。
c2d2e2f2=A1B1C1D1A2B2S12Sl1S12Sl1D2]]>為不加微粒過濾器時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)后排氣系統(tǒng)的傳遞矩陣。
A1B1C1D1]]>是從渦輪機(jī)6(增壓器)的出口到微粒過濾器2前端的排氣管路1的傳遞矩陣，A2B2C2D2]]>是微粒過濾器2后端尾管3的傳遞矩陣。微粒過濾器2所在系統(tǒng)位置如圖1所示。
利用聲學(xué)分析軟件SYSNOISE進(jìn)行計(jì)算，在出口處定義邊界條件時(shí)，需定義兩次邊界條件(A)末端封閉邊界條件(即阻抗值無限大，此時(shí)阻抗值應(yīng)設(shè)的很大，例如設(shè)為1000000)；(B)末端短路邊界條件(即阻抗值很小，此時(shí)阻抗值應(yīng)設(shè)的很小，例如設(shè)為0.000001)。
通過SYSNOISE分別對(duì)這兩種邊界條件進(jìn)行計(jì)算，可以得到末端封閉邊界條件時(shí)，微粒過濾器的進(jìn)口狀態(tài)矩陣(聲壓pci，質(zhì)點(diǎn)速度vci)、出口狀態(tài)矩陣(聲壓pco，質(zhì)點(diǎn)速度vco)。
末端短路邊界條件時(shí)，微粒過濾器的進(jìn)口狀態(tài)矩陣(聲壓psi，質(zhì)點(diǎn)速度vsi)、出口狀態(tài)矩陣(聲壓pso，質(zhì)點(diǎn)速度vso)。


圖1為本發(fā)明排氣系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)圖。其中1-排氣管；2-微粒過濾器；3-尾管；4-溫度傳感器；5-壓力傳感器；6-渦輪機(jī)；7-發(fā)動(dòng)機(jī)；8-電力測(cè)功機(jī)。
圖2為本發(fā)明計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體方法作進(jìn)一步的說明。按圖1所示進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)本體7和排氣管路1之間設(shè)置渦輪機(jī)6，排氣管路后串接微粒過濾器2、尾管3，溫度傳感器4、壓力傳感器5分設(shè)微粒過濾器2兩側(cè)。在發(fā)動(dòng)機(jī)本體前設(shè)置電力測(cè)功機(jī)8，用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)工況。兩個(gè)溫度傳感器4-1、4-2和兩個(gè)壓力傳感器5-1、5-2各距微粒過濾器2的軸向距離為20mm。如圖1所示對(duì)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到排氣密度ρ0＝0.53kg/m3，聲速c0＝548m/s，排氣溫度t0＝828K。考慮到微粒過濾器的對(duì)稱性，本實(shí)施例對(duì)微粒過濾器的四分之一進(jìn)行計(jì)算。微粒過濾器2長度382mm，孔道邊長2.25mm，過濾層的厚度為l0＝0.43mm，直徑170mm，直徑簡化為50mm(此時(shí)其相對(duì)計(jì)算誤差小于6％，直徑越接近實(shí)際，相對(duì)誤差越小，但是計(jì)算量也越大)。將模型導(dǎo)入SYSNOISE中，依據(jù)排氣狀態(tài)設(shè)定材料屬性，出口阻抗邊界條件分別設(shè)定為1000000和0.000001，在200～5000Hz的頻率范圍內(nèi)，步長20Hz，利用前述方法進(jìn)行計(jì)算，可以得到(A)出口阻抗邊界條件為1000000時(shí)，微粒過濾器的進(jìn)口狀態(tài)矩陣(聲壓pci，質(zhì)點(diǎn)速度vci)、出口狀態(tài)矩陣(聲壓pco，質(zhì)點(diǎn)速度vco)。
(B)出口阻抗邊界條件為0.000001時(shí)，微粒過濾器的進(jìn)口狀態(tài)矩陣(聲壓psi，質(zhì)點(diǎn)速度vsi)、出口狀態(tài)矩陣(聲壓pso，質(zhì)點(diǎn)速度vso)。則此微粒過濾器傳遞矩陣為T=T11T12T21T22,]]>其中T11=pcipco,T12=pstvso,T21=vctpco,T22=vstvso.]]>粘性修正矩陣為S=S1100S22,S11=S22=exp(αl0),]]>
α=2a0c0γηωρ0]]>a0=8kw/φ]]>l0為過濾層厚度，γ為絕熱指數(shù)，φ為過濾層孔隙率，kw為過濾層滲透率，η為動(dòng)力粘度，ω為圓頻率。
則微粒過濾器考慮過濾層粘性時(shí)的傳遞矩陣為T′=T11′T12′T21′T22′=T11T12T21T22S1100S22]]>渦輪機(jī)6的出口到微粒過濾器前端的排氣系統(tǒng)管路的傳遞矩陣，即排氣管傳遞矩陣為A1B1C1D1=coskl1isinkl1isinkl1coskl1,]]>l1為排氣管長度，k=ωc0]]>為波數(shù)。
微粒過濾器之后的排氣系統(tǒng)管路的傳遞矩陣，即尾管傳遞矩陣為A2B2C2D2=coskl2isinkl2isinkl2coskl2,]]>l2為尾管長度。
利用公式IL=20log10(|p0.b/p0.a|)=20log10(|e1z+f1e2z+f2|),]]>就可以計(jì)算得到微粒過濾器各頻率下的的插入損失，計(jì)算結(jié)果如下表所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖如圖2所示。

本方法的有益效果及優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明給出了一種能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)微粒過濾器的熱態(tài)聲學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法；本方法能夠在比較寬的頻率范圍內(nèi)適用，克服了以前一維解析法預(yù)測(cè)頻率范圍窄的缺點(diǎn)；采用這種方法能夠?qū)ε艢庀到y(tǒng)聲學(xué)特性進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性預(yù)測(cè)的方法，測(cè)試部分包括排氣管路(1)、微粒過濾器(2)、尾管(3)、溫度傳感器(4)、壓力傳感器(5)、渦輪機(jī)(6)、發(fā)動(dòng)機(jī)本體(7)、電力測(cè)功機(jī)(8)，用溫度傳感器和壓力傳感器分別測(cè)取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣狀態(tài)參數(shù)，利用聲學(xué)分析軟件SYSNOISE計(jì)算獲得微粒過濾器進(jìn)出口聲壓和速度，其特征是數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布置和計(jì)算的具體方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)a.在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路(1)與微粒過濾器(2)之間設(shè)置第一個(gè)溫度傳感器(4-1)和第一個(gè)壓力傳感器(5-1)；在微粒過濾器(2)與尾管(3)之間設(shè)置第二個(gè)溫度傳感器(4-2)和第二個(gè)壓力傳感器(5-2)，溫度傳感器(4-1)與壓力傳感器(5-1)采集發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路(1)同一點(diǎn)的信號(hào)；溫度傳感器(4-2)與壓力傳感器(5-2)采集微粒過濾器(2)出口同一點(diǎn)的信號(hào)，由溫度傳感器(4-1)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度t4；由溫度傳感器(4-2)測(cè)得經(jīng)微粒過濾器(2)后的排氣溫度t6，由壓力傳感器(5-1)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力p5；由壓力傳感器(5-2)測(cè)得經(jīng)微粒過濾器(2)后的排氣壓力p7，以t0=t4+t62]]>作為排氣平均溫度，p0=p5+p72]]>作為排氣平均壓力，由公式c0=γRμt0]]>得到聲速c0；由公式ρ0=ρ0μRt0]]>得到排氣平均密度，式中γ為絕熱指數(shù)，R＝8.31J/K·mol為氣體常數(shù)，μ＝29×10-3kg/mol為空氣莫爾量；b.由SYSNOISE得到的兩組微粒過濾器(2)的進(jìn)、出口聲壓(pci，pco，psi，pso)和兩組進(jìn)、出口質(zhì)點(diǎn)速度(vci，vco，vsi，vso)，由公式T=T11T12T21T22]]>得到微粒過濾器(2)輸出的傳遞矩陣，其中T11=pcipco,]]>T12=psivso,]]>T21=vcipco,]]>T22=vsivso;]]>c.由公式T′=T11′T12′T21′T22′=T11T12T21T22S1100S22]]>得到粘性修正后的微粒過濾器(2)傳遞矩陣，式中S11＝S22＝exp(αl0)，α=2a0c0γηωρ0,]]>a0=8kw/φ,]]>l0為過濾層厚度，φ為過濾層孔隙率，kw為過濾層滲透率，η為動(dòng)力粘度，ω為圓頻率；d.由公式IL=20log10(|p0.b/p0.a|)=20log10(|e1z+f1e2z+f2|),]]>計(jì)算得到微粒過濾器(2)的插入損失，其中z=Z0ρ0c0,]]>c1d1e1f1=A1B1C1D1T11′T12′SlSl1T21′SlSl1T22′A2B2Sl2SoC2Sl2SoD2,]]>c2d2e2f2=A1B1C1D1A2B2Sl2Sl1C2Sl2Sl1D2,]]> 是從渦輪機(jī)(6)的出口到微粒過濾器(2)前端的排氣管路(1)的傳遞矩陣， 是微粒過濾器(2)后端尾管(3)的傳遞矩陣，Z0為排氣管出口處的聲阻抗率。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種對(duì)柴油機(jī)微粒過濾器聲學(xué)特性預(yù)測(cè)的方法，其特征是所述兩個(gè)溫度傳感器(4-1、4-2)和兩個(gè)壓力傳感器(5-1、5-2)各距微粒過濾器(2)的軸向距離為20mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)微粒過濾器的聲學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法。由兩個(gè)溫度傳感器和兩個(gè)壓力傳感器分別測(cè)取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣狀態(tài)參數(shù)，利用Sysnoise聲學(xué)分析軟件對(duì)簡化的微粒過濾器模型進(jìn)行熱態(tài)下的三維數(shù)值模擬計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果得到微粒過濾器的傳遞矩陣，考慮微粒過濾器中氣體流動(dòng)的粘性影響，對(duì)原傳遞矩陣進(jìn)行粘性修正，得到粘性修正后的微粒過濾器傳遞矩陣，最后采用傳遞矩陣法計(jì)算微粒過濾器熱態(tài)下的插入損失。本方法能夠在比較寬的頻率范圍內(nèi)適用，克服了以前一維解析法預(yù)測(cè)頻率范圍窄的缺點(diǎn)；采用這種方法能夠?qū)ε艢庀到y(tǒng)聲學(xué)特性進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
文檔編號(hào)G01M15/04GK101034039SQ20071005716
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者高文志, 馮黎明, 王輝 申請(qǐng)人:天津大學(xué)