發(fā)動機(jī)增壓管降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

董東升，李志忠，李安虎

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804;2.寧波均勝汽車電子股份有限公司，浙江 寧波 315040)

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，中國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排已成為亟須解決的關(guān)鍵問題［1－2］.發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑.發(fā)動機(jī)增壓后，其動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性將都能得到有效的改善.增壓管連接增壓器到中冷器以及中冷器到節(jié)氣門體，是增壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，需要具備傳遞空氣壓力、減少振動、降低噪音等功能.增壓管的管道結(jié)構(gòu)對其降噪性能、減振性能及傳遞性能都起著決定性的作用［3－4］.因此，為了改善增壓系統(tǒng)性能，有必要對增壓管的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 分析對象

本文以某汽車公司委托開發(fā)的功能結(jié)構(gòu)(3D外形)確定的增壓管為研究對象，如圖1所示，運(yùn)用流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等專業(yè)知識，對增壓管的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善增壓管的工作性能.根據(jù)整車開車要求，增壓管優(yōu)化后需要滿足以下設(shè)計(jì)指標(biāo):①結(jié)構(gòu)降噪.流道結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使聲音衰減在1 500 ～3 300 Hz 之間至少達(dá)到15 dB(聲音衰減量ΔL≥15 dB);②壓力損失.當(dāng)空氣流量達(dá)到380 kg·h－1時，流道結(jié)構(gòu)在 210 kPa 的絕對工作壓力下，空氣的壓力損失(Δp)應(yīng)小于40 kPa;③抗震.增壓管的固有頻率fc應(yīng)大于205 Hz.

由于增壓管的結(jié)構(gòu)降噪要求最難實(shí)現(xiàn)，因此本文以增壓管的流道結(jié)構(gòu)降噪效果(用ΔL表示)為優(yōu)化目標(biāo)，流道結(jié)構(gòu)引起的空氣壓力損失(用Δp表示)設(shè)計(jì)指標(biāo)及增壓管固有頻率fc設(shè)計(jì)指標(biāo)為約束條件，對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化模型為

圖1 功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Function structure

式中:fc為固有頻率.為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文綜合采用了聲學(xué)分析、流場分析和模態(tài)分析等專業(yè)軟件對增壓管進(jìn)行分析和優(yōu)化，具體分析流程如圖2所示.

圖2 分析流程Fig.2 Analysis process

2 降噪分析

根據(jù)消聲原理的不同，消聲類型可分為阻性消聲和抗性消聲.由于考慮到增壓管的其他功能要求，增壓管的材料無法進(jìn)一步優(yōu)選.本文主要采用抗性消聲原理來實(shí)現(xiàn)增壓管流道的降噪效果.通常，抗性消聲器是由突變界面的管和室組合而成的，每一個帶管的小室都有自己的固有頻率，當(dāng)包含有各種頻率成分的聲波進(jìn)入第一個短管時，只有在第一個網(wǎng)孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網(wǎng)孔到達(dá)第二個短管口.因此，如果選取適當(dāng)?shù)墓芎褪疫M(jìn)行組合，可以濾掉某些頻率成分的噪聲，從而達(dá)到消聲的目的.

流道聲音衰減量為

式中:Lin為流道入口處的聲壓級;Lout為流道出口處的聲壓級;Win為流道入口處的聲功率;Wout為流道出口處的聲功率;Wref為聲功率參考值，為10－12W.

圖3a，3b 分別是前期研究中設(shè)計(jì)的參考結(jié)構(gòu)1和參考結(jié)構(gòu)2，不同頻率下的降噪效果分別如圖4a，4b 所示.參考結(jié)構(gòu)1 主要采用突變管道結(jié)構(gòu)，在中間頻段(1 900 ～2 800 Hz)有很好的消音效果;而參考結(jié)構(gòu)2 采用突變的管、室組合，在低頻端(1 500 ～2 400 Hz)和高頻段(2 900 ～3 500 Hz)有著很好的降噪效果.

綜合考慮到增壓管的功能結(jié)構(gòu)限制，以及結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2 的降噪特點(diǎn)，最終設(shè)計(jì)出的流道結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 流道結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Flow channel model

使用軟件COMSOL 對增壓管流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪分析，分析結(jié)果如圖6所示.在1 500 ～3 300 Hz頻率范圍內(nèi)，流道結(jié)構(gòu)可以使聲音衰減ΔL在15 dB以上，滿足設(shè)計(jì)要求.圖7所示為當(dāng)頻率為1 700 Hz時的增壓管流道結(jié)構(gòu)聲壓級分布圖.

圖6 降噪效果Fig.6 Noise-reduction effect

3 壓損分析

對上節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)出的流道模型進(jìn)行壓損分析，驗(yàn)證空氣的壓力損失是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).流體在管道內(nèi)的壓力損失包括沿程損失和局部損失，其計(jì)算公式為［5］

圖7 聲壓分布圖Fig.7 Sound pressure distribution

式中:Δpl，Δpξ分別為沿程壓力損失和局部壓力損失;λ 為管道的沿程阻力系數(shù);l為流經(jīng)長度;d為管道內(nèi)徑;ρ 為液體的密度;v為液體流速;ξ 為局部阻力系數(shù).

使用有限元軟件FLUENT 對管道結(jié)構(gòu)的壓力損失進(jìn)行分析.流道入口設(shè)置為210 kPa 的絕對壓力，出口設(shè)置為空氣流速為380 kg·h－1.分析結(jié)果如圖8所示，圖8a 為空氣的靜壓分布矢量圖，圖8b為空氣的動壓分布矢量圖，圖8c 為空氣的總體壓力分布矢量圖.從圖中可以看出，在管道的截面突變處，空氣的壓力損失較大.空氣的總壓力損失為2.577 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求.

4 模態(tài)分析

圖8 壓力分布圖Fig.8 Pressure distribution

增壓管既要滿足流道的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時還要滿足管道的功能結(jié)構(gòu).綜合考慮流道結(jié)構(gòu)及功能結(jié)構(gòu)，增壓管模型如圖9所示.本節(jié)驗(yàn)證增壓管的固有頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求.

圖9 參考結(jié)構(gòu)的降噪效果Fig.9 Reference structure

增壓管的3 個伸出孔通過螺栓緊固連接，兩端口連接軟管.增壓管的有限元模型如圖10所示，使用四面體單元對增壓管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，3 個伸出孔面上的節(jié)點(diǎn)添加全自由度約束.分析結(jié)構(gòu)表面:增壓管的前三階固有頻率分別為 546，760，1 076 Hz，都大于205 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)論

根據(jù)增壓管的特定設(shè)計(jì)要求，本文綜合采用了聲學(xué)分析軟件VOMSOL、流場分析軟件FLUENT 和模態(tài)分析軟件ANSYS 等專業(yè)分析工具對增壓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.先以流道聲音衰減量ΔL為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)增壓管的流道結(jié)構(gòu)，并對其壓力傳遞性能進(jìn)行研究.綜合考慮增壓管的功能結(jié)構(gòu)及流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出增壓管的結(jié)構(gòu)模型，并使用有限元軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析.分析結(jié)果表明:優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)可以同時滿足降噪要求和壓損指標(biāo)，增壓管的前三階固有頻率都大于205 Hz，滿足增壓管的抗振要求.

圖10 有限元模型Fig.10 Finite element model

［1］許建輝，徐長榮.淺談汽車發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)［J］.城市車輛，2003(4):43－44，56.XU Jianhui，XU Changrong.On motor vehicle’s intake charge technology［J］.Urban Vehicles，2003(4):43－ 44，56.

［2］朱大鑫.車用發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1987，5(4):287－ 295.ZHU Daxin.The development on turbocharging technique for vehicle engines［J］.Transactions of CSICE，1987，5(4):287－295.

［3］鄒長征，田丹.增壓柴油機(jī)降噪措施試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2007，12(6):35－37.ZOU Changzheng，TIAN Dan.An experimental study on the measures for reducing the noise of turbo－charged diesel engine［J］.Internal Combustion Engines，2007，12(6):35－ 37.

［4］刁金冬.F168 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.DIAO Jingdong.Structual noise analysis of F168 gasoline engine［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2009.

［5］蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.CAI Zengji，LONG Tianyu.Fluid mechanics，pumps and fans［D］.Beijing:China Building Industry Press，2009.