發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化設計技術研究

岳貴平盧炳武劉英杰劉楊

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化設計技術研究

岳貴平盧炳武劉英杰劉楊

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

利用GT-Power軟件對發(fā)動機進氣系統(tǒng)概念設計方案進行聲學預測，并結(jié)合整車噪聲試驗對其進行聲學評估；以管道聲學理論為指導，搭建赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的參數(shù)化設計模型，利用GT-Power軟件分別完成聲學性能直接優(yōu)化設計和基于靈敏度的聲學性能優(yōu)化設計，確定赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，為發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化提供了定量依據(jù)。整車噪聲試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后該發(fā)動機進氣噪聲下降明顯。

1 前言

發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲是車輛最主要的噪聲源之一，對車內(nèi)噪聲影響顯著。目前，在發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能設計領域，國內(nèi)大多數(shù)汽車廠家還處于經(jīng)驗設計階段，周期長，成本高。本文基于GT-Power軟件，充分發(fā)揮計算機模擬仿真技術的優(yōu)勢，對發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能進行優(yōu)化設計；以赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的聲學理論為基礎，分別進行發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能直接優(yōu)化設計和基于靈敏度的發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化設計。

2 進氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理

發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲是由進氣閥周期性開閉而產(chǎn)生的壓力波動所形成的。當進氣閥開啟時，活塞由上止點下行吸氣，鄰近活塞的氣體分子以同樣的速度運動，以致在進氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力脈沖，從而形成脈沖噪聲；同時進氣過程中的高速氣流流過進氣閥流通截面時，會形成渦流噪聲；另外，如果進氣系統(tǒng)中空氣柱的固有頻率與周期性進氣噪聲的主要頻率一致時，會產(chǎn)生空氣柱共鳴，使得進氣管中的噪聲更加突出。當進氣閥關閉時，也會引起發(fā)動機進氣管道中空氣壓力和速度的波動，該波動由氣門處以壓縮波和稀疏波的形式沿管道向遠方傳播[1]。

3 進氣系統(tǒng)聲學性能評估

發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲復雜，管口噪聲是其主要部分，管口噪聲與發(fā)動機性能和進氣系統(tǒng)聲學設計密切相關[2～4]。

3.1 進氣系統(tǒng)聲學性能模擬

3.1.1 建立發(fā)動機GT-Power模型

GT-Power軟件是以一維的流體計算為基礎，采用有限容積法對熱流體進行模擬仿真的軟件。該軟件系統(tǒng)提供一個與其它GT-Suite系列產(chǎn)品（GTFuel、GT-Cool、GT-Drive等）共用的前處理建模環(huán)境GT-ISE，建立發(fā)動機模型時只需將相應的模板拷貝到GT-Suite中形成對象，并給對象的屬性賦值，再將該對象連接起來進行有機集成，形成一個與實際發(fā)動機輸入與輸出相關的發(fā)動機仿真程序。除了對熱流體進行計算外，它還能充分考慮發(fā)動機曲軸、連桿、飛輪及整車等機械部件對發(fā)動機性能的影響。該發(fā)動機的技術規(guī)格如表1所列。

表1 汽油機的技術規(guī)格

3.1.2 建立進氣系統(tǒng)聲學模型

根據(jù)濾清器的過濾性能和聲學性能，考慮整車預留空間，設計濾清器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用GEM3D軟件，搭建包括濾清器在內(nèi)的進氣系統(tǒng)聲學模型，如圖2所示。用該進氣系統(tǒng)聲學模型代替發(fā)動機GT-Power模型中的進氣系統(tǒng)簡易模型，從而組裝成為能夠進行進氣系統(tǒng)管口噪聲模擬分析的聲學模型。

3.1.3 聲學計算邊界條件

參照汽油機臺架試驗工況，確定進氣系統(tǒng)聲學計算的邊界條件如下：

a.聲學邊界：半消聲環(huán)境。

b.外部環(huán)境：溫度為25°C；大氣壓為97.4kPa。

c.場點位置：與進氣系統(tǒng)管口處于同一水平面，距地面的高度為1 000 mm，距管口的距離為100 mm，與進氣系統(tǒng)管道的軸向成45°角。

3.1.4 計算結(jié)果及分析

利用GT-Power軟件，完成發(fā)動機進氣系統(tǒng)管口噪聲的模擬仿真。圖3為發(fā)動機進氣系統(tǒng)管口噪聲與目標噪聲的比較圖，可以看出，在1200～6000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進氣系統(tǒng)的管口噪聲基本都在目標線以下，因此該發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計方案切實可行。

3.2 整車車內(nèi)噪聲試驗

3.2.1 噪聲試驗工況及方法

試制該發(fā)動機進氣系統(tǒng)樣品，并將該樣品安裝在整車上。整車車內(nèi)噪聲試驗在整車半消聲室內(nèi)進行，車輛置于底盤測功機上，變速器置于3擋，發(fā)動機穩(wěn)定在最低轉(zhuǎn)速后，突然油門全開，全負荷加速行駛直至發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高至6 000 r/min。記錄各個通道噪聲信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，然后對所測量的信號進行對應轉(zhuǎn)速的總聲壓級分析。試驗分析儀器為Head Acoustics公司的測量分析系統(tǒng)和B&K公司的麥克風。麥克風布置在駕駛員左耳位置。

3.2.2 試驗結(jié)果及分析

整車車內(nèi)噪聲如圖4所示。通過整車噪聲試驗發(fā)現(xiàn)，在1 600 r/min的轉(zhuǎn)速工況時車內(nèi)噪聲沒有達到目標樣車水平，該噪聲主要來源于進氣系統(tǒng)的階次噪聲，與圖3所示結(jié)果一致，該工況下進氣系統(tǒng)管口噪聲的4階成分占主導。同時發(fā)現(xiàn)在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速工況時車內(nèi)噪聲也需要改善，并且該工況下令人煩躁的噪聲主要來源于進氣系統(tǒng)的階次噪聲，分析圖3可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在6000r/min附近進氣系統(tǒng)管口噪聲階次成分出現(xiàn)峰值，此處2階成分占主導。

4 發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化設計

4.1 赫姆霍茲消聲器優(yōu)化設計

4.1.1 赫姆霍茲消聲器參數(shù)化設計

赫姆霍茲消聲器是一種歷史悠久的消聲器，屬于旁支消聲器，通常它是由一個消聲容器和一根短管道組成，短管道與進氣系統(tǒng)的主管道連接，如圖5所示。赫姆霍茲消聲器的傳遞損失TL為：

式中，Sc為連接管的截面積；Sm為主管道的橫截面積；V為消聲容器的容積；lc為連接管的長度；fr為共振頻率；f為頻率。

根據(jù)階次噪聲頻率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關系，圖3的1 600 r/min 4階峰值噪聲對應的頻率為106.7Hz。如果赫姆霍茲消聲器的共振頻率fr能接近4階峰值噪聲對應的頻率，就能很好地消除4階峰值噪聲。根據(jù)式（1）可知，赫姆霍茲消聲器的幾何變量有4個，即V、Sc、Sm、lc。為了保證發(fā)動機的進氣量，主管道的橫截面積Sm為確定值；消聲容器假設為球型，則容積其中D為球型容器的直徑；連接短管的橫截面假設為圓形，其面積其中d為圓形截面的直徑。

4.1.2 赫姆霍茲消聲器DOE分析

修改圖2所示的進氣系統(tǒng)聲學模型，針對106.7Hz的進氣系統(tǒng)峰值噪聲，在連接濾清器和發(fā)動機的主管道上增加一個赫姆霍茲消聲器，并把球型消聲容器的直徑D、連接短管的直徑d和連接短管的長度lc作為設計變量，得赫姆霍茲消聲器的3因素5水平試驗設計見表2。

表2 赫姆霍茲消聲器3因素5水平試驗設計mm

利用GT-Power軟件，經(jīng)過125次計算求解，得到進氣系統(tǒng)管口噪聲4階成分對應赫姆霍茲消聲器3因素的噪聲值，經(jīng)過3次多項式擬合，可獲得4階噪聲LPA-4的響應面表達式為：

4.1.3 赫姆霍茲消聲器優(yōu)化設計

根據(jù)試驗設計結(jié)果，取設計變量為XT=[x1，x2，x3] =[d，D，lc]，建立目標函數(shù)為進氣系統(tǒng)管口噪聲4階成分噪聲值最小：

建立約束條件：

應用如式（2）所示的4階噪聲響應面近似模型進行單目標優(yōu)化。赫姆霍茲消聲器的優(yōu)化結(jié)果為d= 15 mm，D=119.2 mm，lc=49.84 mm，其中D=119.2 mm所對應的消聲容器的容積V=886 803.5 mm3。

4.2 1/4波長管優(yōu)化設計

4.2.11 /4波長管參數(shù)化設計

1/4波長管是一個安裝在主管道上的封閉管，為了便于安裝，1/4波長管采用折疊式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

式中，SS為1/4波長管橫截面的面積；L為1/4波長管的長度；λ為聲波波長。

根據(jù)整車車內(nèi)噪聲主觀評價結(jié)果，圖3的6 000 r/min 2階峰值噪聲對應的頻率為200 Hz，為此確定在連接赫姆霍茲消聲器和發(fā)動機的主管道上增加一個1/4波長管。根據(jù)式（5）可知，影響1/4波長管傳遞損失的設計參數(shù)有3個，分別為Sm、SS和L。為了保證發(fā)動機的進氣量，進氣系統(tǒng)主管道橫截面的面積Sm為確定值；1/4波長管橫截面的面積SS=1/4πd22，其中d2為1/4波長管的直徑。

1/4波長管的傳遞損失TL′為：

4.2.21 /4波長管DOE分析

修改進氣系統(tǒng)聲學模型，在連接赫姆霍茲消聲器和發(fā)動機主管道上增加一個1/4波長管。針對轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況，把1/4波長管的直徑d2和長度L作為設計變量，進行進氣系統(tǒng)管口噪聲模擬仿真，1/4波長管的2因素6水平試驗設計見表3。

表3 1/4波長管2因素6水平試驗設計mm

利用GT-Power軟件經(jīng)過36次計算求解，得到進氣系統(tǒng)管口噪聲2階成分對應1/4波長管2因素的噪聲值，結(jié)果如圖7所示。對計算結(jié)果進行3次多項式擬合，可獲得2階噪聲值LPA-2的響應面表達式如下：

4.2.3 1/4波長管優(yōu)化設計

1/4波長管靈敏度是發(fā)動機進氣系統(tǒng)2階噪聲值LPA-2相對于設計變量的比值，可以表示為：

式中，設計變量矩陣XT=[d2，L];C為修正常數(shù)。

將式（6）代入式（7）可得1/4波長管靈敏度，其結(jié)果為三維曲面，如圖8所示。

由圖8可知，1/4波長管靈敏度為0時，1/4波長管的長度L≈433.3 mm，而直徑d2可取允許范圍內(nèi)的任何值，即長度L為聲學性能的敏感變量；當噪聲靈敏度為負值時，2階噪聲值隨長度L的減小而增大，當噪聲靈敏度為正值時，2階噪聲值隨長度L的增大而增大，即噪聲靈敏度為0時對應的2階噪聲值最小。當1/4波長管的長度L=433.3 mm，其中心頻率約等于198 Hz，與轉(zhuǎn)速為6000 r/min工況的2階噪聲對應頻率很接近，此時1/4波長管的消聲量最大。

雖然1/4波長管的直徑d2不影響噪聲靈敏度，但影響2階噪聲值，如圖7所示，2階噪聲值隨其直徑的增大而減小，即在允許范圍內(nèi)直徑越大越好，本節(jié)中直徑d2的最大允許值為18 mm。

4.3 優(yōu)化后整車車內(nèi)噪聲試驗

試制赫姆霍茲消聲器和1/4波長管，并集成安裝在整車的進氣系統(tǒng)中，再次進行整車噪聲試驗，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min工況下優(yōu)化方案的進氣系統(tǒng)管口噪聲下降明顯，達到目標樣車水平；雖然在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況下優(yōu)化方案的進氣系統(tǒng)管口噪聲下降不明顯，但令人煩躁的感覺也不明顯了；在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min工況下優(yōu)化方案的進氣系統(tǒng)管口噪聲也下降明顯，此現(xiàn)象是由該處的階次頻率與赫姆霍茲消聲器和1/4波長管中心頻率接近而造成的。

5 結(jié)束語

利用GT-Power軟件對發(fā)動機進氣系統(tǒng)概念設計方案進行聲學預測，并結(jié)合整車噪聲試驗對其進行聲學評估；以管道聲學理論為指導，搭建赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的參數(shù)化設計模型，利用GTPower軟件分別完成發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能直接優(yōu)化設計和基于靈敏度的發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化設計，確定赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，為發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化提供定量依據(jù)，并最終通過整車噪聲試驗的檢驗。

1龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動.北京:北京理工大學出版社，2006，150～262.

2賈維新，郝志勇.空濾器聲學性能預測及低頻噪聲控制的研究.內(nèi)燃機工程，2006（5），67～70.

3Stephen Massey，Paul S.Modelly Exhaust Systems Using One-Dimensional Methods.SAE 2002-01-0005.

4Benzhu Liu，Masahiro Maeno.A Study of a Dual Mode Muffler.SAE 2003-01-1647.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年4月1日。

The Research on Optimization Design Technology on Acoustic Performance of Engine Intake Systems

Yue Guiping，Lu Bingwu，Liu Yingjie，Liu Yang
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

We use GT-Power software to make acoustic forecast of conceptual design scheme of engine intake system and make acoustic evaluation through vehicle noise test.Based on conduit acoustic theory，we construct the parameterized design model of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，and complete optimization design of acoustic performance of engine intake system and acoustic optimization design based on sensitivity with GT-Power software，and define some sensitive structural parameters of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，which provide foundation for quantification of intake system acoustic optimization.The results of vehicle noise test indicate that the optimized engine induction noise reduces dramatically.

Engine，Intake system，Acoustic performance，Optimization design

發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化設計

U464.134+.4

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0001-04