寬頻消聲器在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲控制中應(yīng)用

劉　濤，李志遠(yuǎn)，劉淑軍，王應(yīng)紅

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

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寬頻消聲器在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲控制中應(yīng)用

劉濤，李志遠(yuǎn)，劉淑軍，王應(yīng)紅

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

摘要：文章闡述增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲原理，并通過(guò)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲調(diào)音設(shè)計(jì)的具體案例說(shuō)明不同消聲器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用的基本方法。首先，利用仿真分析方法計(jì)算消聲器的傳遞損失理論值；然后，在測(cè)試臺(tái)架上對(duì)樣件測(cè)試，通過(guò)聲壓級(jí)差來(lái)進(jìn)行聲學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化；最后在實(shí)車(chē)上驗(yàn)證消聲器在整車(chē)應(yīng)用上的效果。實(shí)驗(yàn)表明，在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)1/4波長(zhǎng)管可有效的消除渦輪增壓器的氣流嘯叫噪聲；多孔寬頻消聲器可有效地控制渦輪增壓器的泄壓或氣流噪聲。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；進(jìn)氣系統(tǒng)；增壓器；1/4波長(zhǎng)管；寬頻消聲器

增壓器的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放等性能得到極大的提升，但由于增壓器的控制、運(yùn)轉(zhuǎn)比較復(fù)雜，在運(yùn)轉(zhuǎn)中常伴有復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶來(lái)較大的氣流噪聲問(wèn)題。目前乘用汽車(chē)較多地采用廢氣渦輪增壓的進(jìn)氣增壓形式，其增壓器轉(zhuǎn)速范圍大，可高達(dá)十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)子及旋轉(zhuǎn)葉輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)增壓器同步噪聲、次同步噪聲以及氣流噪聲等[1]。其中氣流噪聲又主要表現(xiàn)為壓氣機(jī)進(jìn)氣噪聲、壓氣機(jī)高壓氣體出口噪聲，增壓器旁通閥（泄壓閥）噪聲等。本文側(cè)重于增壓器產(chǎn)生的氣流噪聲，在介紹增壓器氣流噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和增壓器自身噪聲控制措施的基礎(chǔ)上，引入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲特性概念，進(jìn)而闡述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制中的應(yīng)用方法。

增壓器進(jìn)氣旁通閥噪聲產(chǎn)生于泄壓通道內(nèi)的更高速的氣體流動(dòng)，與增壓器進(jìn)氣和出氣噪聲本質(zhì)上都是氣流噪聲，但其發(fā)生于節(jié)氣門(mén)關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲水平降低，使得它尤為突出，是目前較難解決的噪聲問(wèn)題。

常見(jiàn)的增壓器進(jìn)氣旁通閥有機(jī)械式和電子旁通閥兩種：機(jī)械式旁通閥也有不同的種類(lèi)，Honeywell 和Borgwarner兩個(gè)公司增壓器上采用的進(jìn)氣旁通閥結(jié)構(gòu)基本相同，都是通過(guò)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，節(jié)氣門(mén)前負(fù)壓和旁通閥后面高壓氣體增壓一起推動(dòng)旁通閥打開(kāi)，屬于被動(dòng)控制；電子旁通閥是主動(dòng)控制，車(chē)輛制動(dòng)的同時(shí)通過(guò)電控單元打開(kāi)旁通閥，并可以配合節(jié)氣門(mén)延遲關(guān)閉，以最大限度降低壓后壓力水平，保護(hù)增壓器避免喘振的同時(shí)，最大限度降低旁通閥處產(chǎn)生的氣流噪聲。

采用機(jī)械式或電子控制進(jìn)氣旁通閥設(shè)計(jì)方式，氣流噪聲的產(chǎn)生無(wú)法避免，但可以通過(guò)進(jìn)排氣流道的聲學(xué)設(shè)計(jì)改善及優(yōu)化，如IHI石川島增壓器在大眾EA888發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中（見(jiàn)圖1），壓氣機(jī)進(jìn)氣和出氣流道增加諧振腔設(shè)計(jì)，可以改善部分氣流噪聲性能。改善進(jìn)氣旁通閥噪聲還可以采用旁通閥外置的設(shè)計(jì)方式，就是進(jìn)氣旁通閥不集成在增壓器，而是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)或整車(chē)其他位置，細(xì)長(zhǎng)的連接管路提供了較大的噪聲衰減，因而不易被感知，不利之處是增加額外的工程工作量成本。

圖1　IHI增壓器進(jìn)氣道諧振腔設(shè)計(jì)

增壓器自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限于空間等限制，無(wú)法完全消除或使氣流噪聲降到足夠低；因此，還需要在增壓器進(jìn)排氣管路上考慮額外的消聲措施，即整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化。實(shí)際上，在綜合衡量增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，不少的整車(chē)設(shè)計(jì)是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)進(jìn)行的，如通用汽車(chē)等。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，特別是以空濾器為主的低壓側(cè)進(jìn)氣管路，是增壓器氣流噪聲傳播的重要渠道，管路噪聲傳遞損失是衡量其聲學(xué)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，寬頻消聲器、諧振器、波長(zhǎng)管等管路消聲元件設(shè)計(jì)可有效地提升傳遞損失性能，進(jìn)而改善增壓器氣流噪聲在整車(chē)上的表現(xiàn)。

1　進(jìn)氣系統(tǒng)消聲器基本原理

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)（如圖2），一般來(lái)說(shuō)，包括以空濾器為主的低壓管路、增壓器、高壓管路、中冷器等零件，其中對(duì)于整車(chē)上增壓器氣流噪聲有顯著的影響，主要是低壓管路和增壓器至中冷器的高壓管路部分。低壓側(cè)管路部分與非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)類(lèi)似，其系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法也是相同的[5]；高壓側(cè)管路內(nèi)氣流速度大、壓力和溫度也高，為避免額外氣流阻力的產(chǎn)生，一般采用諧振腔式的抗性消聲器設(shè)計(jì)[6]。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)，概括來(lái)說(shuō)，一般工程開(kāi)發(fā)中采用以下消聲元件設(shè)計(jì)或其集成組合式設(shè)計(jì)：

（1）Helmholz諧振腔；

（2）1/4、1/2波長(zhǎng)管；

圖2　增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖

（3）膨脹腔（如空濾）；

（4）寬頻消聲器（多個(gè)諧振腔或與穿孔管配合設(shè)計(jì)）；

（5）吸聲材料的應(yīng)用（多孔吸聲管壁、空濾內(nèi)填充吸聲材料等）[7]；

（6）編織管的應(yīng)用[10]。

限于篇幅，僅就工程開(kāi)發(fā)案例應(yīng)用的1/4波長(zhǎng)管和穿孔管寬頻消聲器作介紹。

1.1 1/4波長(zhǎng)管傳遞損失特性

1/4波長(zhǎng)管是主管道上的一個(gè)封閉的管子，屬于旁支消聲器，如圖3所示。從消聲原理來(lái)講，1/4波長(zhǎng)管屬于抗性消聲器。工程應(yīng)用中，1/4波長(zhǎng)管的使用受到空間限制，長(zhǎng)度較短，一般用于消除頻率較高的噪聲。

圖3　1/4波長(zhǎng)管原理圖

1/4波長(zhǎng)管的共振頻率為

由式（1）可知，影響波長(zhǎng)管消聲頻率的參數(shù)只有長(zhǎng)度。

1.2多孔寬頻消聲器傳遞損失特性

多孔寬頻消聲器為穿孔板與空腔的結(jié)合，小孔分布比較均勻，穿孔板有一定的厚度，穿孔板連同板后的空腔，就形成許多形同連著的諧振腔，如圖4所示。小孔相當(dāng)于聲質(zhì)量，穿孔板后的空間被孔數(shù)平分成許多小空間，每個(gè)小孔占著其中一個(gè)小空間形成等效聲容，所以多孔寬頻消聲器的消聲頻率與單個(gè)諧振腔的消聲頻率相當(dāng)[4]。

多孔消聲器的頻率計(jì)算公式為式（2）中，σ為穿孔板的穿孔率，l為穿孔板的有效厚度（在實(shí)際板厚l0的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正），D為空腔深度。影響消聲頻率的主要參數(shù)為穿孔率、穿孔板的有效厚度、及空腔深度。

圖4　多孔寬頻消聲器原理圖

2　進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)

2.1 1/4波長(zhǎng)管設(shè)計(jì)控制增壓器嘯叫

某一裝備渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型，在低檔位加速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min～2 000 r/min時(shí)增壓器有持續(xù)的‘嗚嗚’聲。噪聲產(chǎn)生機(jī)理為增壓器進(jìn)氣旁通閥有一定的泄漏量，車(chē)輛在加速時(shí)氣流沖擊閥門(mén)產(chǎn)生的氣流嘯叫噪聲。由于進(jìn)氣旁通閥直接與進(jìn)氣系統(tǒng)相連，進(jìn)氣口為噪聲主要的傳遞路徑。

進(jìn)氣口處的增壓器氣流嘯叫聲色譜圖如圖5所示，氣流嘯叫聲表現(xiàn)為中心頻率為800 Hz的窄頻帶噪聲。進(jìn)氣口處與駕駛員右耳處的氣流嘯叫噪聲頻譜變換后曲線(xiàn)如圖6所示，駕駛員右耳處與進(jìn)氣口處噪聲特征一致。

圖5　進(jìn)氣口處增壓器氣流嘯叫聲色譜圖

由公式（1）可計(jì)算出消聲中心頻率為800 Hz的1/4波長(zhǎng)管長(zhǎng)度為106 mm。受布置空間的限制，波長(zhǎng)管直徑設(shè)計(jì)為26 mm，波長(zhǎng)管布置主管路直徑為80 mm，由以上參數(shù)可計(jì)算出傳遞損失理論曲線(xiàn)，如圖7所示。

由于波長(zhǎng)管的實(shí)際消聲頻率與理論消聲頻率存在誤差，波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度需要進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)長(zhǎng)度理論計(jì)算值為基礎(chǔ)來(lái)制作1/4波長(zhǎng)管的快速樣件，然后利用測(cè)量聲壓級(jí)差的方法來(lái)對(duì)波長(zhǎng)管的長(zhǎng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。有無(wú)1/4波長(zhǎng)管方案進(jìn)氣系統(tǒng)的聲壓級(jí)差對(duì)比曲線(xiàn)如8所示（其中由于測(cè)試臺(tái)架精度問(wèn)題，共振頻率附近存在低谷），可以看出1/4波長(zhǎng)管的有效消聲頻率范圍為700 Hz～850 Hz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6　進(jìn)氣口及駕駛員右耳處增壓器氣流嘯叫頻譜圖

圖7　1/4波長(zhǎng)管傳遞損失理論計(jì)算曲線(xiàn)

圖8　有無(wú)1/4波長(zhǎng)管聲壓級(jí)差測(cè)量曲線(xiàn)對(duì)比

2.2多孔寬頻消聲器設(shè)計(jì)控制增壓器泄壓噪聲

增壓器的泄壓噪聲是車(chē)輛在加速過(guò)程中快速松油門(mén)瞬間，由于節(jié)氣門(mén)關(guān)閉，增壓器至節(jié)氣門(mén)段形成高壓腔體。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為防止增壓器喘振，打開(kāi)進(jìn)氣旁通閥門(mén)進(jìn)行泄壓保護(hù)。高壓氣體沖擊進(jìn)氣旁通閥門(mén)瞬間產(chǎn)生氣流泄壓噪聲，噪聲主要由進(jìn)氣口傳遞至空氣中。

泄壓瞬間進(jìn)氣口處的泄壓氣流噪聲色譜圖如圖9所示，由圖中看出進(jìn)氣口處噪聲能量主要集中在600 Hz～1 400 Hz頻段（圖10中泄壓噪聲的頻譜曲線(xiàn)更為明顯），所以在進(jìn)氣系統(tǒng)上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)頻段的消聲器控制噪聲。

圖9　原狀態(tài)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口泄壓噪聲色譜圖

圖10　原狀態(tài)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口泄壓噪聲頻譜圖

由于泄壓氣流噪聲頻段范圍較寬，在進(jìn)氣系統(tǒng)上設(shè)計(jì)四個(gè)多孔寬頻消聲器，消聲中心頻率分別為650 Hz、850 Hz、1 050 Hz、1 300 Hz。多孔寬頻消聲器的小孔直徑為6 mm～8 mm，在仿真軟件中調(diào)整穿孔率及消聲器容積。最終，四個(gè)多孔寬頻消聲器傳遞損失仿真曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11　多孔寬頻消聲器傳遞損失仿真曲線(xiàn)

以仿真計(jì)算出的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)為輸入制作快速樣件，測(cè)試其聲壓級(jí)差進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。圖12為進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)多孔寬頻消聲器前后的聲壓級(jí)差對(duì)比曲線(xiàn)。從圖中可以看出，增加設(shè)計(jì)多孔寬頻消聲器后進(jìn)氣系統(tǒng)600 Hz～1 400 Hz頻段內(nèi)的聲壓級(jí)差有了顯著提升，且對(duì)應(yīng)峰值頻率與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3　實(shí)車(chē)驗(yàn)證

將1/4波長(zhǎng)管及多孔寬頻消聲優(yōu)化方案同時(shí)裝備實(shí)車(chē)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比進(jìn)氣口處的增壓器氣流嘯叫聲數(shù)據(jù)，如圖13所示。由圖中可以看出，進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)1/4波長(zhǎng)管后，進(jìn)氣口處的800 Hz頻帶附近的噪聲已基本消除。

圖12　多孔寬頻消聲器設(shè)計(jì)前后進(jìn)氣系統(tǒng)聲壓級(jí)差對(duì)比

圖13　1/4波長(zhǎng)管設(shè)計(jì)前后進(jìn)氣口處氣流嘯叫噪聲對(duì)比

對(duì)比進(jìn)氣口處增壓器的泄壓氣流噪聲數(shù)據(jù)，如圖14所示。進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)多孔寬頻消聲器后，進(jìn)氣口處的泄壓氣流噪聲在600 Hz～1 400 Hz頻段已無(wú)明顯的能量集中。

圖14　多孔寬頻消聲器設(shè)計(jì)前后進(jìn)氣口泄壓噪聲對(duì)比

圖15為消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)前后增壓器氣流噪聲駕駛員的主觀(guān)評(píng)分表（主觀(guān)評(píng)分為10分制，7分及以上為可接受水平）。其中，增壓器的氣流嘯叫聲已基本聽(tīng)不到（主觀(guān)評(píng)分8分），泄壓氣流噪聲主觀(guān)評(píng)分有明顯改善（主觀(guān)評(píng)分7分），增壓器氣流噪聲綜合評(píng)分處于可接受水平（主觀(guān)評(píng)分7.5分）。由此可得出結(jié)論，進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)對(duì)增壓器的氣流噪聲可進(jìn)行有效的控制。

圖15　增壓器噪聲主觀(guān)評(píng)分

4結(jié)　語(yǔ)

渦輪增壓器的氣流噪聲，尤其是氣流泄壓聲是近年來(lái)比較凸顯的噪聲問(wèn)題。在進(jìn)氣系統(tǒng)上設(shè)計(jì)寬頻消聲器是控制增壓器氣流噪聲的有效手段。本文僅闡述了在進(jìn)氣系統(tǒng)低壓側(cè)設(shè)計(jì)消聲器的方法及案例，在增壓器后高壓段進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)消聲器同樣也可顯著降低增壓器噪聲。另外，針對(duì)增壓器壓氣機(jī)進(jìn)、出氣流道增加諧振腔設(shè)計(jì)以及泄壓旁通閥外置也是改善增壓器氣流噪聲的有效方法。

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中圖分類(lèi)號(hào)：O422.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.040

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0187-05

收稿日期：2015-06-30

作者簡(jiǎn)介：劉濤（1972-），男，山東省泰安市人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：整車(chē)及動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲控制。E-mail:liutao01@saicmotor.com

Applications of Broad-band Resonator to Intake System Noise Control of Turbocharged Engines

LIUTao,LI Zhi-yuan,LIU Shu-jun,WANG Ying-hong

(SAIC Motor Corporation Ltd.,Technology Center,Shanghai 201804,China)

Abstract:Noise attenuation mechanism of turbo engine’s intake system was discussed.Design and application methods of different broad-band resonators with acoustic tuner-1/4 tube were introduced through the intake system tuning design of the turbocharged engines.First of all,the computer simulation was done to obtain the intake system’s transmission loss(TL).Then,rig test of the intake ducts was done,and the acoustic structure of the intake system was adjusted and optimized through the difference of the sound pressure level.Results of an actual vehicle validation test show that the broadband resonator and 1/4 tubes can effectively reduce the turbo-charger’s air-flow noise.

Key words:acoustics;turbo engine;intake system;turbo charger;1/4 tube;broad-band resonator