某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化分析

孫影，雷蕾，昂金鳳，談健，王強(qiáng)

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230000)

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某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化分析

孫影，雷蕾，昂金鳳，談健，王強(qiáng)

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230000)

為解決某款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的進(jìn)氣口噪聲問題，基于GT-Power軟件搭建相應(yīng)的一維氣動(dòng)噪聲仿真模型；通過提取噪聲頻率map圖以及全轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲SPL曲線識(shí)別出目標(biāo)頻率；針對(duì)目標(biāo)頻率設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸，并將消聲器匹配到進(jìn)氣管路中，重新提取進(jìn)氣口噪聲。結(jié)果表明，降噪效果顯著。

進(jìn)氣噪聲；消聲器設(shè)計(jì)；降噪

0　引言

隨著人們對(duì)汽車舒適性要求的提高，汽車NVH特性成為消費(fèi)者購(gòu)車的重要指標(biāo)，因此，汽車廠商將更多力量投入這方面的研究[1]。在汽車噪聲中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲占主要成分[2]，而進(jìn)氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要聲源之一[1]。文中就某款自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲問題進(jìn)行優(yōu)化分析。

1　問題描述

進(jìn)氣門周期性開閉必然引起進(jìn)氣管道內(nèi)空氣壓力和密度起伏變化，從而形成空氣動(dòng)力性噪聲，也就是進(jìn)氣噪聲[3]。主要包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、氣缸的赫姆霍茲共振噪聲和進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲。

在半消聲室環(huán)境下的噪聲試驗(yàn)中，某款自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處噪聲明顯。為進(jìn)一步識(shí)別該進(jìn)氣噪聲，基于CAE仿真軟件建立相應(yīng)的一維氣動(dòng)噪聲模型并進(jìn)行優(yōu)化分析。

2　模型標(biāo)定及進(jìn)氣噪聲仿真分析

熱力學(xué)結(jié)果的正確性是噪聲結(jié)果可信的基礎(chǔ)，因此首先對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)性能進(jìn)行精標(biāo)定。

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過調(diào)整進(jìn)氣道的溫度、空濾及進(jìn)氣管路的壁面摩擦阻力系數(shù)、氣缸內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)因子、排氣道壁面溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)因子等參數(shù)，使進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力、排氣背壓、排氣溫度、功率、扭矩、油耗率等都達(dá)到比較好的情況，誤差控制在3%以內(nèi)。如圖1—3所

示：功率、扭矩、比油耗仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上與曲線形狀上吻合性均較好，表明該模型熱力學(xué)性能合理，可以用于后續(xù)的進(jìn)氣噪聲分析。

運(yùn)行精標(biāo)定后的一維氣動(dòng)噪聲仿真模型，并提取進(jìn)氣口處的噪聲。該噪聲通過設(shè)置傳感器，由虛擬麥克風(fēng)進(jìn)行采集，虛擬麥克風(fēng)軸線與進(jìn)氣口軸線呈45°，并距離進(jìn)氣口100 mm。

圖1　扭矩試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

圖2　功率試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

圖3　比油耗試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果

讀取虛擬麥克風(fēng)采集到的進(jìn)氣噪聲頻率map，如圖4所示。進(jìn)氣噪聲頻率map顯示：在低頻(250 Hz以下)和中高頻(500～750 Hz)存在共振帶。為進(jìn)一步確定目標(biāo)頻率，讀取全轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲SPL(Sound Pressure Level)曲線，如圖5所示，可以看出：193和613 Hz時(shí)進(jìn)氣口噪聲聲壓值較大，分別為120.15和102.89 dB(A)。這兩個(gè)峰值頻率與噪聲頻率map圖采集到的共振帶中心頻率基本吻合，故將其確定為該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲優(yōu)化的目標(biāo)頻率。

圖4　進(jìn)氣口噪聲頻率map圖

圖5　進(jìn)氣口噪聲曲線

3　消聲器設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)化基本使用抗性消聲器[5]，主要是利用通道中聲抗的突變反射部分聲能，從而起到消聲的作用?？剐韵暺靼〝U(kuò)張腔式消聲器、1/4波長(zhǎng)管、赫姆霍茲消聲器等。不同種類消聲器適用的消聲頻段不同，赫姆霍茲消聲器主要用于消除低頻段噪聲，而1/4波長(zhǎng)管受本身結(jié)構(gòu)的影響，一般用于消除中高頻段噪聲，因此，針對(duì)193 Hz主共振峰值選用赫姆霍茲消聲器，針對(duì)613 Hz主共振峰值選用1/4波長(zhǎng)管。

3.1赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器一般由共振腔和連接管組成，連接管與進(jìn)氣系統(tǒng)相連，如圖6所示。

圖6　赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器的消聲頻率計(jì)算公式為：

(1)

式中：c為聲速(m/s)；V為空腔體積(m3)；L為連接管的長(zhǎng)度(m)；r為連接管半徑(m)。

針對(duì)193 Hz主共振峰值設(shè)計(jì)的赫姆霍茲消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：空腔(立方體)容積V=93.5×93.5×93.5 mm3、連接管長(zhǎng)度L=40 mm、連接管半徑r=15 mm。

3.21/4波長(zhǎng)管

1/4波長(zhǎng)管是一種典型的被動(dòng)消聲器，是安裝在主管道上的一個(gè)封閉的管子，如圖7所示。當(dāng)聲波從主管道進(jìn)入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管道，某些頻率的聲波與主管道中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，達(dá)到消聲的目的。

圖7　1/4波長(zhǎng)管

1/4波長(zhǎng)管的消聲頻率計(jì)算公式為：

(2)

式中：c為聲速(m/s)；L為管子長(zhǎng)度(m)。

針對(duì)613 Hz主共振峰值設(shè)計(jì)的1/4波長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)參數(shù)為：管子長(zhǎng)度L=140 mm，管子直徑d=50 mm。

3.3消聲器建模

按照設(shè)計(jì)好的赫姆霍茲消聲器和1/4波長(zhǎng)管的結(jié)構(gòu)尺寸在GEM3D中建立對(duì)應(yīng)的消聲器模型，分別如圖8、9所示。離散為gtm模型，供GT計(jì)算時(shí)調(diào)用。

圖8　赫姆霍茲消聲器模型

圖9　1/4波長(zhǎng)管模型

4　進(jìn)氣噪聲優(yōu)化

將赫姆霍茲消聲器及1/4波長(zhǎng)管的gtm模型分別匹配到發(fā)動(dòng)機(jī)空濾前的管路段中，如圖10所示。

圖10　消聲器匹配圖

分別再次運(yùn)行匹配赫姆霍茲消聲器和1/4波長(zhǎng)管后的模型，并提取進(jìn)氣口噪聲數(shù)據(jù)，如圖11、12所示

圖11　匹配赫姆霍茲消聲器后進(jìn)氣口噪聲曲線

圖12　匹配1/4波長(zhǎng)管后進(jìn)氣口噪聲曲線

從圖11可以看出：匹配赫姆霍茲消聲器后，進(jìn)氣口噪聲在全頻率范圍內(nèi)的最大聲壓值為103.75 dB(A)@126.67 Hz，比匹配前的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口噪聲聲壓值降低16.4 dB(A)。

從圖12可以看出：匹配1/4波長(zhǎng)管后，進(jìn)氣口噪聲在全頻率范圍內(nèi)的最大聲壓值為118.14 dB(A)@193.33 Hz，比匹配前的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口噪聲聲壓值降低2.01 dB(A)。

5　結(jié)論

(1)基于CAE仿真軟件并結(jié)合實(shí)際噪聲問題，建立了相

應(yīng)的一維氣動(dòng)噪聲仿真模型；

(2)通過仿真分析，提取噪聲頻率map圖以及全轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲SPL曲線，識(shí)別出目標(biāo)消聲頻率；

(3)針對(duì)193 Hz目標(biāo)頻率設(shè)計(jì)赫姆霍茲消聲器。匹配后，進(jìn)氣口噪聲在全頻率范圍內(nèi)的最大聲壓值為103.75 dB(A)，比原進(jìn)氣口噪聲降低16.4 dB(A)；

(4)針對(duì)613 Hz目標(biāo)頻率設(shè)計(jì)1/4波長(zhǎng)管。匹配后，進(jìn)氣口噪聲在全頻率范圍內(nèi)的最大聲壓值為118.14 dB(A)，比原進(jìn)氣口噪聲降低2.01 dB(A)。

【1】王小龍，陸靜，王亞運(yùn)，等.1/4波長(zhǎng)管參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲的影響研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2013(9):49-51.

WANG X L，LU J，WANG Y Y，et al.Effect of Parameters of 1/4 Wave Length Tube on Engine Intake Noise[J].Automobile Applied Technology,2013(9):49-51.

【2】邵恩坡，程漢華.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及其控制[J].小型內(nèi)燃機(jī)，1994(4):44-47.

【3】楊誠(chéng)，鄧兆祥，阮登芳，等.進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析及其降噪[J].汽車工程，2005,27(1):68-71.

YANG C，DENG Z X,RUAN D F,et al.The Generation Mechanism and Reduction Measures of Engine Induction Noise[J].Automotive Engineering，2005,27(1):68-71.

【4】劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001:172-179.

【5】龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2002.

Optimization and Analysis of Engine Intake System Noise

SUN Ying，LEI Lei，ANG Jinfeng，TAN Jian，WANG Qiang

(Research & Development Center, Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230000,China)

To solve the problem of intake system noise in a natural gasoline engine, GT-Power software was used to established the corresponding one-dimensional aerodynamic noise simulation model; the target frequency was distinguished by extracting the noise-frequency map diagram and the intake system noise SPL curve; for the target frequency, corresponding muffler was designed, and it was matched to the intake pipe, the noise of intake system was extracted after re-running the simulation model. The result shows that the denoising effect is obvious.

Intake system noise; Muffler design; Denoising

2016-05-15

孫影(1986—)，女，碩士研究生,助理工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)NVH及性能分析。E-mail:ying860225@163.com。

U464

A

1674-1986(2016)08-033-04