發(fā)動機排氣系統(tǒng)降噪研究及應(yīng)用

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

隨著汽車對NVH 要求不斷提高，人們不斷探索提升汽車聲音品質(zhì)的方法。無論采用什么樣的方法，直接減小噪聲源還是最直接、最有效。發(fā)動機是汽車動力的來源，同時發(fā)動機的振動和噪聲也是整車NVH 問題的來源之一，提升發(fā)動機的聲音水平能夠使整車噪聲水平得到一定改善。

1 發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲

按照發(fā)動機表面噪聲產(chǎn)生機理，發(fā)動機噪聲有燃燒噪聲和機械噪聲2 種，它們是發(fā)動機內(nèi)部燃燒和結(jié)構(gòu)機械運動產(chǎn)生的噪聲。按照噪聲輻射的方式不同，發(fā)動機噪聲又可以分為直接大氣輻射和發(fā)動機表面向外輻射2 種，發(fā)動機的排氣噪聲屬于直接大氣輻射噪聲。

發(fā)動機的排氣噪聲主要包括沖擊噪聲、輻射噪聲和尾管噪聲[1-2]。當(dāng)發(fā)動機排氣閥開啟后，廢氣以很高的速度從氣缸內(nèi)進入排氣歧管，沖擊排氣管路及部件產(chǎn)生噪聲，并通過排氣管向外輻射出來，最終以空氣噪聲和氣流摩擦聲從排氣尾管傳出。除排氣系統(tǒng)內(nèi)部噪聲外，發(fā)動機排氣隔熱罩、消聲器等具有薄壁結(jié)構(gòu)零件是表面輻射噪聲的來源，它們表面平且大，強度較低，容易將排氣管內(nèi)氣流噪聲向外輻射出來。

整個排氣過程是一個氣流復(fù)雜且不穩(wěn)定的過程，每個氣缸之間存在氣流的相互影響，使得排氣噪聲的研究變得更加復(fù)雜。由于每個氣缸排氣行程是周期性的，發(fā)動機排氣噪聲的基頻與發(fā)動機點火頻率相關(guān)，它的頻率計算公式為：

其中：n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；z 為氣缸數(shù)；i 為沖程數(shù)的一半。從式（1）可知，發(fā)動機噪聲基頻與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高噪聲基頻也就越高。除了基頻成分，排氣噪聲還有頻率為基頻整數(shù)倍的高次諧波，但隨著階次增加，噪聲降低[3]。

此外，發(fā)動機排氣噪聲的大小，與發(fā)動機功率，排量，轉(zhuǎn)速，平均有效壓力以及排氣口形狀、尺寸等因素有直接關(guān)系。試驗表明：排氣噪聲隨排量、轉(zhuǎn)速、功率及平均有效壓力的增加而提高。

2 發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲分析

為了準(zhǔn)確了解發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲情況，將發(fā)動機及其排氣系統(tǒng)安裝于半消聲室臺架進行試驗，采用LMS 高清聲學(xué)相機對它的排氣系統(tǒng)進行聲源定位分析。

通過試驗得到不同頻率的噪聲貢獻量以及噪聲的分布情況，發(fā)動機遠場聲壓/頻率曲線如圖1 所示，曲線中的峰值能夠反映該頻率下噪聲對整體聲壓水平的貢獻，以便找出最大噪聲問題部件從而解決問題，曲線反映了發(fā)動機在低頻區(qū)域聲壓值較大，而且存在較多尖銳的峰值，在高頻區(qū)域聲壓值隨頻率的升高而逐漸降低，曲線峰值較少。

圖1 發(fā)動機遠場聲壓/頻率曲線

采用高清聲學(xué)相機對發(fā)動機進行遠場噪聲定位，定位范圍包括發(fā)動機本體及其排氣系統(tǒng)的各部件，噪聲源分布情況如圖2、圖3 所示。

圖2 發(fā)動機10～5 000 Hz 遠場噪聲源定位

圖3 發(fā)動機5 000～10 000 Hz 遠場噪聲源定位

從噪聲源定位可知，在5 000 Hz 以下的頻率范圍內(nèi)最大噪聲主要來源于發(fā)動機本體，包括缸蓋、缸體、前端蓋、排氣歧管等部件；在5 000 Hz 以上的頻率范圍，一部分噪聲主要來自于發(fā)動機本體的缸蓋、前端蓋、排氣歧管等，另一部分噪聲主要來自于排氣系統(tǒng)的消聲器、尾管。因此，本文將針對不同的頻率、不同部件對發(fā)動機排氣系統(tǒng)進行降噪優(yōu)化。

3 發(fā)動機中低頻排氣噪聲優(yōu)化

通過聲學(xué)定位相機進行的最大噪聲源定位測試可知，在5 000 Hz 頻率以下，發(fā)動機的主要噪聲源來自于發(fā)動機本體。對于排氣系統(tǒng)來說，在發(fā)動機本體上的部件主要是排氣歧管和隔熱罩，因此需要對排氣側(cè)面進行噪聲源測試，分析它們對噪聲的貢獻。

圖4 發(fā)動機排氣側(cè)500～2 000 Hz 噪聲源定位

圖5 發(fā)動機排氣側(cè)2 000～3 000 Hz 噪聲源定位

發(fā)動機排氣側(cè)面噪聲源定位情況如圖4、圖5、圖6 所示。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是在低頻、中頻還是在高頻范圍，排氣側(cè)主要噪聲源幾乎都集中在排氣歧管和隔熱罩位置，只是在不同頻率下主要噪聲源位置稍微有些偏移。

圖6 發(fā)動機排氣側(cè)3 000～5 000 Hz 噪聲源定位

為了確定隔熱罩是否是排氣系統(tǒng)的一個主要噪聲源部件，將隔熱罩拆下進行對比測試。圖7、圖8、圖9 表示在無隔熱罩狀態(tài)下，不同頻率下發(fā)動機排氣側(cè)聲源定位情況。

圖7 發(fā)動機無隔熱罩10～2 030 kHz 聲源定位

圖8 發(fā)動機無隔熱罩2 000～3 000 Hz 聲源定位

圖9 發(fā)動機無隔熱罩3 000～5 000 Hz 聲源定位

從結(jié)果可知，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，在不同頻率下最大噪聲源位置在不斷變化，不同頻率表現(xiàn)的主要噪聲源部件不同，其中最大噪聲源在缸蓋、凸輪軸罩蓋及輪系等部件之間移動。

此外，根據(jù)排氣側(cè)1 m 聲壓級曲線（圖10 所示）可知，無隔熱罩狀態(tài)下發(fā)動機排氣側(cè)聲壓級明顯降低，噪聲峰值也大大減小。因此，需要對發(fā)動機排氣歧管隔熱罩進行優(yōu)化。

圖10 發(fā)動機排氣側(cè)1 m 聲壓級曲線

3.1 發(fā)動機排氣歧管隔熱罩優(yōu)化

隔熱罩用于保護發(fā)動機部件不受排氣高溫影響，它屬于薄片、扁平結(jié)構(gòu)，強度較低，約束點少，容易被機體激起振動，引起噪聲問題。隔熱罩1 階約束模態(tài)為534 Hz，如圖11 所示，需要優(yōu)化其強度，降低其振動敏感度。

3.2 發(fā)動機雙層隔熱罩方案

為了提高隔熱罩的強度，減少其薄弱部位，本文采用雙層隔熱罩設(shè)計進行驗證。通過軟件分析計算，雙層隔熱罩方案的1 階約束模態(tài)為883 Hz，比優(yōu)化前模態(tài)增加了近350 Hz，如圖12 所示。由于約束點沒有發(fā)生變化，雖然模態(tài)增加但隔熱罩的薄弱位置幾乎沒有發(fā)生變化。

在雙層隔熱罩之間設(shè)計了加棉措施，以便進一步提高隔振和吸音的效果。將不同厚度和加棉等方案的樣件放到原機上進行試驗，驗證效果對比如圖13 所示。在眾多方案中，我們選出方案為“2#薄雙層中間加棉”的方案為最佳，它不僅能降低排氣側(cè)聲壓級，而且能夠消減大部分噪聲峰值，能夠滿足降噪目的。

圖13 雙層隔熱罩排氣側(cè)聲壓級曲線

3.3 發(fā)動機增加約束隔熱罩方案

為了改善隔熱罩薄弱部位的強度，減少被激起振動的可能，在隔熱罩薄弱的位置增加約束點，然后進行試驗驗證。經(jīng)過軟件計算，增加約束點方案1 階約束模態(tài)達到838 Hz，比優(yōu)化前增加了近300 Hz，原來的薄弱位置也改變了。

圖14 增加約束隔熱罩一階約束模態(tài)

在中部增加約束點后，隔熱罩原來的薄弱位置不容易被激起振動，噪聲峰值有所減少，排氣側(cè)聲壓級降低。圖15 是幾種約束方案的測試結(jié)果，其中“5#增加兩個約束點”方案較優(yōu)。

圖15 增加約束隔熱罩排氣側(cè)聲壓級曲線

經(jīng)過驗證，2 種隔熱罩優(yōu)化方案都能夠降低發(fā)動機排氣側(cè)噪聲，并且消除大部分噪聲峰值，能夠滿足噪聲優(yōu)化要求。選擇方案時應(yīng)當(dāng)充分考慮2 種方案的利弊，雙層隔熱罩方案通過增加厚度來提高零件強度，零件消耗的材料有所增加；增加約束點方案需要在排氣歧管上增加額外螺栓的固定點，零件加工工藝增加。

4 發(fā)動機中高頻排氣噪聲優(yōu)化

通過聲學(xué)定位可知，發(fā)動機在5 000 Hz 以上的主要噪聲源，來自于消聲器及其尾管。消聲器在整個排氣系統(tǒng)中起到被動噪聲控制的作用，能夠有效降低排氣管路中的噪聲[4]。同時，由于它特殊的結(jié)構(gòu)，使得它是排氣系統(tǒng)輻射噪聲的聲源之一；發(fā)動機排出的廢氣直接從尾管排出，導(dǎo)致尾管處氣流噪聲較大。因此我們需要嚴(yán)格按照發(fā)動機排氣特性進行排氣系統(tǒng)的匹配和選型。

4.1 發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲性能仿真設(shè)計

為了達到更優(yōu)的聲學(xué)性能，排氣系統(tǒng)需要按照要求嚴(yán)格控制消聲器殼體的輻射噪聲以及排氣口的噪聲值，不同工況噪聲限值如圖16 和圖17 所示。

圖16 消聲器殼體輻射噪聲目標(biāo)值

按照設(shè)計目標(biāo)要求，對排氣系統(tǒng)各個參數(shù)進行取值，并采用GT-power 軟件對消聲器的插入損失、傳聲損失和壓力損失進行分析，最終根據(jù)噪聲計算結(jié)果選定最終尺寸。GT-power 仿真模型及結(jié)果如圖18、圖19、圖20 所示。

從仿真計算結(jié)果可知，設(shè)計的排氣系統(tǒng)尾管口噪聲、背壓能夠保持在目標(biāo)值以下，其2 階、4 階、6階和8 階的階次噪聲也能夠符合設(shè)計要求。

圖18 GT-power 仿真模型

圖19 尾管噪聲計算結(jié)果

圖20 排氣背壓計算結(jié)果

4.2 排氣系統(tǒng)優(yōu)化選型

根據(jù)仿真模擬得出的設(shè)計參數(shù)，按照設(shè)計值做出排氣系統(tǒng)的樣件共12 種，對于不同樣件進行試驗驗證。參考國標(biāo)測試方法，在2 擋、3 擋全油門的測試工況下，對12 種排氣系統(tǒng)樣件進行排氣消聲器輻射噪聲和排氣管口噪聲測試選型。測試中，將在正對消聲器腔體并距離10 cm 處、排氣尾管中心線偏45°距離15 cm 處布置麥克風(fēng)，對其位置噪聲數(shù)據(jù)進行測量并記錄，如圖21 所示。

2018年中國航海日志愿者群體主要由高校在校大學(xué)生、研究生以及工作人員組成，其中又以與港口航運密切相關(guān)的上海海事大學(xué)的同學(xué)為主。因此，筆者通過現(xiàn)場考察、結(jié)束后訪談和網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查對航海日的志愿者們展開調(diào)查。筆者共發(fā)放了120份問卷，其中回收的有效問卷為104份，并對5名志愿者進行了主題為“大學(xué)生志愿者語言服務(wù)能力”的訪談，包括大一、大二、大三學(xué)年的志愿者各一名，和兩名研究生志愿者，內(nèi)容涉及英語水平等級、英語口語會話能力、海事英語了解程度及使用能力、跨文化交際能力以及語言訓(xùn)練和培訓(xùn)等。具體調(diào)查結(jié)果如下。

圖21 測試中麥克風(fēng)布置情況

將測試樣件安裝到發(fā)動機半消聲室進行驗證，測試得到消聲器輻射噪聲曲線如圖22 和圖23 所示。2 擋、3 擋2 種工況下噪聲曲線的變化趨勢基本一致，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，消聲器輻射噪聲不斷增大。由于設(shè)計參數(shù)和加工工藝的差異，12 種樣件所呈現(xiàn)的噪聲變化規(guī)律各不相同，其中1#、3#、4#等樣件存在較多的噪聲峰值，9#、10#樣件在中低轉(zhuǎn)速下輻射噪聲偏高。

圖22 2 擋WOT 工況的消聲器輻射噪聲

圖23 3 擋WOT 工況的消聲器輻射噪聲

尾管口噪聲測試曲線如圖24 和圖25 所示，排氣尾管口噪聲隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而升高，中高轉(zhuǎn)速下1#、2#、3#、9#等樣件聲壓值偏高，部分樣件在低轉(zhuǎn)速范圍存在一些噪聲波動。

圖24 2 擋WOT 工況的排氣尾管口噪聲

圖25 3 擋WOT 工況的排氣尾管口噪聲

根據(jù)消聲器輻射噪聲和尾管口噪聲測試結(jié)果，并參考它們在2 階、4 階、6 階等階次噪聲情況，從12種設(shè)計樣件中選出3 種噪聲水平比較好的樣件作為優(yōu)化方案，分別是6#、7#和10#樣件。

5 發(fā)動機排氣噪聲優(yōu)化驗證

5.1 發(fā)動機臺架試驗驗證

將優(yōu)化后的排氣歧管隔熱罩樣件安裝到發(fā)動機半消聲室試驗臺架上，對發(fā)動機進行1 m 聲壓級測試，得到的測試數(shù)據(jù)后計算整機聲功率情況如圖26所示。

圖26 發(fā)動機整機聲功率測試結(jié)果對比

優(yōu)化后，發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)整機聲功率都比原機狀態(tài)有所下降，平均降低了1 dB 左右；在發(fā)動機中低速范圍，整機聲功率降低幅度最大，噪聲峰值也明顯消減。

5.2 發(fā)動機配整車試驗驗證

經(jīng)發(fā)動機臺架驗證和整車通過噪聲驗證后發(fā)現(xiàn)，本優(yōu)化方案對發(fā)動機及其整車都具有較好的降噪效果，使其聲學(xué)性能得到改善，達到優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果如表1 所示。

表1 發(fā)動機排氣系統(tǒng)優(yōu)化后驗證結(jié)果

6 結(jié)論

1）通過聲源定位測試，找到發(fā)動機的主要噪聲分布情況，其中排氣歧管隔熱罩的輻射噪聲在中低頻噪聲中起主要作用，在高頻噪聲中，排氣系統(tǒng)的消聲器噪聲和尾管噪聲起主要作用。

2）經(jīng)發(fā)動機臺架驗證，雙層隔熱罩方案和增加約束點隔熱罩方案都降低發(fā)動機排氣側(cè)噪聲，并能消減大部分排氣側(cè)的噪聲峰值，使發(fā)動機整機聲功率降低1 dB 左右。

3）排氣系統(tǒng)設(shè)計是按照仿真軟件模擬計算結(jié)果，參考優(yōu)化設(shè)計參數(shù)制成了12 種樣件，通過試驗選出最優(yōu)設(shè)計，其消聲器輻射噪聲和尾管口噪聲較低，2 階、4 階、6 階等階次噪聲較好。

4）經(jīng)整車通過噪聲測試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后方案的整車通過噪聲降低了0.5 dB 左右，提升了發(fā)動機及其整車的聲學(xué)水平，最終使整車通過噪聲值達到本車型聲學(xué)目標(biāo)值以下（≤74 dB）。