某發(fā)動機氣流敲擊異響試驗分析及優(yōu)化

陶書杰 楊國芳 郝少華 楊磊 王平

摘 ?要：本文以某款混動車型搭載1.5L增程式發(fā)動機為研究對象，發(fā)現(xiàn)該混動車型在怠速充電工況下產(chǎn)生有節(jié)奏的“咕嚕音”異響。通過對異響源進行特征頻率和傳遞路徑測試分析，確定了“咕嚕音”異響來自于進氣系統(tǒng)，為歧管前端駐波共振引起的氣流敲擊異響，其特征頻率為“300-500Hz”。通過對進氣系統(tǒng)的噪聲頻率分析優(yōu)化，針對異響特征頻率設(shè)計了一款排式諧振腔式的消聲單元，并在發(fā)動機NVH臺架上進行了優(yōu)化驗證試驗，其進氣口噪聲在“300-500Hz”頻段，噪聲下降約7-9dB（A），解決了異響“咕嚕音”的問題，取得了較好的降噪效果。

關(guān)鍵字：發(fā)動機;進氣系統(tǒng);咕嚕音;特征頻率;氣柱共振

中圖分類號：U467.2+1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0103-06

Experimental Analysis And Optimization Of Intake Pulsation Noise Of An Engine

TAO Shu-jie， YANG Guo-fang， HAO Shao-hua， YANG Lei， WANG Ping

（ Dongfeng Motor Company Technology Center， Quality Verification Center，

Wuhan 430058， China ）

Abstract： This paper takes a hybrid model equipped with a 1.5L add-on engine as the research object， and finds that the hybrid model produces a rhythmic “grunt” sound under idle charging conditions. Through the characteristic frequency and transmission path test analysis of the iso-loud source， it is determined that the “grunt sound” noise comes from the intake system and is caused by the resonance of the front of the manifold， with a characteristic frequency of “300-500Hz”. Through the optimization of noise frequency analysis of the intake system， a row-type resonant cavity-type muffler unit is designed for the characteristics frequency of the noise， and the optimization and verification test is carried out on the engine NVH bench， and its air intake noise is in the “300-500Hz” band， the noise drop is about 7-9dB（A）， which solves the problem of the ?“grunt” sound and achieves good noise reduction effect.

Key Words： ?Engine; ?Intake System; Grunt; ?Characteristic Frequency; ?The Gas Column Resonance

發(fā)動機是汽車的主要噪聲源，隨著發(fā)動機的應(yīng)用場景的不同，其動力輸出型式的變化也帶來了新的噪聲問題， 其中的異響問題也是汽車聲品質(zhì)研究中最普遍與最棘手的問題之一[1]。而進氣噪聲又是發(fā)動機的主要噪聲源之一，在有的高速發(fā)動機上，進氣噪聲甚至能比發(fā)動機本體噪聲高[2]，因此對于發(fā)動機進氣噪聲控制的研究是很有必要的。

本文以某混動車型搭載1.5L增程式發(fā)動機為研究對象，發(fā)現(xiàn)該混動車型在怠速充電工況下產(chǎn)生有節(jié)奏的“咕嚕音”異響，此異響與機械敲擊特征相似。通過對整車以及發(fā)動機進行噪聲、振動數(shù)據(jù)采集分析，鎖定噪聲源，確定了“咕嚕音”是一種進氣脈動異響。本文介紹了針對該異響問題的排查思路，以及關(guān)于該異響問題的優(yōu)化改進方案，有效地降低了進氣咕嚕音異響噪聲，并為同類異響問題的排查思路及改善優(yōu)化方案提供了借鑒及參考。

1 ? ?異響源識別試驗與分析

1.1 ? 試驗概況

試驗在較為安靜且空曠的環(huán)境進行，本文用于試驗研究的整車為一混合動力汽車。搭載的發(fā)動機為4缸直列、16氣門的汽油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1：

1.2 ? 異響源場景復(fù)現(xiàn)及主觀評價

通過對異響工況進行整車復(fù)現(xiàn)試驗，發(fā)現(xiàn)在怠速充電工況出現(xiàn)有節(jié)奏的“咕嚕音”異響，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1050rpm，輸出扭矩為90～140Nm，輸入給發(fā)電機的扭矩為30Nm～50Nm。通過用聽診器進行聲源排查，首先發(fā)現(xiàn)發(fā)動機機艙與車前近場噪聲異響特征最明顯，初步判斷異響來自于發(fā)動機。

1.3 ? 異響特征頻率分析

采用多通道振動噪聲信號分析系統(tǒng)，在主觀判斷異響較為明顯（車的正前方）的位置布置傳聲器，并進行噪聲測試分析。圖1為車前近場噪聲信號的小波分析圖，由圖1（a）可以看出，車前近場存在一種特征頻率在“300～500Hz”的有節(jié)奏的敲擊音，為確認車前近場噪聲信號中的異響特征是否對應(yīng)實際聽到的異響，通過對信號進行300至500Hz的帶通濾波處理，如圖1（b）為濾波處理后的噪聲信號，發(fā)現(xiàn)處理后的聲音在音色與節(jié)奏上與咕嚕音異響基本一致，因此確定咕嚕音異響為300-500Hz有節(jié)奏的敲擊音。

觀察圖1，由于異響特征頻率突出位置在1s出現(xiàn)約17次，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1050rpm，則該異響有17/（1050/60）≈1階特征;觀察幅值較高的幾個敲擊音特征，也可以描述為1s出現(xiàn)8～9次，也就是0.5階特征。

由以上分析可知，此敲擊異響的特征頻率為“300-500Hz”，敲擊節(jié)奏與發(fā)動機的1階和0.5階相關(guān)。由此推斷異響主要與發(fā)動機的兩個因素相關(guān)：（1）結(jié)構(gòu)傳遞--發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的機械敲擊異響;（2）噪聲輻射--發(fā)動機燃燒時進氣門周期性開閉引起的氣體壓力波動造成的進氣噪聲[1]。

1.4 ? 異響源傳遞路徑分析

1.4.1 結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析

若異響由發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的機械敲擊異響，其傳遞路徑應(yīng)以結(jié)構(gòu)振動傳遞為主，即由發(fā)動機缸體—懸上—懸下—座椅異軌—車內(nèi)。在懸置主動側(cè)與被動側(cè)、發(fā)動機排氣側(cè)缸體、變速箱殼體以及空氣濾清器上、進氣歧管上等布置振動測點，并進行振動測試與分析。

圖2為部分發(fā)動機振動測點與進氣系統(tǒng)振動測點的異響特征頻率分析圖。由圖2（a）可以看出，發(fā)動機排氣側(cè)缸體、變速箱殼體、左右懸置主動側(cè)無明顯異響特征。而由圖2（b）可看出，空氣濾清器、進氣歧管、進氣軟管前振動有明顯的異響特征。異響特征在發(fā)動機缸體本身的振動信號上不體現(xiàn)，而在與進氣系統(tǒng)相關(guān)的振動測點上體現(xiàn)，這說明異響源與發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)不相關(guān)，而與進氣系統(tǒng)相關(guān)。

1.4.2 噪聲輻射傳遞路徑分析

若異響由進氣系統(tǒng)相關(guān)，則其傳遞路徑應(yīng)以噪聲輻射傳遞為主，分別在車內(nèi)（副駕駛右耳）、發(fā)動機艙近場、發(fā)動機下方近場、進氣口近場（車前進氣格柵處）布置噪聲測點，采用多通道振動噪聲測試系統(tǒng)進行振動噪聲測試與分析，圖3為四個噪聲測點的噪聲信號小波分析圖，由圖3可以看出，進氣口近場異響特征（300-500Hz敲擊音特征）最明顯，而發(fā)動機下方近場與發(fā)動機艙近場無明顯特征。結(jié)合噪聲數(shù)據(jù)可知異響在車前進氣口明顯，異響主要來自于進氣系統(tǒng)。

2 ? ?異響源位置聚焦及原因分析

2.1 ? 異響場景再現(xiàn)—發(fā)動機臺架

為了進一步確定聲源的根本原因，此項聲源分解試驗在發(fā)動機NVH臺架上進行。根據(jù)發(fā)動機軸與發(fā)電機軸的連接齒輪的速比關(guān)系，計算得出整車怠速充電狀態(tài)下，發(fā)電機扭矩40Nm對應(yīng)發(fā)動機扭矩約為105Nm。因此在發(fā)動機半消聲室中進行發(fā)動機轉(zhuǎn)速1050rpm，扭矩105Nm的工況再現(xiàn)測試，發(fā)現(xiàn)進氣口近場有明顯異響特征。為了進一步明確異響與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)聯(lián)性，在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速與扭矩控制下進行振動噪聲測試。

異響與發(fā)動機扭矩的關(guān)聯(lián)性。固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1050rpm，在40s內(nèi)將發(fā)動機扭矩從50Nm均勻提升到150Nm，測試進氣軟管引出的進氣口近場，發(fā)現(xiàn)異響特征在發(fā)動機扭矩約100Nm到130Nm時較為明顯。扭矩低于100Nm時，異響在300-500Hz附近較弱，而扭矩高于130Nm時，噪聲在200-800Hz頻段附近能量都較高，沒有明顯的敲擊特征。

2.2 ? 進氣系統(tǒng)部件拆裝驗證試驗

為進一步確認異響源來源于進氣系統(tǒng)的哪一部分，進行了以下的排查試驗。拆卸下發(fā)動機的空氣濾清器，圖4為增壓器前進氣口噪聲信號小波分析圖，由圖4可以看出，在壓縮機前的進氣口近場噪聲仍存在明顯的異響特征。由此可以判斷異響源并非由空氣濾清器產(chǎn)生。

更換增壓器后進行的振動噪聲測試，將進氣軟管延長引出，分別測試原狀態(tài)的引出進氣口近場噪聲與更換競品增壓器后的引出進氣口近場噪聲，噪聲測點如圖5（a）。圖5（b）為該噪聲測點換裝增壓器前后異響特征頻率對比圖，結(jié)合主觀評價以及圖5（b）數(shù)據(jù)結(jié)果分析，異響均無明顯改善。則可判斷異響源并非增壓器。

而把節(jié)氣門敞開后（進氣不經(jīng)過空氣濾清器、增壓器、中冷器），在發(fā)動機1050rpm/105Nm工況下測試節(jié)氣門前進氣口近場噪聲。圖 6為節(jié)氣門前近場噪聲信號小波分析圖，由圖6可以看出明顯異響特征，這說明異響來源于進氣系統(tǒng)中冷后的部分。又結(jié)合節(jié)氣門近場噪聲1階的敲擊特征，推斷異響的波動與不同缸進氣過程產(chǎn)生的氣流波動有關(guān)。1階的敲擊特征說明在發(fā)動機一個工作循環(huán)中異響出現(xiàn)兩次，因此推斷異響是此發(fā)動機在工作循環(huán)中兩個缸在進氣過程中的氣流波動大造成的。

2.3 ? 異響敲擊時刻轉(zhuǎn)角分析試驗

為進一步驗證咕嚕音異響具體在進氣過程哪一時刻，進行曲軸轉(zhuǎn)角分析試驗。對節(jié)氣門近場噪聲進行300～500Hz濾波，并將所得濾波信號的時域轉(zhuǎn)換為角度域。如圖 7可知，異響在發(fā)動機一次工作循環(huán)中，出現(xiàn)于曲軸轉(zhuǎn)角約40°與400°時刻?？紤]異響在進氣歧管中的傳播時間，異響出現(xiàn)的時刻仍是在1缸與4缸進氣過程中。因此判斷咕嚕音異響產(chǎn)生于發(fā)動機四個缸進氣過程的氣流脈動大小不一，1缸與4缸氣流脈動較大，因此在發(fā)動機的的工作循環(huán)中出現(xiàn)這樣一種氣流導致的1階敲擊特征的咕嚕音異響。

由以上分析確認咕嚕音異響是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000～1500rpm，發(fā)動機扭矩100～130Nm出現(xiàn)的一種1階敲擊特征，其特征頻率為300～500Hz，來自于發(fā)動機的進氣系統(tǒng)的氣流脈動。此發(fā)動機進氣脈動噪聲主要是由進氣歧管前端處存在的駐波導致的，即某一缸進氣過程中，進氣系統(tǒng)中空氣柱振動的模態(tài)和對各缸激勵力的響應(yīng)耦合，造成其對應(yīng)的歧管口與進氣系統(tǒng)歧管前管內(nèi)各處的壓力在特定的頻譜模態(tài)下（如300～500Hz）出現(xiàn)較明顯峰值，即產(chǎn)生了氣柱共振[3-4]。關(guān)于發(fā)動機氣柱共振異響產(chǎn)生的機理，可查閱豐田公司針對于發(fā)動機缸內(nèi)氣柱共振所產(chǎn)生的異響隆隆聲的論文，本文對此不做詳述。

3 ? ?優(yōu)化改進效果驗證試驗

3.1 ? 優(yōu)化改進方案

由以上排查試驗分析，咕嚕音異響主要由氣柱共振產(chǎn)生的，其中進氣歧管長度不一會造成發(fā)動機運轉(zhuǎn)時各缸進氣過程中氣流模態(tài)的不同。因此，可通過調(diào)節(jié)進氣歧管長度來調(diào)節(jié)進氣系統(tǒng)聲品質(zhì)[5]，考慮采用等長進氣歧管方案，從激勵源上改善氣流均勻性，從而解決異響問題。本文采用的是在進氣系統(tǒng)中安裝特定頻率的諧振腔結(jié)構(gòu)，從“傳遞路徑”上有效減弱對應(yīng)頻率的噪聲。制作的進氣消音器由370Hz、385Hz、400Hz三個頻率的諧振腔組合而成，其結(jié)構(gòu)類似圖 8（b）。按圖8（a）所示將其安裝在進氣系統(tǒng)的空氣濾清器與增壓器之間。

3.2 ? 進氣消音器效果驗證試驗

在發(fā)動機噪聲試驗臺架上分別對原狀態(tài)與安裝了進氣消音器的狀態(tài)進行噪聲試驗，試驗工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速1050rpm，扭矩105Nm。通過試驗可以看出，采用改進方案后，由進氣軟管引出近場噪聲信號的小波分析圖（如圖 9.a）可知其在300-500Hz范圍有明顯減弱，由該噪聲的頻譜（如圖 9.b）可知其在300-500Hz的聲壓級降低了約7dB。進氣消音器對于咕嚕音異響有明顯改善效果。

4 ? ?結(jié)束語

通過進行整車異響排查和臺架聲源分解試驗，確定了異響的特征頻率及階次特征，并判斷出異響與進氣系統(tǒng)相關(guān)。通過對節(jié)氣門近場噪聲濾波分析，找到異響敲擊對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角時刻，判斷異響產(chǎn)生于1缸與4缸的進氣過程中，進一步驗證了進氣歧管前端處氣柱共振是咕嚕音異響的根源。

通過對異響產(chǎn)生機理的分析，提供了兩種改善方案。一是將進氣歧管改為等長進氣歧管，從振源上減弱4個缸之間的進氣脈動差異，從而減弱這種敲擊特征;二是從傳遞路徑上在進氣管路上安裝諧振腔以消除對應(yīng)頻率段的異響。第二種方案經(jīng)過試驗驗證，進氣口近場噪聲在300-500Hz頻率段，聲壓級下降約7-9dB（A），對發(fā)動機低速高扭矩工況下這種咕嚕音異響，有著明顯的改善效果。

以上這些優(yōu)化改進方案，只是針對于發(fā)動機整機的進氣噪聲降噪措施之一，發(fā)動機進氣噪聲的其他問題還需根據(jù)發(fā)動機的具體情況，采取相應(yīng)的改進措施。但這種對于氣流敲擊異響的排查解析方法以及對這種進氣噪聲異響的改善措施對同類機型的進氣系統(tǒng)的噪聲開發(fā)具有一定的指導意義。

參考文獻：

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專家推薦語

王必璠

東風商用車技術(shù)中心

平臺總師 ?研究員高級工程師

發(fā)動機的噪聲問題是近些年國內(nèi)提升發(fā)動機品質(zhì)的一個重要方面。在噪聲的起源和傳遞分析上有著許多新面臨的問題需要發(fā)動機廠家進行研究。該論文在選題上切合了發(fā)動機目前關(guān)注的方向，應(yīng)用的理論和實際分析方法符合目前的主流方向。通過理論和分析，對實際問題進行了解決，具備交流的條件。該論文條理清晰，語言通順，解決問題的實例具有一定的參考意義。