吳喜慶 崔振偉 王亞飛 徐猛 李基芳 何偉舉 付宇

（中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的不斷發(fā)展，汽車日益普及，人們對(duì)汽車NVH性能上的要求也發(fā)生了變化，尤其對(duì)整車噪聲方面越來越重視。節(jié)氣門嘯叫作為比較有代表性的汽車加速噪聲，近年來受到了越來越多整車廠和用戶的關(guān)注。但該噪聲發(fā)生的機(jī)理較為復(fù)雜，涉及的零部件和系統(tǒng)較多，所以成為整車NVH開發(fā)中的難點(diǎn)之一[1]。文章基于某型汽油機(jī)轎車出現(xiàn)的節(jié)氣門嘯叫問題，通過增加擾流網(wǎng)的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改善，并通過整車節(jié)氣門嘯叫噪聲試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證。

1 節(jié)氣門嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理

在汽車怠速或低速行駛時(shí)，當(dāng)駕駛員快速踩下油門踏板，ECU將此信號(hào)反饋到節(jié)氣門體上，節(jié)氣門體通過電機(jī)快速打開閥片，此時(shí)由于閥片兩側(cè)的氣壓差大，造成氣流快速通過節(jié)氣門體而進(jìn)入進(jìn)氣歧管。

圖1示出節(jié)氣門嘯叫示意圖。從圖1可以看出，當(dāng)節(jié)氣門體閥片快速旋轉(zhuǎn)打開時(shí)，從閥片上側(cè)通過的氣流斜向下流動(dòng)，如虛線所示，從閥片下側(cè)通過的氣流斜向上向中間流動(dòng)。當(dāng)這兩股氣流發(fā)生撞擊，造成進(jìn)氣湍流的加大，并生成高頻率的壓力波動(dòng)，產(chǎn)生噪聲并向外輻射，這就是節(jié)氣門嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理。

圖1 節(jié)氣門嘯叫示意圖

文章研究的轎車搭載一款1.5 L的四缸汽油機(jī)，該汽油機(jī)采用塑料進(jìn)氣歧管。由于塑料密度小，隔聲和吸聲能力差，其內(nèi)部產(chǎn)生的節(jié)氣門嘯叫會(huì)更加明顯而更容易被人感知，而且該車的節(jié)氣門嘯叫發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲之前，人為能夠明顯分辨出來，其余工況下基本感知不到。這主要是因?yàn)楣?jié)氣門嘯叫的噪聲與氣流湍動(dòng)能和氣流密度的乘積成正比[2]。根據(jù)節(jié)氣門角度與嘯叫噪聲的關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，節(jié)氣門開度小，氣流密度低，因此嘯叫不明顯；而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，節(jié)氣門閥片開度很大，一般在60°以上。由于進(jìn)氣歧管內(nèi)的真空度降低，氣流湍動(dòng)能很小，所以嘯叫也不明顯。節(jié)氣門嘯叫屬于氣流碰撞產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象，無法消除，只能采取相關(guān)措施進(jìn)行改善，使得該噪聲遠(yuǎn)離人耳的聲音敏感區(qū)域。同時(shí)，還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能不能有較大程度的損失。

2 擾流網(wǎng)方案設(shè)計(jì)與確定

由于該車型進(jìn)氣歧管為量產(chǎn)件，同時(shí)綜合考慮成本和開發(fā)周期等各方面因素，確定采用增加抗性消聲器的方式來降低節(jié)氣門嘯叫噪聲。即通過改變進(jìn)氣管道的截面積來使得氣流聲阻抗發(fā)生變化，聲阻抗的計(jì)算公式如下：

式中：Z——聲阻抗，Pa·s/m3；

p——聲壓，Pa；

S——截面積，m2；

u——?dú)饬魉俣?，m/s。

從式中可知，當(dāng)減小進(jìn)氣管道的截面積，氣流的聲阻抗會(huì)增加，從而降低進(jìn)氣噪聲。因此，確定了在節(jié)氣門體與進(jìn)氣歧管之間的密封圈上增加擾流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方案，該擾流網(wǎng)裝配后的位置在圖1中的上側(cè)。在節(jié)氣門體閥片旋轉(zhuǎn)打開后，閥片上側(cè)的氣流通過擾流網(wǎng)后由于擾流網(wǎng)的阻力使得氣流動(dòng)能降低，并且也能夠?qū)饬鳟a(chǎn)生一定的導(dǎo)流作用，使得大部分氣流通過擾流網(wǎng)后水平流動(dòng)，避免了與下側(cè)氣流的撞擊，因此不易產(chǎn)生過強(qiáng)的湍流，進(jìn)而減少了由此帶來的嘯叫噪聲。同時(shí)，為了盡量降低進(jìn)氣阻力，減少進(jìn)氣系統(tǒng)的功率損失，則只在圖1中上側(cè)布置了擾流網(wǎng)。

通過利用STAR-CCM+模擬分析軟件對(duì)不同網(wǎng)格密度的擾流網(wǎng)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了如圖2所示的設(shè)計(jì)方案。

圖2 擾流網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)

為了充分驗(yàn)證該擾流網(wǎng)方案對(duì)整車性能的影響程度，分別進(jìn)行了整車節(jié)氣門嘯叫噪聲試驗(yàn)以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，并與原車狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1 整車節(jié)氣門嘯叫噪聲試驗(yàn)

為了更好地對(duì)節(jié)氣門嘯叫噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在整車的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門體前側(cè)10 cm處和車內(nèi)駕駛員右耳處分別安裝了麥克風(fēng)，如圖3所示。并使用比利時(shí)LMS公司的310數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過LMS TEST.Lab 12A軟件的Signature Advanced模塊進(jìn)行分析處理。

圖3 實(shí)車節(jié)氣門嘯叫噪聲測(cè)試圖

試驗(yàn)工況：汽車定置急踩油門，路面選用普通柏油路面，為了盡量減少人為因素的干擾，試驗(yàn)過程中駕駛員為同一個(gè)人。

表1示出汽車定置工況下聲壓級(jí)和響度對(duì)比。從表1中可以看出，增加擾流網(wǎng)后，在節(jié)氣門附近和駕駛員右耳附近的聲壓級(jí)和響度均有較大程度改善。其中聲壓級(jí)降低了約3 dB（A）以上，響度降低了2 sone和0.2sone，即聲音變得更小更弱。同時(shí)，清晰度和尖銳度也有一定的改善。這也與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員主觀評(píng)價(jià)相一致。

表1 汽車定置工況聲學(xué)參數(shù)對(duì)比

圖4和圖5分別示出汽車定置工況下駕駛員右耳和節(jié)氣門噪聲頻圖對(duì)比，由此可知，在1 500～23 000 Hz范圍內(nèi)的噪聲幅值均有所下降，這也是聲壓級(jí)和響度降低的主要原因。

圖4 駕駛員右耳噪聲頻譜圖對(duì)比

圖5 節(jié)氣門噪聲頻譜圖對(duì)比

圖6和圖7分別示出駕駛室和發(fā)動(dòng)機(jī)的嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖。從圖6和圖7中可以看出，節(jié)氣門嘯叫噪聲在時(shí)域上要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲之前，提前約0.3 s左右。在頻域上節(jié)氣門嘯叫覆蓋的頻率范圍要更寬。同時(shí)，在噪聲頻率上，加擾流網(wǎng)后的節(jié)氣門嘯叫噪聲頻率變得更低。這主要是由于擾流網(wǎng)使得進(jìn)氣管道的橫截面積變小，氣流的阻抗變大，由此導(dǎo)致氣流波動(dòng)變小，頻率降低[3]。另外，增加擾流網(wǎng)后節(jié)氣門嘯叫噪聲的強(qiáng)度要低于原車，這在圖7中能夠更明顯的表示出來。

圖6 駕駛室嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖對(duì)比

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)艙嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖對(duì)比

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)

由于在進(jìn)氣歧管進(jìn)氣口增加了擾流網(wǎng)，由此使得氣流流通的阻力增加，造成進(jìn)氣系統(tǒng)的能量損失。如果該能量損失過大，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩就會(huì)大幅度下降[3]。通過計(jì)算可知，擾流網(wǎng)遮擋的進(jìn)氣口面積約占了進(jìn)氣口總面積的10%左右。從圖8中也可以看到進(jìn)氣阻力在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有了一定的增加，但增加的幅度很小，平均增加約為0.2 kPa。

圖8 某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力對(duì)比

圖9示出發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下的功率和扭矩曲線。從圖9可以看出，增加擾流網(wǎng)前后發(fā)動(dòng)機(jī)的功率基本沒變化，扭矩在個(gè)別工況點(diǎn)略有下降，但降低幅度也在1%以內(nèi)。由此可見該擾流網(wǎng)方案能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性上的要求。

圖9 某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩對(duì)比

基于以上試驗(yàn)的驗(yàn)證可知，該擾流網(wǎng)方案能夠有效降低節(jié)氣門嘯叫噪聲，而且對(duì)整車性能影響較小。綜合考慮整車NVH主客觀評(píng)價(jià)，后續(xù)可以在此基礎(chǔ)上通過加強(qiáng)整車車身密封性和增加前圍板隔聲墊等措施，進(jìn)一步提高整車加速噪聲品質(zhì)[4]。

4 結(jié)論

基于某型轎車在汽車定置急踩油門工況中出現(xiàn)的節(jié)氣門嘯叫問題進(jìn)行了增加擾流網(wǎng)的方案設(shè)計(jì)。針對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了節(jié)氣門嘯叫的整車評(píng)價(jià)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知該方案能夠有效降低整個(gè)噪聲頻域范圍內(nèi)的幅值，使得節(jié)氣門嘯叫的聲壓級(jí)降低3 dB（A）以上。同時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)對(duì)比分析得知，發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下的動(dòng)力性損失很小，能夠滿足整車對(duì)動(dòng)力性的需求。綜合考慮整車NVH主客觀評(píng)價(jià)，可以在此基礎(chǔ)上通過加強(qiáng)整車車身密封性和增加前圍板隔聲墊等措施，進(jìn)一步提高整車加速噪聲品質(zhì)。