許亞峰，周維，劉興利，劉兵，王瑞麟

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110104）

某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)尾管噪聲優(yōu)化

許亞峰，周維，劉興利，劉兵，王瑞麟

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110104）

文章首先確定排氣噪聲的來(lái)源，針對(duì)特定的問(wèn)題制定相應(yīng)的優(yōu)化方法，并應(yīng)用GT-power軟件對(duì)不同方案進(jìn)行仿真分析，選取最優(yōu)方案并在實(shí)車上進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化方法解決了噪聲問(wèn)題。

排氣系統(tǒng)；噪聲；GT-power

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-216-03

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的主要功能除了能順利的將廢氣排出，還要有很好的降噪作用。排氣系統(tǒng)是汽車最主要的噪聲源之一，不但要滿足顧客對(duì)汽車舒適性的要求也要面對(duì)日益嚴(yán)苛的國(guó)家法規(guī)。所以排氣系統(tǒng)降噪設(shè)計(jì)非常重要。本文研究的項(xiàng)目是對(duì)某排氣系統(tǒng)噪聲問(wèn)題原因的調(diào)查，從而制定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，最終開(kāi)發(fā)出滿足要求的排氣系統(tǒng)。

應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)計(jì)算分析軟件GT-power建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)和聲學(xué)分析模型，計(jì)算出不同消聲方案的排氣口噪聲總聲壓值及階次噪聲值。通過(guò)不斷的改進(jìn)消聲結(jié)構(gòu)，針對(duì)性的消除某些峰值噪聲，直到滿足控制目標(biāo)。

1、排氣噪聲源

1.1 排氣尾管噪聲源

尾口噪聲是一種脈動(dòng)噪聲。聲音是以平面波在管道中傳播，當(dāng)達(dá)到尾管時(shí)，由于聲阻抗不匹配一部分波會(huì)透過(guò)管道繼續(xù)傳播，而另一部分聲波則被反射回去，形成反射波。

尾口噪聲由兩部分噪聲組成：空氣噪聲和氣流摩擦噪聲。穩(wěn)定的氣流在尾管處發(fā)出空氣噪聲，而不穩(wěn)定的氣流則產(chǎn)生摩擦噪聲。在尾管噪聲中，這兩種噪聲所占成分取決于氣流流量的大小和速度。流量小和速度低時(shí)，空氣噪聲占主要成分；而流量大和速度快時(shí)，摩擦噪聲占主要成分[1]。

1.2 問(wèn)題原因分析

該排氣系統(tǒng)為雙尾口設(shè)計(jì)，消音器左右出氣結(jié)構(gòu)有少許的差異導(dǎo)致該款發(fā)動(dòng)機(jī)的尾管噪聲經(jīng)過(guò)幾輪優(yōu)化后問(wèn)題始終發(fā)生在1000-1300rpm與 2700rpm左右的左側(cè)尾口二階噪聲（見(jiàn)圖1）。因?yàn)槠渲?700rpm的峰值噪聲嚴(yán)重影響的了車內(nèi)的聲品質(zhì)，使車內(nèi)存在明顯的共鳴。1000-1300rpm的二階噪聲對(duì)應(yīng)的頻率33-43Hz，2700rpm的二階噪聲對(duì)應(yīng)的頻率為90Hz.都屬于低頻噪聲問(wèn)題，具體計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[2]為此專門(mén)針對(duì)排氣尾管噪聲做了接大消音器的解耦試驗(yàn)（見(jiàn)圖2），圖中虛線是排氣口又接了一個(gè)大消音器的測(cè)試結(jié)果，實(shí)線是基態(tài)的的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)曲線對(duì)比，屏蔽掉尾口噪聲后全階及各階次明顯降低，從而確定了33-43Hz和90Hz確實(shí)是由排氣尾口貢獻(xiàn)的。

圖1 左側(cè)尾口噪聲測(cè)試結(jié)果

圖2 解耦試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

其中2700rpm的二階峰值噪聲幅值較為異常，因此制作了一套不帶消音器的排氣系統(tǒng)（見(jiàn)圖3），來(lái)了解此噪聲源的產(chǎn)生的根本原因，以確定具體的調(diào)音手段。

圖3噪聲源測(cè)試方案

圖4 噪聲源測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果中（圖4）可以清晰的看出2700rpm有明顯的共振帶 ，根據(jù)測(cè)試聲音回放確認(rèn)為燃油進(jìn)入排氣管二次燃燒，產(chǎn)生的放炮聲。確定了90Hz的噪聲不單單是二階貢獻(xiàn)的，整個(gè)頻帶分布較寬，需要在設(shè)計(jì)消音器時(shí)更多的拓寬消聲頻帶也是本次優(yōu)化中的難點(diǎn)。為此我們借助GT-power強(qiáng)大的仿真能力，首先建立起發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模型，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后該模型能夠精確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，然后利用GT-power模塊的聲學(xué)模塊對(duì)原排氣系統(tǒng)經(jīng)行初步優(yōu)化，再與發(fā)動(dòng)機(jī)模型耦合，計(jì)算排氣尾管噪聲，判斷能否滿足噪聲及性能要求，最終通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證及發(fā)動(dòng)機(jī)背壓測(cè)試驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2、GT-Power模型的建立

2.1 模型的建立

應(yīng)用GT-power建立完整的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型（圖5）所示，包括進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸和排氣系統(tǒng)。其中進(jìn)氣系統(tǒng)不涉及性能優(yōu)化，利用GT中的壓損元件通過(guò)改變小孔直徑模擬真實(shí)的進(jìn)氣阻力，利用GT-power里的GEM3D模塊對(duì)排氣系統(tǒng)中消和后消建立詳細(xì)的子模型，并利用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證。

在建模過(guò)程中使用了原機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的空燃比、發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功；使用PID壓力控制模式，保證進(jìn)氣歧管壓力與實(shí)測(cè)一致；使用單峰wiebe燃燒模型，利用測(cè)量所得的缸內(nèi)壓力曲線計(jì)算出wiebe燃燒模型的主要參數(shù)，包括50%燃燒點(diǎn)、10%-90%燃燒持續(xù)期與燃燒品質(zhì)指數(shù)[3]。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power數(shù)值模型

2.2 模型的標(biāo)定

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模型能精確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模型利用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)行標(biāo)定。標(biāo)定的內(nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)損失功率、燃油質(zhì)量、渦輪前后壓力、IMEP、BSFC、進(jìn)氣流量、進(jìn)排氣系統(tǒng)的壓力波動(dòng)、排氣系統(tǒng)中排氣總溫度、催化器前溫度，必要時(shí)標(biāo)定出排氣系統(tǒng)各段的溫度梯度等[3]。

圖6 扭矩的標(biāo)定

圖4 進(jìn)氣流量的標(biāo)定

圖7 功率的標(biāo)定

圖5 催前溫度的標(biāo)定

其余標(biāo)定參數(shù)不再一一列出，GT模型計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果誤差控制在5%以內(nèi)，進(jìn)氣流量控制在2%，該GT模型滿足工程設(shè)計(jì)要求[4]。

2.3 GT-power的計(jì)算

圖6是原排氣系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，GT-power不能模擬排氣尾管的摩擦噪聲，所以通過(guò)麥克風(fēng)中的Flownoise修正，修正值設(shè)置為85dB結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好。其中1000-1300rpm超出目標(biāo)線能夠從仿真結(jié)果從體現(xiàn)出來(lái)；因?qū)崪y(cè)時(shí)2700rpm的二階峰值是異常噪聲，所以未能在仿真中體現(xiàn)出來(lái)，這部分的噪聲峰值只能依靠實(shí)際的調(diào)音經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成優(yōu)化。

圖6 原消音器方案計(jì)算結(jié)果

圖7 后消方案?jìng)鬟f損失計(jì)算結(jié)果

表1 消音器設(shè)計(jì)方案

2.4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩套新中消和兩套新后消方案(表1)，在設(shè)計(jì)這四個(gè)方案過(guò)程中，利用GT-power里的聲學(xué)模塊，計(jì)算各個(gè)方案的傳遞損失；傳遞損失是指消音器入口處的入射聲功率級(jí)與出口處的透射聲功率級(jí)之差，GT-power的計(jì)算模型通過(guò)四個(gè)傳感器得到消音器上、下游的壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)自譜和互譜運(yùn)算得到消音器的傳遞損失，計(jì)算時(shí)需要增加氣體溫度參數(shù)，本文設(shè)置為300℃[5]，圖7是原后消與兩個(gè)新后消傳遞損失的計(jì)算結(jié)果。對(duì)中消也做同樣的計(jì)算。其中針對(duì)本文的問(wèn)題難點(diǎn)，中消FM1#的彎管設(shè)計(jì)相當(dāng)于提高了擴(kuò)張比有利于中低頻消聲；后消RM2#單獨(dú)設(shè)計(jì)的一個(gè)中心頻率40Hz左右的霍爾姆茲諧振腔，從傳遞損失計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在40Hz附近新方案較原方案?jìng)鬟f損失有明顯的提高。針對(duì)“放炮聲”方案一的中后消連接管管徑縮小來(lái)提高整個(gè)頻帶的消聲能力。從計(jì)算結(jié)果看在200Hz以內(nèi)較原方案?jìng)鬟f損失有明顯提高，還有如管路的穿孔率、隔板穿孔面積、消音材料的填充密度等不在一一說(shuō)明。

特別的是排氣系統(tǒng)壓力損失的大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失的大小，所以消音器聲學(xué)性能設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失[6].經(jīng)仿真計(jì)算，在額定功率點(diǎn)時(shí)，排氣系統(tǒng)靜壓力分別為50kpa、52kpa,滿足開(kāi)發(fā)需求。

將兩個(gè)中消和后消組合成四組方案，分別與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合，計(jì)算排氣尾管噪聲，注意離散長(zhǎng)度選取合理，本文的離散長(zhǎng)度為25mm。圖8是最優(yōu)方案與原方案尾管噪聲計(jì)算結(jié)果對(duì)比，因二階是主要問(wèn)題階次，本文只列出二階優(yōu)化前后的對(duì)比。從結(jié)果上看FM1#+RM1#、FM2#+RM2#計(jì)算結(jié)果均好于原方案，所以制作中、后消四套方案進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證（圖9）。

圖9 整車測(cè)試示意圖

圖8 優(yōu)化方案與原方案二階噪聲對(duì)比

3、整車半消音室測(cè)試

在整車半消音室進(jìn)行尾口噪聲的測(cè)試，測(cè)試工況3GWOT,最終選取FM1#、RM1#以及管徑縮小為最終方案，從測(cè)試結(jié)果可知：Overall滿NVH目標(biāo)，1000-1300rpm、2700rpm的峰值均降低到目標(biāo)線以下，滿足排氣尾管開(kāi)發(fā)要求。

圖11 左尾口階次測(cè)試結(jié)

圖10 左尾口全階測(cè)試結(jié)果

4、結(jié)論

應(yīng)用GT-power軟件可以對(duì)排氣系統(tǒng)的噪聲經(jīng)行控制研究，能夠快速的經(jīng)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。本文針對(duì)排氣系統(tǒng)1000-1300rpm、2700rpm的峰值噪聲進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，并優(yōu)化方案經(jīng)行了詳細(xì)的噪聲計(jì)算分析，最終解決了此問(wèn)題。

1）通過(guò)解耦試驗(yàn)來(lái)判斷較難消除的噪聲峰值是由排氣系統(tǒng)貢獻(xiàn)的，并且對(duì)排氣系統(tǒng)噪聲源進(jìn)行分析，確定的異響的根本原因，制定合適的優(yōu)化方案。

2）GT-power只能計(jì)算脈動(dòng)噪聲，所以在3000rpm以下以脈動(dòng)噪聲為主的時(shí)候可以計(jì)算的非常準(zhǔn)確；3000rpm以上摩擦噪聲為主時(shí)，只能靠測(cè)試結(jié)果來(lái)修正這部分噪聲。

3）縮小管徑可以提高較寬頻帶的傳遞損失，在合理的背壓設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)目s小管徑對(duì)于消除寬頻帶噪聲有明顯作用。

[1] 龐劍,譫剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)[M].北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 吳文江,馮國(guó)勝.汽車排氣噪聲控制技術(shù).城市車輛,2000.1.

[3] Gamma Technologies,Inc.GT-Power USERS MANUAL.Gamma Technologies,2006

[4] 侯獻(xiàn)軍,王天田,田翠翠,等.基于GT-POWER的乘用車消音器設(shè)計(jì)（J）.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30（2）:161-165.

[5] 劉晨,季振林,胡志龍.高溫氣流對(duì)穿孔消音器聲學(xué)性能的影響[J].汽車工程.2008,20（4）：330-334.

[6] 劉晨,季振林,胡志龍,等.汽車排氣消音器結(jié)構(gòu)形式對(duì)壓力損失的影響[J].汽車工程,2008,30,（12）：1113-1116.

Tailpipe noise optimization of engine exhaust system

Xu Yangfeng, Zhou Wei, Liu Xingli, Liu Bing, Wang Ruilin
( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110104 )

This article determine the source of exhaust noise. Develop appropriate optimization methods for specific problems. Simulation analysis of different schemes by GT-power software. Select the best solution and verity it in the real vehicle. The experimental results show that the optimization method can solve the noise problem.

exhaust system; noise; GT-power

U463.3

A

1671-7988 (2017)10-216-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.074

許亞峰，助理工程師，排氣系統(tǒng)工程師，就職于華晨汽車工程研究院。