牛彩云 陳浩平 葉燕帥

（廣西科技大學(xué)，柳州 545006）

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是車輛產(chǎn)生噪聲的主要原因，但進(jìn)氣道產(chǎn)生噪聲的原因很復(fù)雜，包含了很多影響因素，管口噪聲就是非常重要噪音組成部分。目前，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真優(yōu)化主要集中在一維聲學(xué)方面，并不能將消聲原件模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。另外因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件聲學(xué)模型沒有實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及近似模型與優(yōu)化等都不能有效進(jìn)行，這對進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)周期產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，所以需要進(jìn)一步對仿真模型進(jìn)行探索和研究，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)優(yōu)化仿真，對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能進(jìn)行改善，保證其能夠更好地達(dá)到車內(nèi)外噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

1 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道聲學(xué)理論

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要由管道與消聲元件組成，在對進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)中，需要對頻率范圍進(jìn)行考慮，如果聲波波長要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道直徑以及消聲元件整體尺寸，則認(rèn)為聲波在該進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)是一種平面波形式進(jìn)行傳播的。因此，一般使用管道聲學(xué)對進(jìn)氣系統(tǒng)聲波傳播特性進(jìn)行分析，而管道聲學(xué)是一種研究聲波于管道內(nèi)進(jìn)行一維聲學(xué)的傳播[1]。

2 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣噪音的產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣門在使用中會產(chǎn)生周期性的開閉，導(dǎo)致進(jìn)氣管道內(nèi)空氣壓力和密度產(chǎn)生相應(yīng)起伏變化，從而發(fā)出空氣動力噪音，即進(jìn)氣噪音。根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣噪音所產(chǎn)生的原理可以將噪音類型分為四種，分別是具有周期性的壓力脈動類型噪音、氣缸赫姆霍茲共振噪聲、渦流噪聲以及進(jìn)氣管氣柱共振噪聲等。

3 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣噪聲的仿真模型建立

3.1 發(fā)動機(jī)模型

本文所研究的是自然吸氣類型的發(fā)動機(jī)，具有可變氣門4缸的汽油機(jī)，排量是1.485L、行程/鋼徑是84.7mm/74.7mm、最大的功率為81kW/5800r/min、最大的扭矩是142N·m/3800r/min、氣缸的點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2。根據(jù)上述參數(shù)建立發(fā)動機(jī)模型，模型主要包括發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣口環(huán)境、前消聲器、進(jìn)排氣管路、主消聲器、氣缸以及曲軸箱等元件。建立發(fā)動機(jī)模型需要遵守一定標(biāo)準(zhǔn)，其功率與轉(zhuǎn)矩計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)值之間的誤差要控制在5%之內(nèi)，發(fā)動機(jī)模型還可以在后期進(jìn)氣相關(guān)消聲元件戶必須耦合中使用，并對消聲元件性能基礎(chǔ)進(jìn)行評價(jià)[2]。

3.2 空氣濾清器的模型

發(fā)動機(jī)的消聲元件類型是多種多樣的，其中主要類型有空氣的濾清器、1/4波長管以及赫姆霍茲諧振腔等，空氣濾清器是進(jìn)氣道的主要消聲元件，其結(jié)構(gòu)與具有一定擴(kuò)張性的消聲器類似，且實(shí)際體積、插入管長度和擴(kuò)張比等都會對消聲性能產(chǎn)生很大影響。因此在發(fā)動機(jī)空氣濾清器具有的三維數(shù)?；A(chǔ)上，借助GT軟件內(nèi)具有的GEM3D模塊功能，進(jìn)行相應(yīng)的空氣濾清器的外殼導(dǎo)入，同時(shí)再借助模塊所具有的彎管、直管、材料阻性以及擋板等來進(jìn)行空氣濾清器模型建立。

3.3 赫姆霍茲諧振腔以及1/4波長管模型

赫姆霍茲諧振腔主要由腔體和短管組合而成，其中短管與進(jìn)氣主管進(jìn)行連接，1/4波長管安裝在主管道的旁支管上，其中一端呈現(xiàn)封閉狀態(tài)。根據(jù)對原發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，能夠得知該發(fā)動機(jī)赫姆霍茲諧振腔與1/4波長管尺寸，進(jìn)而在GT-Power中建立相應(yīng)模型。

3.4 消聲元件性能評價(jià)模型

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的噪音模型主要是在進(jìn)氣口位置安裝相應(yīng)麥克風(fēng)，一般距離發(fā)電機(jī)進(jìn)氣口約500mm且呈45°夾角，然后根據(jù)其模型進(jìn)行噪音影響計(jì)算。插入損失計(jì)算方法，要先將其消聲器元件部分借用相同長度直管來進(jìn)行代替，然后再計(jì)算進(jìn)氣口具有的噪聲，并用消聲元件來替換直管，再對進(jìn)氣口的噪聲實(shí)施計(jì)算，將得到的兩值進(jìn)行作差分析。對于壓力損失計(jì)算來說，一般是使用兩壓力傳感器分別對消聲元件具有的前壓力信號以及消聲元件的后壓力信號進(jìn)行累計(jì)，然后再進(jìn)行求差計(jì)算[3]。

3.5 消聲元件的性能計(jì)算結(jié)果的分析

通過上述進(jìn)氣口噪聲模型分析和計(jì)算，得到進(jìn)氣口相應(yīng)噪聲結(jié)果，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣口總聲壓級于目標(biāo)曲線之下，滿足設(shè)計(jì)要求，但是，對階次噪聲來說，在達(dá)到5600r/min的時(shí)候，階噪聲比目標(biāo)值略高，在3600r/min的時(shí)候，6階噪聲比目標(biāo)值也要高，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。消聲元件插入在中高轉(zhuǎn)速中，即3600～6200r/min下，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲元件的消聲效果是比較明顯的，但是在低速的情況下，盡管插入損失在10dB之上，但總體降噪能力還是比較弱，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4 進(jìn)氣消聲元件的優(yōu)化

通過增加空濾器容積，能夠?qū)M(jìn)氣口噪聲實(shí)現(xiàn)有效控制，進(jìn)而達(dá)到降噪目的。按照其發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)空間布置標(biāo)準(zhǔn)要求，對空氣濾清器的長度進(jìn)行增加，也能夠增加其體積，并對空氣濾清器進(jìn)氣管截面積進(jìn)行縮減。通過優(yōu)化完成后的空氣濾清器GEM3D模型以及發(fā)動機(jī)實(shí)施耦合計(jì)算，能夠得到1/3倍頻程特性情況，進(jìn)而就能夠得到個(gè)別頻率下，進(jìn)氣口是否存在噪聲高的情況，然后使用相應(yīng)的1/4波長管以及赫姆霍茲諧振腔進(jìn)行消除[4]。赫姆霍茲的諧振腔具有的中心頻率如式（1）所示。

式中，V為諧振腔容積，Sc為連接管截面積；lc為連接管的長度；c為聲速。根據(jù)對1/3倍頻程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而參照相應(yīng)的公式就可以得到不同的共振頻率情況下所使用的連接管長度：當(dāng)f為198.4Hz時(shí)，lc為2.2mm；當(dāng)f為315.0Hz時(shí)，lc為0.9mm。1/4波長管中心頻率如式（2）所示。

式中，L為1/4波長管長度；n為自然數(shù)，受元件布置空間所限制，一般情況下n取值為1。通過同樣的方式可以得到不同的共振頻率情況下的1/4波長管長度：當(dāng)f為500.0Hz時(shí)，L為170mm；當(dāng)f為793.7Hz時(shí)，L為107.1mm。同時(shí)還要對進(jìn)氣中的溫度變化進(jìn)行考慮，因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的變化是會造成進(jìn)氣流速發(fā)生變化，從而對諧振腔產(chǎn)生影響[5]。

如果使用GT-Power進(jìn)行計(jì)算，并對諧振腔以及1/4的波長管的長度尺寸來進(jìn)行調(diào)整，可以把諧振腔以及連接管的長度依次調(diào)整為0.9mm、2.3mm；把1/4波長管的長度依次調(diào)整為173.2mm、109.1mm。再將優(yōu)化完成后進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲元件與發(fā)動機(jī)的模型實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算和分析，這樣就可以得到相應(yīng)優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)具有的噪聲。這時(shí)候發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口噪聲在總壓聲級上是下降的，其最大噪聲我76.98dB（A）/6200r/min，在其額定的轉(zhuǎn)速是5800r/min時(shí)，噪聲為76.35dB（A），其各階次聲壓級都低于目標(biāo)噪聲值，這比改進(jìn)前的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲有所降低，優(yōu)化效果也比較好。優(yōu)化完成后的進(jìn)氣消聲元件和發(fā)動機(jī)進(jìn)行耦合后，從進(jìn)氣口的位置到節(jié)氣門進(jìn)氣壓降是2.5kPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

5 結(jié)語

通過GT-Power建立發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的性能仿真模型，對原進(jìn)氣的系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比和分析，發(fā)現(xiàn)總壓級雖然在目標(biāo)曲線之下，滿足了限值要求標(biāo)準(zhǔn)，但對于階次噪聲，在4階以及6階轉(zhuǎn)速下，噪聲仍比原有系統(tǒng)噪聲要高。

對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲元件進(jìn)行優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了有效增加空氣濾清器容積的目標(biāo)，并對其赫姆霍茲諧振腔以及1/4波長管進(jìn)行了調(diào)整，對模型進(jìn)行計(jì)算分析可知，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口噪聲總壓級在目標(biāo)規(guī)定噪聲之下的，各階次聲壓級也都低于遠(yuǎn)設(shè)備噪聲數(shù)值，同時(shí)改進(jìn)后的進(jìn)氣壓降也滿足2.5kPa限值要求標(biāo)準(zhǔn)。

通過GT-Power軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道噪聲控制進(jìn)行研究，對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有不錯(cuò)的降噪效果，并且有效縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。另外，通過GTPower軟件還能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)進(jìn)氣口產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效的預(yù)測，不僅能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)效果進(jìn)行有效控制，還能夠?yàn)榘l(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)長遠(yuǎn)開發(fā)和研究提供全面準(zhǔn)確的指導(dǎo)，從而促進(jìn)其更好的發(fā)展。