發動機進氣系統聲學性能動態優化設計

岳貴平 張義民

東北大學,沈陽,110004

0 引言

發動機進氣系統噪聲是車輛最主要的噪聲源之一,對車內噪聲影響尤其顯著[1]。目前,發動機進排氣系統噪聲仿真主要集中在一維聲學上,消聲元件的聲學模型不能參數化,并且必須具備發動機仿真模型所需的幾何參數和物理參數[2-4]?，F階段國內的大多數發動機生產企業還不具備自主研發能力,這些企業不能夠提供發動機仿真模型所需的幾何參數和物理參數,進氣系統的聲學匹配不能順利進行;另外,由于進氣系統消聲元件的聲學模型不能參數化,發動機進氣系統聲學性能的試驗設計(design of experiments,DOE)、近似模型和優化等分析就不能進行,嚴重地影響了進氣系統的開發周期。從實際情況出發,在不具備發動機仿真模型的情況下,如何進行進氣系統的聲學匹配?在進氣系統開發階段,如何實現消聲元件的參數化設計?解決上述問題對現階段發動機進氣系統聲學性能設計至關重要。

發動機進氣系統聲學性能動態優化設計,是在發動機進氣系統管口噪聲動態模擬的基礎上進行的消聲元件優化設計[5-6]。本文針對發動機進氣系統往往需要匹配赫爾姆茲消聲器的要求,應用噪聲仿真簡易法和赫爾姆茲消聲器的集中參數模型,在不具備發動機仿真模型的情況下,通過進氣系統管口噪聲DOE分析,利用階次峰值噪聲響應面近似模型對赫爾姆茲消聲器的設計參數進行優化,從而改善進氣系統的聲學性能,使其更好地滿足車輛車內外噪聲的要求[7-10]。

1 基本理論

1.1 管道聲學

由于發動機進氣系統的軸向尺寸遠遠大于另外兩個尺寸,聲波被認為在管道中以平面波的形式傳播,因此通常用管道聲學來分析進氣系統中聲波的傳播特性,管道聲學就是研究聲波在管道中傳播的一維聲學,聲學方程如下[1]：

式中,p為管道中某點的聲壓;x為位置變量;c為聲波在管道中傳播的聲速;t為時間變量。

對于空氣等流體介質,聲壓為聲波在管道中傳播時介質的壓力波動,有[6]

式中,px為管道中某點的壓力;peq為管道中某點的靜壓。

peq近似于壓力 px的平均值,即

式中,T為周期,等于發動機的一個工作循環。

由式(2)和式(3)可知,求管道聲學方程的前提是要確定壓力p x。

1.2 赫爾姆茲消聲器

赫爾姆茲消聲器結構簡單,消聲量高,壓力損失小,廣泛應用于發動機進氣噪聲控制中。赫爾姆茲消聲器是由一個消聲容器和一根連接管組成的,如圖1所示。如果赫爾姆茲消聲器的消聲容器和連接管的幾何尺寸遠小于共振頻率的波長,連接管體積遠小于消聲容器體積,那么消聲器就類似于動力減振器,可以采用古典的集中參數模型來估算消聲器的傳聲損失和共振頻率：

圖1 赫爾姆茲消聲器結構示意圖

式中,V為消聲容器的容積;Sc為連接管的截面積;l為連接管的長度;fr為消聲器的共振頻率;f為聲源的頻率成分;c為聲波在空氣中傳播的速度。

2 聲學仿真平臺

根據整車廠的要求,某型號微型車需要改善車內噪聲,進氣系統聲學性能需要重新設計,但發動機生產企業不能提供發動機仿真模型所需的幾何參數和物理參數。從實際情況出發,在不具備發動機仿真模型的情況下,基于噪聲仿真簡易法,搭建發動機進氣系統聲學仿真平臺,為進氣系統聲學性能優化設計奠定基礎。

首先,通過測繪獲得進氣系統消聲元件(空濾器)和管道的三維尺寸,利用Catia軟件建立空濾器的三維幾何模型(圖2),利用Muffler軟件生成空濾器的聲學模型,管道的聲學模型直接在GT-Power軟件中建立,并與導入的空濾器聲學模型對接,組裝成進氣系統的聲學模型,如圖 3所示。

其次,通過臺架試驗,可以獲得發動機匹配已有進氣系統在節氣門處的壓力時域信號,節氣門位于發動機歧管和進氣系統的連接處,該發動機為直列4缸汽油機,排量為1.3L。發動機運行的工況如下：①全負荷;②發動機轉速分別為1200r/min、1600r/min,2000r/min、2400r/min、2800r/min、3200r/min、3600r/min、4000r/min、4400r/min 、4800r/min、5200r/min 、5600r/min 和6000r/min。

圖2 空濾器三維幾何模型

圖3 進氣系統聲學模型

這里僅給出發動機轉速為1600r/min時進氣系統節氣門處壓力的時域信號,如圖4所示。

圖4 節氣門處壓力的時域信號

由管道聲學理論可知,如果管道某點的壓力px已知,則該點的聲壓p可求。通過發動機臺架試驗已經獲得進氣系統節氣門處的壓力,并且進氣系統尾管管口處的壓力等同于外部環境壓力,也就是說可以得到進氣系統的聲學模型的邊界條件。

將進氣系統節氣門處壓力的時域信號作為該處的壓力邊界條件,參照發動機臺架試驗工況,并確定計算的其他工況如下：

(1)聲學邊界為半消聲環境。

(2)外部環境。溫度為 25℃,大氣壓為98 374Pa。

(3)場點位置。與尾管管口處于同一水平面,距地面高度為1000mm,距尾管管口100mm,與進氣管軸向成45°角。

為了驗證噪聲仿真簡易法的聲學預測結果,完成了發動機匹配已有進氣系統管口噪聲的臺架試驗和相應的計算分析,由于該發動機為直列四缸汽油機,尾管管口噪聲以2階和4階成分為主,結果如圖5～圖7所示。通過對比管口噪聲試驗和計算分析的結果,可得如下結論：

(1)在發動機轉速低于2800r/min的工況,試驗和計算的結果吻合得很好;在轉速高于2800 r/min的工況,試驗的結果在數值上要偏大。這是由于試驗結果包含周期性噪聲和高速氣流產生的摩擦噪聲兩部分,而計算結果只包含周期性噪聲所致。

(2)2階和4階成分在總聲壓級中所占的比例,試驗結果偏高,這是由于試驗數據處理時的階次帶寬為0.5,而計算結果只包括純的2階或4階成分。

圖5 管口噪聲總聲壓級比較

圖6 2階噪聲比較

圖7 4階噪聲比較

綜上所述,噪聲仿真簡易法切實可行,計算結果可信。本文在進行發動機進氣系統噪聲計算時,并沒有搭建發動機仿真模型,因此把這種發動機進氣系統噪聲仿真方法稱作噪聲仿真簡易法。

3 DOE分析

通過整車的噪聲試驗,發現在發動機轉速約為1600r/min的工況微型車車內噪聲沒有達到目標樣車水平,該噪聲主要來源于進氣系統的階次噪聲,這也正好與圖5～圖7所示的結果一致,在轉速為1600r/min的工況,進氣系統噪聲的4階成分占絕對分量,也就是說消除該階次噪聲峰值成為進氣系統聲學性能優化的首要目標。對于4階噪聲來說,頻率f與轉速n的關系為

f=4n/60 (6)

由式(6)可知,4階峰值噪聲對應的頻率f為106.7Hz。如果赫爾姆茲消聲器的共振頻率 fr能接近4階峰值噪聲對應的頻率f,就能很好地消除4階峰值噪聲。根據赫爾姆茲消聲器古典的集中參數模型式(4),幾何變量有4個,分別為消聲容器的容積V、連接管的截面積S c、連接管的長度l和主管道的截面積S m。為了保證發動機的進氣量,本文主管道的截面積Sm為確定值;消聲容器假設為球型,容積V=πD3/6,其中,D為球型容器的直徑;連接管的截面假設為圓形,截面積S c=πd2/4,其中,d為圓形截面的直徑。

由于赫爾姆茲消聲器的壓力損失小,可直接采用原進氣系統壓力作為改進進氣系統的邊界條件。修改如圖3所示的進氣系統聲學模型,在不改變空濾器的要求下,針對106.7Hz的進氣管口噪聲,確定在連接空濾器和發動機的主管道上增加一個赫爾姆茲消聲器,并把球型消聲容器的直徑D、連接管圓形截面的直徑d和連接管的長度l作為設計變量,赫爾姆茲消聲器的三因素四水平試驗設計見表1。本文中,在轉速1600r/min的工況分別對赫爾姆茲消聲器的三因素四水平進行進氣系統管口噪聲仿真,進聲口(節氣門處)的壓力邊界條件如圖4所示。

表1 赫爾姆茲消聲器三因素四水平試驗設計 mm

應用噪聲仿真簡易法,赫爾姆茲消聲器三因素四水平的試驗設計需要64次計算機仿真求解,得到對應三因素的4階噪聲值,經過三次多項式擬合,可獲得4階噪聲值的響應面表達式如下(其中,球型容器的直徑D用含有容積V的表達式替換)：

式中,LpA為進氣系統管口4階噪聲值。

4 優化設計

根據DOE分析結果,取設計變量為XT=[x1 x2 x3]=[d D l],建立目標函數,要求進氣系統管口4階噪聲值最小：

式中,F(X)為目標函數。

建立約束條件：

應用如式(7)所示的4階噪聲值響應面近似模型,進行單目標優化。優化的結果為

d=15mm D=119.2mm l=49.84mm

其中,D=119.2mm所對應的消聲容器的容積V=893 mm3。將優化結果作為赫爾姆茲消聲器設計變量的取值,對每個轉速工況進行發動機進氣系統管口噪聲模擬。

圖8～圖10為原始方案和優化方案的管口噪聲對比,與原始方案相比,在轉速為1600r/min的工況優化方案的進氣系統管口噪聲約下降了2.3d B(A),同時在轉速為2800r/min的工況優化方案的進氣系統管口噪聲約下降了2.5dB(A),另外優化方案還使噪聲相對轉速的線性度更好。

圖8 總聲壓級對比

圖9 2階成分對比

圖10 4階成分對比

通過計算機仿真驗證,優化方案(在原始方案主管上增加一個赫爾姆茲消聲器)很好地改善了發動機進氣系統的聲學性能,并且赫爾姆茲消聲器具有壓力損失小的特點,它的引入基本不影響發動機功率,因此該優化方案切實可行,可以進行試制。

5 結束語

本文以管道聲學理論為指導,搭建了發動機進氣系統聲學仿真平臺,解決了常常困擾進氣系統聲學仿真的難題——無法獲得發動機仿真模型所需的幾何參數和物理參數?；诤諣柲菲澫暺鞯募袇的Ｐ?提出了發動機進氣系統聲學性能動態優化設計方法。本文針對發動機進氣系統往往需要匹配赫爾姆茲消聲器的要求,應用噪聲仿真簡易法和赫爾姆茲消聲器的集中參數模型,在不具備發動機仿真模型的情況下,通過進氣系統管口噪聲DOE分析,利用階次峰值噪聲響應面近似模型對赫爾姆茲消聲器的設計參數進行優化,并對優化結果進行了計算機仿真驗證,該優化方案能夠很好地改善進氣系統的聲學性能,能夠更好地滿足車輛車內外噪聲的要求。

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