發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

岳貴平盧炳武劉英杰劉楊

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

岳貴平盧炳武劉英杰劉楊

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

利用GT-Power軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行聲學(xué)預(yù)測，并結(jié)合整車噪聲試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)評(píng)估；以管道聲學(xué)理論為指導(dǎo)，搭建赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，利用GT-Power軟件分別完成聲學(xué)性能直接優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于靈敏度的聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化提供了定量依據(jù)。整車噪聲試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲下降明顯。

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是車輛最主要的噪聲源之一，對(duì)車內(nèi)噪聲影響顯著。目前，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能設(shè)計(jì)領(lǐng)域，國內(nèi)大多數(shù)汽車廠家還處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，周期長，成本高。本文基于GT-Power軟件，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；以赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能直接優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于靈敏度的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是由進(jìn)氣閥周期性開閉而產(chǎn)生的壓力波動(dòng)所形成的。當(dāng)進(jìn)氣閥開啟時(shí)，活塞由上止點(diǎn)下行吸氣，鄰近活塞的氣體分子以同樣的速度運(yùn)動(dòng)，以致在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力脈沖，從而形成脈沖噪聲；同時(shí)進(jìn)氣過程中的高速氣流流過進(jìn)氣閥流通截面時(shí)，會(huì)形成渦流噪聲；另外，如果進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣柱的固有頻率與周期性進(jìn)氣噪聲的主要頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空氣柱共鳴，使得進(jìn)氣管中的噪聲更加突出。當(dāng)進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)，也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道中空氣壓力和速度的波動(dòng)，該波動(dòng)由氣門處以壓縮波和稀疏波的形式沿管道向遠(yuǎn)方傳播[1]。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能評(píng)估

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲復(fù)雜，管口噪聲是其主要部分，管口噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)性能和進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)密切相關(guān)[2～4]。

3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能模擬

3.1.1 建立發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power模型

GT-Power軟件是以一維的流體計(jì)算為基礎(chǔ)，采用有限容積法對(duì)熱流體進(jìn)行模擬仿真的軟件。該軟件系統(tǒng)提供一個(gè)與其它GT-Suite系列產(chǎn)品（GTFuel、GT-Cool、GT-Drive等）共用的前處理建模環(huán)境GT-ISE，建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型時(shí)只需將相應(yīng)的模板拷貝到GT-Suite中形成對(duì)象，并給對(duì)象的屬性賦值，再將該對(duì)象連接起來進(jìn)行有機(jī)集成，形成一個(gè)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)輸入與輸出相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真程序。除了對(duì)熱流體進(jìn)行計(jì)算外，它還能充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、飛輪及整車等機(jī)械部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。該發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格如表1所列。

表1 汽油機(jī)的技術(shù)規(guī)格

3.1.2 建立進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模型

根據(jù)濾清器的過濾性能和聲學(xué)性能，考慮整車預(yù)留空間，設(shè)計(jì)濾清器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用GEM3D軟件，搭建包括濾清器在內(nèi)的進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模型，如圖2所示。用該進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模型代替發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power模型中的進(jìn)氣系統(tǒng)簡易模型，從而組裝成為能夠進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲模擬分析的聲學(xué)模型。

3.1.3 聲學(xué)計(jì)算邊界條件

參照汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)工況，確定進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)計(jì)算的邊界條件如下：

a.聲學(xué)邊界：半消聲環(huán)境。

b.外部環(huán)境：溫度為25°C；大氣壓為97.4kPa。

c.場點(diǎn)位置：與進(jìn)氣系統(tǒng)管口處于同一水平面，距地面的高度為1 000 mm，距管口的距離為100 mm，與進(jìn)氣系統(tǒng)管道的軸向成45°角。

3.1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

利用GT-Power軟件，完成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲的模擬仿真。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲與目標(biāo)噪聲的比較圖，可以看出，在1200～6000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進(jìn)氣系統(tǒng)的管口噪聲基本都在目標(biāo)線以下，因此該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

3.2 整車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)

3.2.1 噪聲試驗(yàn)工況及方法

試制該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)樣品，并將該樣品安裝在整車上。整車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)在整車半消聲室內(nèi)進(jìn)行，車輛置于底盤測功機(jī)上，變速器置于3擋，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在最低轉(zhuǎn)速后，突然油門全開，全負(fù)荷加速行駛直至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高至6 000 r/min。記錄各個(gè)通道噪聲信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，然后對(duì)所測量的信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的總聲壓級(jí)分析。試驗(yàn)分析儀器為Head Acoustics公司的測量分析系統(tǒng)和B&K公司的麥克風(fēng)。麥克風(fēng)布置在駕駛員左耳位置。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

整車車內(nèi)噪聲如圖4所示。通過整車噪聲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1 600 r/min的轉(zhuǎn)速工況時(shí)車內(nèi)噪聲沒有達(dá)到目標(biāo)樣車水平，該噪聲主要來源于進(jìn)氣系統(tǒng)的階次噪聲，與圖3所示結(jié)果一致，該工況下進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲的4階成分占主導(dǎo)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速工況時(shí)車內(nèi)噪聲也需要改善，并且該工況下令人煩躁的噪聲主要來源于進(jìn)氣系統(tǒng)的階次噪聲，分析圖3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在6000r/min附近進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲階次成分出現(xiàn)峰值，此處2階成分占主導(dǎo)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 赫姆霍茲消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1.1 赫姆霍茲消聲器參數(shù)化設(shè)計(jì)

赫姆霍茲消聲器是一種歷史悠久的消聲器，屬于旁支消聲器，通常它是由一個(gè)消聲容器和一根短管道組成，短管道與進(jìn)氣系統(tǒng)的主管道連接，如圖5所示。赫姆霍茲消聲器的傳遞損失TL為：

式中，Sc為連接管的截面積；Sm為主管道的橫截面積；V為消聲容器的容積；lc為連接管的長度；fr為共振頻率；f為頻率。

根據(jù)階次噪聲頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，圖3的1 600 r/min 4階峰值噪聲對(duì)應(yīng)的頻率為106.7Hz。如果赫姆霍茲消聲器的共振頻率fr能接近4階峰值噪聲對(duì)應(yīng)的頻率，就能很好地消除4階峰值噪聲。根據(jù)式（1）可知，赫姆霍茲消聲器的幾何變量有4個(gè)，即V、Sc、Sm、lc。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，主管道的橫截面積Sm為確定值；消聲容器假設(shè)為球型，則容積其中D為球型容器的直徑；連接短管的橫截面假設(shè)為圓形，其面積其中d為圓形截面的直徑。

4.1.2 赫姆霍茲消聲器DOE分析

修改圖2所示的進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模型，針對(duì)106.7Hz的進(jìn)氣系統(tǒng)峰值噪聲，在連接濾清器和發(fā)動(dòng)機(jī)的主管道上增加一個(gè)赫姆霍茲消聲器，并把球型消聲容器的直徑D、連接短管的直徑d和連接短管的長度lc作為設(shè)計(jì)變量，得赫姆霍茲消聲器的3因素5水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 赫姆霍茲消聲器3因素5水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)mm

利用GT-Power軟件，經(jīng)過125次計(jì)算求解，得到進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲4階成分對(duì)應(yīng)赫姆霍茲消聲器3因素的噪聲值，經(jīng)過3次多項(xiàng)式擬合，可獲得4階噪聲LPA-4的響應(yīng)面表達(dá)式為：

4.1.3 赫姆霍茲消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，取設(shè)計(jì)變量為XT=[x1，x2，x3] =[d，D，lc]，建立目標(biāo)函數(shù)為進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲4階成分噪聲值最小：

建立約束條件：

應(yīng)用如式（2）所示的4階噪聲響應(yīng)面近似模型進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化。赫姆霍茲消聲器的優(yōu)化結(jié)果為d= 15 mm，D=119.2 mm，lc=49.84 mm，其中D=119.2 mm所對(duì)應(yīng)的消聲容器的容積V=886 803.5 mm3。

4.2 1/4波長管優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.2.11 /4波長管參數(shù)化設(shè)計(jì)

1/4波長管是一個(gè)安裝在主管道上的封閉管，為了便于安裝，1/4波長管采用折疊式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

式中，SS為1/4波長管橫截面的面積；L為1/4波長管的長度；λ為聲波波長。

根據(jù)整車車內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，圖3的6 000 r/min 2階峰值噪聲對(duì)應(yīng)的頻率為200 Hz，為此確定在連接赫姆霍茲消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)的主管道上增加一個(gè)1/4波長管。根據(jù)式（5）可知，影響1/4波長管傳遞損失的設(shè)計(jì)參數(shù)有3個(gè)，分別為Sm、SS和L。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)氣系統(tǒng)主管道橫截面的面積Sm為確定值；1/4波長管橫截面的面積SS=1/4πd22，其中d2為1/4波長管的直徑。

1/4波長管的傳遞損失TL′為：

4.2.21 /4波長管DOE分析

修改進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)模型，在連接赫姆霍茲消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)主管道上增加一個(gè)1/4波長管。針對(duì)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況，把1/4波長管的直徑d2和長度L作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲模擬仿真，1/4波長管的2因素6水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3。

表3 1/4波長管2因素6水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)mm

利用GT-Power軟件經(jīng)過36次計(jì)算求解，得到進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲2階成分對(duì)應(yīng)1/4波長管2因素的噪聲值，結(jié)果如圖7所示。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合，可獲得2階噪聲值LPA-2的響應(yīng)面表達(dá)式如下：

4.2.3 1/4波長管優(yōu)化設(shè)計(jì)

1/4波長管靈敏度是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)2階噪聲值LPA-2相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的比值，可以表示為：

式中，設(shè)計(jì)變量矩陣XT=[d2，L];C為修正常數(shù)。

將式（6）代入式（7）可得1/4波長管靈敏度，其結(jié)果為三維曲面，如圖8所示。

由圖8可知，1/4波長管靈敏度為0時(shí)，1/4波長管的長度L≈433.3 mm，而直徑d2可取允許范圍內(nèi)的任何值，即長度L為聲學(xué)性能的敏感變量；當(dāng)噪聲靈敏度為負(fù)值時(shí)，2階噪聲值隨長度L的減小而增大，當(dāng)噪聲靈敏度為正值時(shí)，2階噪聲值隨長度L的增大而增大，即噪聲靈敏度為0時(shí)對(duì)應(yīng)的2階噪聲值最小。當(dāng)1/4波長管的長度L=433.3 mm，其中心頻率約等于198 Hz，與轉(zhuǎn)速為6000 r/min工況的2階噪聲對(duì)應(yīng)頻率很接近，此時(shí)1/4波長管的消聲量最大。

雖然1/4波長管的直徑d2不影響噪聲靈敏度，但影響2階噪聲值，如圖7所示，2階噪聲值隨其直徑的增大而減小，即在允許范圍內(nèi)直徑越大越好，本節(jié)中直徑d2的最大允許值為18 mm。

4.3 優(yōu)化后整車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)

試制赫姆霍茲消聲器和1/4波長管，并集成安裝在整車的進(jìn)氣系統(tǒng)中，再次進(jìn)行整車噪聲試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min工況下優(yōu)化方案的進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲下降明顯，達(dá)到目標(biāo)樣車水平；雖然在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況下優(yōu)化方案的進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲下降不明顯，但令人煩躁的感覺也不明顯了；在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min工況下優(yōu)化方案的進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲也下降明顯，此現(xiàn)象是由該處的階次頻率與赫姆霍茲消聲器和1/4波長管中心頻率接近而造成的。

5 結(jié)束語

利用GT-Power軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行聲學(xué)預(yù)測，并結(jié)合整車噪聲試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)評(píng)估；以管道聲學(xué)理論為指導(dǎo)，搭建赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，利用GTPower軟件分別完成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能直接優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于靈敏度的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化提供定量依據(jù)，并最終通過整車噪聲試驗(yàn)的檢驗(yàn)。

1龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng).北京:北京理工大學(xué)出版社，2006，150～262.

2賈維新，郝志勇.空濾器聲學(xué)性能預(yù)測及低頻噪聲控制的研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2006（5），67～70.

3Stephen Massey，Paul S.Modelly Exhaust Systems Using One-Dimensional Methods.SAE 2002-01-0005.

4Benzhu Liu，Masahiro Maeno.A Study of a Dual Mode Muffler.SAE 2003-01-1647.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年4月1日。

The Research on Optimization Design Technology on Acoustic Performance of Engine Intake Systems

Yue Guiping，Lu Bingwu，Liu Yingjie，Liu Yang
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

We use GT-Power software to make acoustic forecast of conceptual design scheme of engine intake system and make acoustic evaluation through vehicle noise test.Based on conduit acoustic theory，we construct the parameterized design model of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，and complete optimization design of acoustic performance of engine intake system and acoustic optimization design based on sensitivity with GT-Power software，and define some sensitive structural parameters of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，which provide foundation for quantification of intake system acoustic optimization.The results of vehicle noise test indicate that the optimized engine induction noise reduces dramatically.

Engine，Intake system，Acoustic performance，Optimization design

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

U464.134+.4

：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1000-3703（2014）02-0001-04