基于多體動力學仿真技術的多缸發動機噪聲預測

黃碩 (東風商用車有限公司發動機廠，湖北十堰 442001)

基于多體動力學仿真技術的多缸發動機噪聲預測

黃碩
(東風商用車有限公司發動機廠，湖北十堰 442001)

對一臺四沖程直列四缸渦輪增壓柴油發動機建模，使用多體耦合和有限元邊界元來進行噪聲輻射預測。對其進行多體動力學仿真，模擬這臺發動機從1 500～4 000 r/min的工作狀態，確定動力總成的激勵大小，還特別估計出了作用在缸體上的作用力。在發動機動力系統的動態描述中，同時考慮氣體壓力對燃燒過程的影響和運動部件慣性力的作用。此外還評估了實際發動機的操作性能，曲柄和缸體都被視為自由體。依據ISO3744標準，基于著名的MATV方法，利用模態參與因子的缸體激勵，計算出距發動機1m處的發動機噪聲輻射大小。通過LMS Virtual.Lab工具，對發動機動力總成的動態及振動噪聲表現進行描述。

多缸發動機；噪聲；發動機動力總成

0 引言

當設計一臺新發動機的時候，汽車工程師會考慮不同的設計目的，也可以看作各種約束。例如高性能、低質量、耐久性、低成本和可以接受的噪聲水平等。有時候這些目標有著不同的目的，并且是相互矛盾的。所以往往當一臺原型機制造出來后，再想得到一個好的折中方案就很困難了。因此，在設計階段使用預測方法是很重要的，由于市場壓力和競爭，汽車制造商正在努力縮短開發周期[1]。

因為這個原因,數值模擬技術變得越來越重要。一方面，它可以幫助工程師在設計初期開展工作；另一方面,也可以減少制造和測試物理樣機的次數。

結構和聲學建模方法用于預測噪聲、振動、發動機動力學和耐用性等性能。它已成為設計流程中滿足車輛舒適性需求和震動噪聲法規的關鍵工具[2-5]。特別是在較低的發動機轉速時，在振動的條件下低頻率傳遞的發動機支架，是一個非常重要的激勵部件。

文中主要對一臺四沖程直列四缸渦輪增壓柴油發動機的振動噪聲進行研究。該發動機模型用來模擬整個發動機部件的受力和位移。由發動機的幾何數據創建動力系統多體模型，根據1D數值模擬多體動力學仿真(MBDS)的燃燒負荷。這樣，兩個機械力和燃燒的爆發壓力將同時在發動機缸體上工作。

這個項目將采用有限元與邊界元結合的方法[6]。數值模擬過程中，需要動態和靜態結果時，有限元方法是一個標準的工具。而邊界元方法，是當需要聲波輻射預測結果時才起作用。邊界元法是解決間接配方和變分問題的方法，并利用模態聲傳遞向量(MATV)算法[7-8]。通過這種方式，可以根據ISO3744標準計算出距離發動機振動表面1 m外的輻射噪聲是否達標。

1 發動機動力系統與動態仿真

目前的工作可以分為兩個主要的數值分析。首先,待測試的發動機動力系統多體模型已經使用LMS動力系統動態模擬器(PDS)建立，同時已經用Virtual.Lab Motion軟件完成了動態仿真。特別是VL Motion模型經過求解，得到了在發動機的整個工作轉速區間內，從1 500～4 000 r/min的載荷預測值。其次，通過使用Virtual.Lab Acoustic工具進行聲學仿真，對在每個轉速下的聲壓水平的聲音輻射進行評價。下面，將對上述兩部分數值分析程序進行詳細說明。

被測試的發動機是一臺四沖程直列四缸渦輪增壓柴油發動機。發動機的主要參數如表1所示。

表1 主要發動機參數

因為內燃機代表一個復雜的系統，包括曲軸、活塞、連桿、缸體、飛輪等部件，所以需要通過多體結構進行建模。為了模擬真實的發動機工作狀態，曲軸和缸體都假設為柔性體，而其他組件都假設為剛性體。為了獲得一份可以詳細描述曲柄連桿機構中接觸的所有多體模型(如活塞襯套、軸承等)，需要提供發動機組件的所有信息，包括集合數據和物理特性(如質量和慣性矩)[3]。

發動機動力系統的多體模型(如圖1)包括：曲軸、飛輪(綠色部分)，4個活塞(紅色部分)和它們的連桿。其中飛輪為一個從曲軸隔開的單獨剛體，缸體為4個掛載位置的集中質量(橙色圓點部分)[9]。發動機支架為包含剛度、阻尼等特征的柔性體。

在Virtual.Lab Motion模塊中，使用PDS模塊創建3D虛擬動力系統模型，用動畫將所有的機械部件加在一起組成運動的多體模型，能夠更好地理解整個系統的運動形式。此外，通過Virtual.Lab Motion模塊在有負載的機械系統中建立柔性體。為了獲得更加真實的分析結果，曲軸和缸體均假設為柔性體[5]，在考慮自然模態形狀的條件下建立曲軸和缸體的有限元(FE)模型。

圖2為曲軸和缸體的有限元模型。曲軸的有限元模型包括5 278個節點和19 461個單元：19 455個四面體單元(CTETRA)，6個單元是位于主軸頸和曲柄銷位置的剛體單元(RBE3)。發動機缸體的有限元模型包含23 226個節點和14 497 個單元：13 572個六面體單元(CHEXA)，831個五面體元素(CPENTA)，60個剛體單元(RBE2)，30個梁單元(CBAR)和4個代表4個發動機支架的集中質量單元(CONM2)。剛性單元設置為保持相對位置不變(例如沿著活塞滑動、在主軸承位置和安裝位置)。

兩個有限元模型的模態分析已用MSC.Nastran 軟件分析完成，曲軸和缸體的模態參數已獲得，如形狀、自然頻率和模態向量等。模態參數見表2。

表2 曲軸和缸體的模態分析總結 Hz

圖3展示了曲軸在427 Hz時第一次彎曲時的固有模態和缸體在789.9 Hz時第一次扭轉時的固有模態。

為了模擬發動機在真實條件下工作時作用在發動機每個組件(如發動機支架燃燒、主軸承負載)上的力，設置為1 500～4 000 r/min的掃描區間，并以250 r/min遞增，并在每一個轉速下求解。這樣做的好處是:整個掃描是在一個單一的解決方案下完成的，大大減少了計算時間。表3顯示了速度掃描輸入數據。

表3 速度掃描輸入數據

將表1中通過一維數值仿真所獲得的發動機的數據用來預測在3種工況下(1 500，2 500和3 500 r/min下，滿載)氣缸對氣缸的壓力循環。一維數值仿真的細節將在后面詳細闡述。

2 一維模型

一維仿真代碼[10]用來在研發發動機的第一階段模擬所研發的發動機性能。一維代碼解決了進、排氣系統管道中的質量、動量和能量方程，此時氣缸內的氣體被視為一個零維系統。關于燃燒過程的建模，通過double-Wibe方程來計算放熱率。由于發動機配備了高壓共軌噴射系統，噴射變得簡單。在目前的分析中導桿+主噴射器的設計方案已經確定。在噴射和燃燒過程中，從預先混合到擴散階段燃燒持續期的調整值已設定。Wibe方程的參數與發動機的工況相關，四缸柴油機放熱率的相關數據已通過實驗獲得[11]。最近，Wibe方程參數與發動機工況的關系通過六缸渦輪增壓共軌柴油發動機已經更新，用以參與導桿+噴射器部分的計算[12]。一旦錯過點火延遲時間，Wibe方程就會被激活。這個方法雖然簡單，但卻能夠得到一個準確的在排氣閥打開時的廢氣溫度估計值，這個可靠的估計值可用在渦輪入口處。這可以令發動機和渦輪增壓器間具有良好的匹配預測條件。

發動機的一維仿真模型如圖4所示，它包括了全部的主要部件和發動機上的控制裝置，如廢氣再循環系統。渦輪增壓組的性能特性圖由制造商提供。特別指出，可變嘴渦輪(VNT)是用來控制增壓級別的。

圖5顯示一維模型結果，包括氣缸在發動機不同轉速下、滿載條件下和沒有廢氣再循環的壓力周期循環曲線。這些工況實際上是噪聲輻射方面最關鍵的工況。增加發動機轉速可以決定更高的增壓水平和峰值壓力。氣缸的最大壓力依據進氣沖程的實際充氣狀況而定。氣缸最大壓力的細小變化可以在最高轉速下觀察到。峰值壓力的位置取決于燃油噴射方案所設計的可變燃燒相位的變化范圍。更進一步的研究中，后者可以用來控制壓力的提升和降低輻射噪聲[13]。所計算的壓力周期可以用來計算作用在發動機結構上的激勵大小，用以進行之后的聲學分析。

圖6顯示了燃燒力在z軸方向的分量，它主要來自于每個轉速下作用于氣缸1的氣體壓力。另外對應于其他發動機轉速下的工作點，通過PDS速度掃描工具計算可以得出。隨著發動機轉速的增加，燃燒過程提前，循環周期減少，峰值變得越來越高。這主要是隨著發動機轉速的提高，增壓水平也跟著提高。

多體動力學仿真后的處理結果，如發動機工作期間的燃燒載荷、發動機支架載荷及所有作用在缸體的力均已獲得。

圖7展示了發動機轉速對于曲軸軸承受到的z軸方向分力的影響。可以看到：在低頻率范圍內(400 Hz)，影響最大的階數是二階和四階。對于四沖程直列四缸發動機的相關頻率,由以下關系可以求出：

(1)

式中：k表示發動機的階數，n是發動機轉速(r/min)。第二階，對應于1 500 r/min時的頻率為50 Hz的圖像，與燃燒現象有關；而第四階在1 500 r/min時達到100 Hz，僅與純機械現象相關。此外，正如從色圖上看到的，曲柄軸承上z軸方向分力最大值發生在第四階，對應發動機轉速為3 750 r/min，頻率為250 Hz。

從使用VL Motion進行的動力學仿真后所獲得的參數中提取發動機機體模態參與因子，同時對它們在不同工況、不同轉速下的影響也進行分析。這部分分析對于理解哪種缸體振型對系統動態性能影響最大非常重要。理解哪種模態最重要僅僅只是基礎，通過分析得到更重要的結論從而優化測試系統的性能才是目的所在。

圖8中的色條顯示了發動機缸體前8階模態參與因子在3 000 r/min時隨頻率變化的關系。可以看到：在該轉速下，最重要的缸體模態是在200～300 Hz范圍內出現的。類似的結論也可以在其他轉速的研究中發現。

3 發動機外部噪聲的分析與結果

數值分析的目標是預測發動機模型在工作時的噪聲輻射情況。這個準確的分析結果可以用作更進一步的特別在設計階段對整車內部噪聲進行預測。

在后文中，將介紹聲音分析的內容，并展示和討論分析結果。同時將用在能夠預測發動機噪聲輻射的間接邊界元法中[14]。

一旦估計了整個發動機動力系統的動態性能，接下來就是參照ISO3744標準評估距離發動機1 m處的噪聲輻射。

通常，在進行聲學分析時，系統在規定的運行速度時的機械振動被當做邊界條件。在這種情況下，需要使用模態參與因子利用Virtual.Lab Acoustic聲學分析工具，就不需要計算出每一種發動機轉速時的輻射面振動。這種模態技術可以大量縮減數據的運算時間，同時不會影響分析精確度。

為達到這個目的，前面得到的模態參與因子將一同被分析，因此模態聲傳遞向量(MATV)的分析需要提前完成。

在圖9中，顯示了發動機機體的邊界元網格化分、對稱面(綠色表示)和虛擬測量面(黃色表示)。缸體的邊界元模型由7 144個板單元和7 275個節點組成。設置對稱面是為了將發動機的底部輻射也考慮進去。測量面是參照ISO3744標準，用距離發動機1 m處的虛擬半球面表示，那里的麥克風將收集發動機的聲功率和聲壓值。

聲學分析在20～5 000 Hz范圍內進行(以20 Hz為遞增值)，而且對于每一個發動機轉速下的聲功率和聲壓頻率譜都進行了計算。同時對發動機整個工作轉速內的變化也進行了分析。對于每一個發動機轉速下的整體噪聲水平(單位dB)也進行了計算和比較。

圖10展示了在1 500，2 750，4 000 r/min時的噪聲譜。它們的曲線圖顯示了相似的變化趨勢，都是在低頻區間時有較高的噪聲等級，此時燃燒狀況對聲壓譜的影響起主要作用。同時一個躍升點也展現出來(在20～500 Hz頻率區間內)。最大值出現在250 Hz處，在該頻率缸體一階模態同時出現，它主要影響發動機的動態性能。

在0～300 Hz范圍內，對應所設定的不同發動機轉速，氣體壓力頻率和慣性力對噪聲影響顯著。

在高頻范圍內(2 000 Hz以上區域)，噪聲曲線顯示出了一個幾乎恒定的低聲壓水平。在這個頻率范圍內，對于噪聲起主要作用的是來自于慣性力和缸體模態的純機械作用。另一個非常明顯的出現峰值在4 100 Hz時，主要與發動機的模態有關。

圖11是一個瀑布圖表，它展示了聲壓曲線隨發動機轉速和頻率的改變。圖12顯示了當發動機運行在2 750 r/min和250 Hz時，聲壓在虛擬測量表面的等高線圖。它呈現出關于x軸對稱分布同時缸體兩側的聲壓水平一致的特點。特別要指出的是：ISO場點5對應的聲壓水平約89 dB，在這個頻率上，缸體的第一振型是對發動機性能影響最大的。

在圖13中顯示了ISO場點5處計算得到的包含了整個發動機轉速區間的色圖。主要的第四階和第五階的結果被清晰地標記出來。根據公式(1)得到第五階的最大值出現在轉速3 750 r/min、頻率310 Hz處。

4 結論

在發動機的設計過程中，發動機聲音輻射預測已經成為一個重要的環節。發動機結構傳遞噪聲的精確模擬將會為發動機開發過程提供有用的信息，同時可以對結構進行優化或者通過改變噴射系統從而改變缸內壓力曲線。

作者在一臺四沖程直列四缸渦輪增壓柴油機模型上，從1 500～4 000 r/min對整個發動機工作轉速區間進行振動聲預測分析。

已經做了20～5 000 Hz范圍內的(以20 Hz為遞增值)聲學分析，并對發動機每個轉速條件下的整體噪聲水平進行計算和比較。

在測試轉速下，對發動機共振對于聲學性能的影響也進行了分析。

和預想的一樣，對發動機整體噪聲水平隨著發動機轉速的提高而提高。需特別指出的是：從發動機轉速的最低值到最高值，噪聲提高超過18 dB。更進一步的研究將從兩種可行的方案去關注發動機的優化設計：(1)為了減少發動機的振動和噪聲輻射，需要考慮不同的發動機支架結構；(2)需要采取新的燃料供給。

最后，將驗證減少汽車內部噪聲的效果是否滿足乘客舒適性的要求。

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Noise Prediction of a Multi-cylinder Engine Using Multi-Body Dynamic Simulation Technique

HUANG Shuo
(Engine Plant, Dongfeng Commercial Vehicle Co., Ltd., Shiyan Hubei 442001, China)

A model was built for a turbocharged 4-cylinder diesel engine prototype, and a coupled multi-body and finite element analysis-boundary element (FEM-BEM) methodology were used to predict the noise radiated. A multi-body dynamic simulation was done to simulate the engine working condition from 1 500 to 4 000 r/min, in order to determine the excitation force of the powetrain, and the forces acting on the cylinder block was estimated in particular. In dynamics description for the engine powertrain system, both the effects of the gas pressure during the combustion process and the inertia forces of the moving parts were taken into account. Moreover the real engine operating behavior was assessed, with both the crank and the block were considered as flexible bodies. Afterwards, the cylinder block excitations in terms of modal participation factors were used to evaluate the engine radiated noise at a distance of one meter away from the engine, based on the well-know MATV methodology and according to the ISO 3744 standard. The dynamics of the engine powertrain and its vibration-noise behavior were described using LMS Virtual.Lab tools.

Multi-cylinder engine；Noise；Engine powertrain

2013-11-06

黃碩(1989—)，技術員，主要研究方向為發動機整機性能開發。E-mail:30252297@qq.com。