渦輪增壓發動機進氣噪聲控制分析

杜愛民，邵長慧，冉超，魏娜

(1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.上海索菲瑪汽車濾清器有限公司，上海 201707)*

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渦輪增壓發動機進氣噪聲控制分析

杜愛民1，邵長慧1，冉超2，魏娜1

(1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.上海索菲瑪汽車濾清器有限公司，上海 201707)*

針對某渦輪增壓發動機進氣系統，利用GT-POWER軟件進行進氣系統噪聲建模仿真，分析其進氣噪聲總值，確定降噪頻率段.針對降噪頻率段，利用赫姆霍茲共振原理設計一組共振腔消聲器，并對共振腔的消聲性能進行仿真.結果表明，安裝共振腔后，該渦輪增壓發動機進氣系統噪聲總值低于目標限值，滿足設計要求.

赫姆霍茲共振腔消聲器；共振頻率；GT-POWER；渦輪增壓發動機

0 引言

渦輪增壓發動機作為一種高效、節能、環保型產品，應用日漸普及.但渦輪增壓發動機的噪聲問題也日益突出.隨著排氣消聲器的不斷改進，排氣噪聲逐步得到控制，進氣噪聲問題得以凸顯.內燃機進氣噪聲主要包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、氣缸的Helmholtz共振噪聲等，渦輪增壓發動機還包括壓氣機的氣動噪聲[1].其中，發動機工作時，進氣閥的周期性開閉引起管道內高速氣流在進氣管道各接口處產生氣流分離和漩渦，從而產生周期性的壓力脈動.壓力脈動噪聲具有階次性[2-3]，是渦輪增壓發動機進氣噪聲的主要組成.

發動機噪聲一般是從路徑上控制，即加裝各種類型的消聲器.目前消聲器主要有兩種，一種是利用聲波傳遞時遇到的結構上的突變或利用聲波發生反射、干涉等變化來使其傳遞的能量衰減，按照這種原理設計的消聲器為抗性消聲器[4-5].抗性消聲器對中低頻的噪聲消音效果較好；另一種是利用在聲波傳遞路徑上加吸聲材料來吸收聲波的能量，根據這個原理設計的消聲器為阻性消聲器[6].由于抗性消聲器結構簡單、成本較低，耐潮濕性和耐高溫性相對較好，具有較高的傳遞損失，因此應用廣泛.常用的抗性消聲器種類有擴張式消聲器、旁支結構(1/4插入管和赫姆霍茲共振腔結構)消聲器、干涉結構消聲器等[7-8].本文針對某渦輪增壓汽油機進氣系統噪聲進行分析，利用GT-POWER軟件進行建模仿真，設計一組抗性消聲器，安裝在空氣濾清器干凈側管路處，使之達到目標降噪效果.

1 消聲器降噪目標

本次仿真和設計所針對的某渦輪增壓發動機排量為1.5 L，流量為122 g/s.首先對其進氣系統進行噪聲的仿真提取和分析，確定目標降噪的頻率范圍，然后有針對性地進行消聲器設計.要求在1 000～6 000 r/min轉速范圍內，進氣系統總噪聲低于目標限值，具體降噪目標如表1所示.

表1 降噪目標

2 原始進氣系統聲學性能分析

2.1 建立進氣系統仿真模型

本文利用GT-POWER軟件對進氣系統進行建模.利用GT-POWER軟件對發動機進氣系統建模有兩種方法.一種是直接在GT-POWER的零件庫中調出各種管、管接頭的模塊，在其中進行各種參數，比如管直徑、長度、三通管的各個方向的角度、容積、彎管角度等的設置，然后將各個部分連接起來形成進氣系統.另一種方法是利用GEM3D將3D格式的三維模型轉換成GT-POWER識別的.gtm格式文件[8].本文對空氣濾清器進管和出管處采用自由離散，分別調出管和管接頭的模塊進行參數設置與連接.而對于空氣濾清器殼體，則采用GEM3D中離散的方式.圖1為進氣系統CAD模型在GEM3D中離散的模塊分解示意圖.

圖1 進氣系統在GEM3D中離散分解模塊

空濾器在GEM3D界面下離散后的模型如圖2所示.將離散化模型封裝到子模塊中，與空濾器進管和出管模型連接起來，設置每個模塊的具體參數，就完成了進氣系統的軟件建模.

圖2 空濾器的離散化模型

為了得到該發動機原始進氣系統的聲學性能，將空濾器離散模型與發動機模型進行耦合，定義相關參數，并加入諸如聲壓傳感器、麥克風等模塊，構成如圖3所示的整機進氣系統噪聲仿真模型.其中，根據要求[7]，麥克風的放置位置為距離進氣系統前方100 mm×100 mm，斜向上45°處.

圖3 進氣系統噪聲仿真模型

2.2 進氣系統噪聲仿真結果分析

在軟件環境下，設置仿真運行的工況和邊界條件，計算得到進氣噪聲仿真值，具體結果可在GT-Post中查看.圖4表示發動機在1 000～6000r/min轉速下的進氣噪聲值.其中橫坐標表示發動機轉速，縱坐標表示噪聲聲壓級.實線為總噪聲仿真值，而虛線表示目標限值.

圖4 發動機各轉速下的進氣噪聲值

由仿真結果可知，發動機轉速在1 000 ～3750r/min時，進氣系統總噪聲值明顯高于目標值，且在1 000 ～4 000 r/min范圍內，每隔1 000 r/min就會出現一個噪聲小高峰.在高于3 750 r/min轉速時，噪聲總值低于目標值；而當轉速在3 750～4000r/min范圍時，噪聲隨轉速的增加而下降；4000r/min以上轉速時，噪聲變化不大.

圖5為得到的渦輪增壓發動機進氣系統噪聲頻譜圖.其中，橫坐標為噪聲頻率，縱坐標為發動機轉速.可知，在轉速1 000 ～4 500 r/min范圍內，噪聲頻率分布不均勻.相比較750～1 000 Hz頻率段，頻率750 Hz以下的噪聲聲壓明顯較高.其中，在117、300、500 Hz附近的噪聲尤其嚴重，如圖5中三個方框標注所示.因此，如何有針對性地對頻率117、300、500 Hz附近的噪聲進行消噪，同時降低總噪聲值，直至滿足目標要求，將是本次消聲器設計的重要方向.

圖5 進氣系統噪聲頻譜圖

3 消聲器設計和性能仿真分析

抗性消聲器由于其耐高溫，耐腐蝕，結構簡單等性能，在發動機降噪消聲方面一直有廣泛應用[9].其中，赫姆霍茲共振消聲器結構最為簡單.且對發動機進氣系統不需要做過多改動.考慮到成本和安裝尺寸的要求，優先設計赫姆霍茲共振腔消聲器，安裝在空濾器出口干凈側管路.

3.1 赫姆霍茲消聲器設計

赫姆霍茲消聲器屬于旁支消聲結構，基本結構如圖6所示.封閉腔通過一個管子連接到進氣管，形成共振腔.當噪聲在進氣管中傳播，達到共振腔的連接管時，部分聲波進入共振腔中或者推動共振腔中氣體運動，從而使聲能轉化為動能能量，通過能量的轉換使聲能降低，達到降噪目的.同時，由于流動截面的突變而產生的聲阻，也能對噪聲起到衰減作用[10-11].

圖6 赫姆霍茲消聲器基本結構

空氣在消聲器中共振時頻率為：

(1)

其中，c0為聲速(m/s), A為連接管截面積(m2), L為連接管長度(m), V為共振腔體積(m2),F為共振頻率(Hz).

赫姆霍茲消聲器的傳遞損失為：

(2)

其中，Ap為主管橫截面積(m2),f0為主管中所傳聲波頻率(Hz).

從式(1)、(2)可以看出，赫姆霍茲共振腔共振頻率僅與連接管的截面積即連接管直徑、連接管長度以及共振腔體積大小有關，與共振腔結構形狀無關.而且，這三個參數也直接影響著噪聲的傳遞損失.赫姆霍茲共振腔可大大降低共振頻率附近的噪聲，根據對該渦輪增壓發動機進氣系統噪聲階次譜圖的分析，分別針對117、300、500 Hz頻率噪聲段設計共振腔.同時考慮到進氣系統安裝限制，根據式(1)和(2)，設計共振腔尺寸如表2所示.

表2 赫姆霍茲共振腔尺寸設計表

3.2 赫姆霍茲消聲器仿真和性能分析

將設計的三個赫姆霍茲共振腔在GT-POWER軟件中按照進氣系統中氣流的方向建模，并安裝在空濾器干凈側管路處，如圖7所示.

圖7 GT-POWER中赫姆霍茲共振腔模型

在加入共振腔的進氣系統模型中，再次進行進氣噪聲的仿真計算，得到在安裝赫姆霍茲共振腔后，進氣系統在發動機各轉速下的噪聲值，如圖8所示.其中，橫坐標表示發動機轉速，縱坐標表示噪聲總值.虛線代表目標限值，實線代表仿真值.

圖8 安裝赫姆霍茲共振腔后發動機各轉速下的進氣噪聲值

由仿真結果可知，在發動機轉速1 500 ～6000r/min之間，安裝赫姆霍茲共振腔后的進氣噪聲明顯低于目標限值，而且在轉速大于3 800 r/min范圍內，隨著發動機轉速的提高，發動機噪聲值明顯下降.在1 000 ～1 500 r/min范圍內，仿真噪聲值雖略大于目標值，但超標噪聲在10 dB(A)以內，就整個進氣系統而言，可以忽略.因此可知，在安裝三個赫姆霍茲共振腔后，該渦輪增壓發動機進氣系統噪聲得到有效控制，總噪聲值滿足目標要求.

綜上所述，根據進氣系統安裝共振腔前后噪聲情況的建模和仿真，可知安裝赫姆霍茲共振腔消聲器后，總噪聲得到有效降低，基本滿足降噪要求.本次對三個共振腔的設計是可取的.

4 結論

(1)通過GT-POWER對某渦輪增壓發動機建立進氣系統噪聲仿真模型，仿真得到進氣系統噪聲總值隨發動機轉速變化的關系，以及噪聲階次譜圖.確定在頻率為117、300、500 Hz附近，噪聲聲壓級最高，需要針對性設計赫姆霍茲消聲器來進行降噪;

(2)根據赫姆霍茲共振腔工作原理設計共振腔，即分別設計共振腔的連接管直徑、長度和共振腔體積.將設計的赫姆霍茲共振腔在GT-POWER軟件中進行建模;

(3)在GT-POWER軟件中，對安裝有共振腔的進氣系統噪聲再次進行仿真，得到總噪聲隨發動機轉速的變化關系，發現噪聲總值基本在目標限值以下.說明安裝赫姆霍茲共振腔后，進氣系統噪聲得到有效控制.本文對赫姆霍茲共振腔的合理設計和組合，對發動機的降噪有重要的理論和實踐意義.

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Research on the Control of Noise Generated by Air-intake System in Turbocharged Engine

DU Aimin1，SHAO Changhui1，RAN Chao2，WEI Na1

(1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.Sofima Automotive Filter Company, Shanghai 201707, China)

Based on the air intake system, a model of the air intake system is constructed with GT-POWER to simulate the noise generation. Through the analysis of the total noise, the frequency of the noise to be reduced is determined, and the resonators for the frequency are designed according to the theory of Helmholtz. The result of the simulation indicates that the total noise from the air intake system is almost below target line with the resonators.

Helmholtz resonator muffler; resonant frequency; GT-POWER; turbocharged engine

1673-9590(2016)04-0072-04

2015-12-28

上海市產學研資助項目(青產學研2014-11)

杜愛民(1971-)，男，副教授，博士，主要從事發動機燃燒和NVH的研究E-mail:duaimin1971@aliyun.com.

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