試析某汽油發(fā)動機進氣道的優(yōu)化仿真

牛彩云 陳浩平 葉燕帥

（廣西科技大學，柳州 545006）

發(fā)動機進氣系統(tǒng)是車輛產(chǎn)生噪聲的主要原因，但進氣道產(chǎn)生噪聲的原因很復雜，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)動機進氣系統(tǒng)仿真優(yōu)化主要集中在一維聲學方面，并不能將消聲原件模型實現(xiàn)參數(shù)化。另外因為進氣系統(tǒng)消聲元件聲學模型沒有實現(xiàn)參數(shù)化，導致進氣系統(tǒng)聲學性能試驗設(shè)計以及近似模型與優(yōu)化等都不能有效進行，這對進氣系統(tǒng)開發(fā)周期產(chǎn)生了嚴重影響，所以需要進一步對仿真模型進行探索和研究，實現(xiàn)發(fā)動機優(yōu)化仿真，對發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學性能進行改善，保證其能夠更好地達到車內(nèi)外噪聲標準。

1 發(fā)動機進氣道聲學理論

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

2 發(fā)動機進氣噪音的產(chǎn)生機理

發(fā)動機的進排氣門在使用中會產(chǎn)生周期性的開閉，導致進氣管道內(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，即進氣噪音。根據(jù)發(fā)動機進氣噪音所產(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、渦流噪聲以及進氣管氣柱共振噪聲等。

3 發(fā)動機進氣噪聲的仿真模型建立

3.1 發(fā)動機模型

本文所研究的是自然吸氣類型的發(fā)動機，具有可變氣門4缸的汽油機，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、氣缸的點火順序為1-3-4-2。根據(jù)上述參數(shù)建立發(fā)動機模型，模型主要包括發(fā)動機進排氣口環(huán)境、前消聲器、進排氣管路、主消聲器、氣缸以及曲軸箱等元件。建立發(fā)動機模型需要遵守一定標準，其功率與轉(zhuǎn)矩計算值、實驗值之間的誤差要控制在5%之內(nèi)，發(fā)動機模型還可以在后期進氣相關(guān)消聲元件戶必須耦合中使用，并對消聲元件性能基礎(chǔ)進行評價[2]。

3.2 空氣濾清器的模型

發(fā)動機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，空氣濾清器是進氣道的主要消聲元件，其結(jié)構(gòu)與具有一定擴張性的消聲器類似，且實際體積、插入管長度和擴張比等都會對消聲性能產(chǎn)生很大影響。因此在發(fā)動機空氣濾清器具有的三維數(shù)模基礎(chǔ)上，借助GT軟件內(nèi)具有的GEM3D模塊功能，進行相應(yīng)的空氣濾清器的外殼導入，同時再借助模塊所具有的彎管、直管、材料阻性以及擋板等來進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，其中短管與進氣主管進行連接，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)動機進氣系統(tǒng)進行分析，能夠得知該發(fā)動機赫姆霍茲諧振腔與1/4波長管尺寸，進而在GT-Power中建立相應(yīng)模型。

3.4 消聲元件性能評價模型

發(fā)動機進氣口的噪音模型主要是在進氣口位置安裝相應(yīng)麥克風，一般距離發(fā)電機進氣口約500mm且呈45°夾角，然后根據(jù)其模型進行噪音影響計算。插入損失計算方法，要先將其消聲器元件部分借用相同長度直管來進行代替，然后再計算進氣口具有的噪聲，并用消聲元件來替換直管，再對進氣口的噪聲實施計算，將得到的兩值進行作差分析。對于壓力損失計算來說，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行累計，然后再進行求差計算[3]。

3.5 消聲元件的性能計算結(jié)果的分析

通過上述進氣口噪聲模型分析和計算，得到進氣口相應(yīng)噪聲結(jié)果，在各個轉(zhuǎn)速下，進氣口總聲壓級于目標曲線之下，滿足設(shè)計要求，但是，對階次噪聲來說，在達到5600r/min的時候，階噪聲比目標值略高，在3600r/min的時候，6階噪聲比目標值也要高，因此需要進一步進行優(yōu)化和改進。消聲元件插入在中高轉(zhuǎn)速中，即3600～6200r/min下，發(fā)動機進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，因此需要進行進一步優(yōu)化。

4 進氣消聲元件的優(yōu)化

通過增加空濾器容積，能夠?qū)M氣口噪聲實現(xiàn)有效控制，進而達到降噪目的。按照其發(fā)動機進氣系統(tǒng)空間布置標準要求，對空氣濾清器的長度進行增加，也能夠增加其體積，并對空氣濾清器進氣管截面積進行縮減。通過優(yōu)化完成后的空氣濾清器GEM3D模型以及發(fā)動機實施耦合計算，能夠得到1/3倍頻程特性情況，進而就能夠得到個別頻率下，進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倍頻程的計算結(jié)果進行分析，進而參照相應(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f為198.4Hz時，lc為2.2mm；當f為315.0Hz時，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f為500.0Hz時，L為170mm；當f為793.7Hz時，L為107.1mm。同時還要對進氣中的溫度變化進行考慮，因為進氣溫度的變化是會造成進氣流速發(fā)生變化，從而對諧振腔產(chǎn)生影響[5]。

如果使用GT-Power進行計算，并對諧振腔以及1/4的波長管的長度尺寸來進行調(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)化完成后進氣系統(tǒng)的消聲元件與發(fā)動機的模型實現(xiàn)耦合計算和分析，這樣就可以得到相應(yīng)優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)具有的噪聲。這時候發(fā)動機的進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，噪聲為76.35dB（A），其各階次聲壓級都低于目標噪聲值，這比改進前的進氣系統(tǒng)噪聲有所降低，優(yōu)化效果也比較好。優(yōu)化完成后的進氣消聲元件和發(fā)動機進行耦合后，從進氣口的位置到節(jié)氣門進氣壓降是2.5kPa，達到了設(shè)計的標準要求[6]。

5 結(jié)語

通過GT-Power建立發(fā)動機進氣系統(tǒng)的性能仿真模型，對原進氣的系統(tǒng)相關(guān)計算結(jié)果進行對比和分析，發(fā)現(xiàn)總壓級雖然在目標曲線之下，滿足了限值要求標準，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)動機進氣消聲元件進行優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了有效增加空氣濾清器容積的目標，并對其赫姆霍茲諧振腔以及1/4波長管進行了調(diào)整，對模型進行計算分析可知，發(fā)動機進氣口噪聲總壓級在目標規(guī)定噪聲之下的，各階次聲壓級也都低于遠設(shè)備噪聲數(shù)值，同時改進后的進氣壓降也滿足2.5kPa限值要求標準。

通過GT-Power軟件對發(fā)動機進氣道噪聲控制進行研究，對發(fā)動機進氣道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，具有不錯的降噪效果，并且有效縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)時間。另外，通過GTPower軟件還能夠?qū)Πl(fā)動機進氣口產(chǎn)生的噪聲進行有效的預(yù)測，不僅能夠?qū)υO(shè)計方案以及設(shè)計效果進行有效控制，還能夠為發(fā)動機進氣系統(tǒng)長遠開發(fā)和研究提供全面準確的指導，從而促進其更好的發(fā)展。