某發動機進氣系統噪聲優化分析

孫影，雷蕾，昂金鳳，談健，王強

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230000)

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某發動機進氣系統噪聲優化分析

孫影，雷蕾，昂金鳳，談健，王強

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230000)

為解決某款自然吸氣發動機出現的進氣口噪聲問題，基于GT-Power軟件搭建相應的一維氣動噪聲仿真模型；通過提取噪聲頻率map圖以及全轉速下的進氣噪聲SPL曲線識別出目標頻率；針對目標頻率設計出對應消聲器的結構尺寸，并將消聲器匹配到進氣管路中，重新提取進氣口噪聲。結果表明，降噪效果顯著。

進氣噪聲；消聲器設計；降噪

0　引言

隨著人們對汽車舒適性要求的提高，汽車NVH特性成為消費者購車的重要指標，因此，汽車廠商將更多力量投入這方面的研究[1]。在汽車噪聲中，發動機噪聲占主要成分[2]，而進氣噪聲是發動機噪聲的主要聲源之一[1]。文中就某款自然吸氣汽油發動機的進氣噪聲問題進行優化分析。

1　問題描述

進氣門周期性開閉必然引起進氣管道內空氣壓力和密度起伏變化，從而形成空氣動力性噪聲，也就是進氣噪聲[3]。主要包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、氣缸的赫姆霍茲共振噪聲和進氣管的氣柱共振噪聲。

在半消聲室環境下的噪聲試驗中，某款自然吸氣汽油發動機進氣口處噪聲明顯。為進一步識別該進氣噪聲，基于CAE仿真軟件建立相應的一維氣動噪聲模型并進行優化分析。

2　模型標定及進氣噪聲仿真分析

熱力學結果的正確性是噪聲結果可信的基礎，因此首先對該款發動機的熱力學性能進行精標定。

將仿真結果與試驗數據進行對比，通過調整進氣道的溫度、空濾及進氣管路的壁面摩擦阻力系數、氣缸內的對流換熱系數因子、排氣道壁面溫度以及對流換熱系數因子等參數，使進氣量、進氣壓力、排氣背壓、排氣溫度、功率、扭矩、油耗率等都達到比較好的情況，誤差控制在3%以內。如圖1—3所

示：功率、扭矩、比油耗仿真分析結果與試驗結果在數值上與曲線形狀上吻合性均較好，表明該模型熱力學性能合理，可以用于后續的進氣噪聲分析。

運行精標定后的一維氣動噪聲仿真模型，并提取進氣口處的噪聲。該噪聲通過設置傳感器，由虛擬麥克風進行采集，虛擬麥克風軸線與進氣口軸線呈45°，并距離進氣口100 mm。

圖1　扭矩試驗值與計算值對比結果

圖2　功率試驗值與計算值對比結果

圖3　比油耗試驗值與計算值對比結果

讀取虛擬麥克風采集到的進氣噪聲頻率map，如圖4所示。進氣噪聲頻率map顯示：在低頻(250 Hz以下)和中高頻(500～750 Hz)存在共振帶。為進一步確定目標頻率，讀取全轉速下的進氣噪聲SPL(Sound Pressure Level)曲線，如圖5所示，可以看出：193和613 Hz時進氣口噪聲聲壓值較大，分別為120.15和102.89 dB(A)。這兩個峰值頻率與噪聲頻率map圖采集到的共振帶中心頻率基本吻合，故將其確定為該發動機進氣噪聲優化的目標頻率。

圖4　進氣口噪聲頻率map圖

圖5　進氣口噪聲曲線

3　消聲器設計

進氣系統聲學優化基本使用抗性消聲器[5]，主要是利用通道中聲抗的突變反射部分聲能，從而起到消聲的作用。抗性消聲器包括擴張腔式消聲器、1/4波長管、赫姆霍茲消聲器等。不同種類消聲器適用的消聲頻段不同，赫姆霍茲消聲器主要用于消除低頻段噪聲，而1/4波長管受本身結構的影響，一般用于消除中高頻段噪聲，因此，針對193 Hz主共振峰值選用赫姆霍茲消聲器，針對613 Hz主共振峰值選用1/4波長管。

3.1赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器一般由共振腔和連接管組成，連接管與進氣系統相連，如圖6所示。

圖6　赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器的消聲頻率計算公式為：

(1)

式中：c為聲速(m/s)；V為空腔體積(m3)；L為連接管的長度(m)；r為連接管半徑(m)。

針對193 Hz主共振峰值設計的赫姆霍茲消聲器結構參數為：空腔(立方體)容積V=93.5×93.5×93.5 mm3、連接管長度L=40 mm、連接管半徑r=15 mm。

3.21/4波長管

1/4波長管是一種典型的被動消聲器，是安裝在主管道上的一個封閉的管子，如圖7所示。當聲波從主管道進入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管道，某些頻率的聲波與主管道中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，達到消聲的目的。

圖7　1/4波長管

1/4波長管的消聲頻率計算公式為：

(2)

式中：c為聲速(m/s)；L為管子長度(m)。

針對613 Hz主共振峰值設計的1/4波長管結構參數為：管子長度L=140 mm，管子直徑d=50 mm。

3.3消聲器建模

按照設計好的赫姆霍茲消聲器和1/4波長管的結構尺寸在GEM3D中建立對應的消聲器模型，分別如圖8、9所示。離散為gtm模型，供GT計算時調用。

圖8　赫姆霍茲消聲器模型

圖9　1/4波長管模型

4　進氣噪聲優化

將赫姆霍茲消聲器及1/4波長管的gtm模型分別匹配到發動機空濾前的管路段中，如圖10所示。

圖10　消聲器匹配圖

分別再次運行匹配赫姆霍茲消聲器和1/4波長管后的模型，并提取進氣口噪聲數據，如圖11、12所示

圖11　匹配赫姆霍茲消聲器后進氣口噪聲曲線

圖12　匹配1/4波長管后進氣口噪聲曲線

從圖11可以看出：匹配赫姆霍茲消聲器后，進氣口噪聲在全頻率范圍內的最大聲壓值為103.75 dB(A)@126.67 Hz，比匹配前的發動機進氣口噪聲聲壓值降低16.4 dB(A)。

從圖12可以看出：匹配1/4波長管后，進氣口噪聲在全頻率范圍內的最大聲壓值為118.14 dB(A)@193.33 Hz，比匹配前的發動機進氣口噪聲聲壓值降低2.01 dB(A)。

5　結論

(1)基于CAE仿真軟件并結合實際噪聲問題，建立了相

應的一維氣動噪聲仿真模型；

(2)通過仿真分析，提取噪聲頻率map圖以及全轉速下的進氣噪聲SPL曲線，識別出目標消聲頻率；

(3)針對193 Hz目標頻率設計赫姆霍茲消聲器。匹配后，進氣口噪聲在全頻率范圍內的最大聲壓值為103.75 dB(A)，比原進氣口噪聲降低16.4 dB(A)；

(4)針對613 Hz目標頻率設計1/4波長管。匹配后，進氣口噪聲在全頻率范圍內的最大聲壓值為118.14 dB(A)，比原進氣口噪聲降低2.01 dB(A)。

【1】王小龍，陸靜，王亞運，等.1/4波長管參數對發動機進氣噪聲的影響研究[J].汽車實用技術，2013(9):49-51.

WANG X L，LU J，WANG Y Y，et al.Effect of Parameters of 1/4 Wave Length Tube on Engine Intake Noise[J].Automobile Applied Technology,2013(9):49-51.

【2】邵恩坡，程漢華.發動機進氣噪聲產生的機理及其控制[J].小型內燃機，1994(4):44-47.

【3】楊誠，鄧兆祥，阮登芳，等.進氣噪聲產生機理分析及其降噪[J].汽車工程，2005,27(1):68-71.

YANG C，DENG Z X,RUAN D F,et al.The Generation Mechanism and Reduction Measures of Engine Induction Noise[J].Automotive Engineering，2005,27(1):68-71.

【4】劉永長.內燃機原理[M].武漢:華中科技大學出版社,2001:172-179.

【5】龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動理論與應用[M].北京：高等教育出版社，2002.

Optimization and Analysis of Engine Intake System Noise

SUN Ying，LEI Lei，ANG Jinfeng，TAN Jian，WANG Qiang

(Research & Development Center, Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230000,China)

To solve the problem of intake system noise in a natural gasoline engine, GT-Power software was used to established the corresponding one-dimensional aerodynamic noise simulation model; the target frequency was distinguished by extracting the noise-frequency map diagram and the intake system noise SPL curve; for the target frequency, corresponding muffler was designed, and it was matched to the intake pipe, the noise of intake system was extracted after re-running the simulation model. The result shows that the denoising effect is obvious.

Intake system noise; Muffler design; Denoising

2016-05-15

孫影(1986—)，女，碩士研究生,助理工程師，主要從事發動機NVH及性能分析。E-mail:ying860225@163.com。

U464

A

1674-1986(2016)08-033-04