發動機進氣歧管對進氣系統聲品質的影響

王若平，洪 森

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

多缸發動機進氣歧管內氣體流動是非常復雜的三維非等嫡不穩定流動，各支管之間的相互干擾對進氣系統聲品質具有重要影響。本文利用GEM-3D建立中心進氣歧管與旁支進氣歧管的三維模型，并對三維模型進行離散化，導入到GT-POWER模型中，構建完整的發動機進氣系統模型。采集虛擬的發動機進氣噪聲，運用GT-POST對比分析2種進氣歧管對該發動機進氣系統在加速與常用轉速2種工況下進氣噪聲聲品質的影響，總結出一般規律，為發動機進氣系統的開發與設計提供方向與理論支持。

1 發動機進氣系統的結構與噪聲產生機理

1.1 發動機進氣系統結構

進氣系統可以分為2個部分：發動機進氣多支管和空氣進入系統。多支管系統包括進氣分管和進氣總管。空氣進入系統包括進氣控制閥、怠速進氣通道、柔性連接管、1/4波長管、空氣過濾器、赫姆霍茲消聲器、前進氣導流管和后進氣導流管等。進氣系統結構示意圖如圖1所示。

1.進氣分管; 2.進氣總管; 3.進氣控制閥; 4.怠速進氣通道; 5.柔性連接管; 6.后進氣導流管; 7.1/4波長管; 8.空氣過濾器; 9.空氣過濾網; 10.赫姆霍茲消聲器; 11.前進氣導流管

圖1 進氣系統結構示意圖

1.2 發動機進氣噪聲產生機理

當發動機工作時，高速氣流經過空氣濾清器、進氣管、氣門進入氣缸，在此空氣流動的過程中會產生強烈的空氣動力噪聲，其主要成分包括：周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、氣缸赫姆霍茲共振噪聲和進氣管的氣柱共振噪聲。

發動機進氣系統是調節動力系統聲品質的關鍵系統，一般通過兩方面來調節聲音：本體設計和歧管設計。一方面，通過本體消聲元件以及支路的設計，實現所需頻率的聲音，并消除一些不喜歡的聲音。另一方面，通過進氣歧管的設計來改變進氣口的聲音階次。階次調節與頻率調節相配合，以此實現所期望的運動感聲音、動力感聲音、舒適感聲音或豪華感聲音。

進氣歧管進氣方式通過對周期性壓力脈動噪聲的調節，從而調節動力總成噪聲中的階次組成，進而實現聲品質的改善。

2 搭建發動機進氣歧管模型及離散處理

2.1 搭建發動機進氣歧管模型

本文利用GEM-3D建立2種進氣歧管的三維模型，該進氣歧管由進氣口、諧振腔、歧管3部分組成。如圖2、3所示。

圖2 旁支進氣歧管

圖3 中心進氣歧管

為嚴格控制變量的個數，保證仿真的精確度，2種進氣歧管差別在于進氣口的位置不同，其余參數均保持一致。

2.2 模型的處理

采用GEM-3D軟件與GT-POWER軟件的耦合，對采用GEM-3D建立的歧管三維模型進行離散化，然后導入GT-POWER中。離散化的進氣歧管如圖4、5所示。

圖4 中心進氣歧管離散化模型

圖5 旁支進氣歧管離散化模型

3 GT-POWER控制方程與發動機基本參數

GT-POWER是以一維CFD為基礎，采用有限容積法對熱流體進行模擬計算的軟件，在計算進氣系統流體狀態時應用的基本控制方程為：

連續方程

動量方程

能量方程

利用離散化的發動機進氣歧管模型與相關的發動機參數(表1)，在GT-POWER中搭建了2種進氣歧管完整的發動機進氣系統模型，采集2種歧管所產生的虛擬發動機進氣噪聲。2種歧管發動機進氣系統模型如圖6、7所示。

表1 發動機主要技術性能參數

圖6 中心進氣歧管發動機進氣系統模型

圖7 旁支進氣歧管發動機進氣系統模型

4 仿真結果分析

利用GT-POST對搭建的發動機模型采集到的虛擬發動機進氣系統噪聲進行后處理。對加速和常用轉速3 000 r/min兩種工況下的虛擬進氣噪聲進行相關聲品質的客觀分析。

4.1 加速工況下發動機進氣噪聲聲品質分析

4.1.1 線性度

線性度指噪聲隨發動機轉速變化曲線接近一根直線。由圖8可知：在低轉速下，2種歧管的進氣方式對進氣噪聲的聲壓級影響基本一致，但隨著轉速的提高，節氣門的開度增大，進氣量加大，且流速更快，旁支進氣歧管與中心進氣歧管相比較，進氣的不均勻性加大，從而導致歧管中傳播的噪聲更加劇烈。中心進氣歧管的進氣噪聲的線性度更好，因而給人的聽覺舒適感更好，而旁支進氣歧管線性度較差，并且存在尖峰，使進氣噪聲更具有階躍感。

圖8 旁支進氣歧管與中心進氣歧管進氣噪聲聲壓級隨轉速比較

4.1.2 階次分析

由圖9、10可知：2種進氣歧管所形成的進氣噪聲在階次組成上半階的差別較大，而2階(點火階次)和諧階次的差別較小。由于中心進氣歧管的各支管等長且存在中心對稱，如果忽略各氣缸之間點火間隔差角的影響，每個支管雖然到中心位置的距離不等，但存在對稱關系。根據文獻[1]可知：中心進氣歧管的各支管的發火階次聲壓相位相互增強，而半階次聲壓相位會相互抑制。對于旁支進氣歧管不存在這種中心對稱關系，因此半階次相位相互抑制情況將會被極大的減弱，因而半階次聲壓級比較高。當半階次聲壓級比重較高時，使進氣噪聲更具有運動感。因此，中心進氣歧管所形成的進氣噪聲聽覺體驗更加渾厚，而旁支進氣歧管所形成的進氣噪聲運動感更佳。

4.2 對該發動機常用轉速3 000 r/min進氣噪聲聲品質分析

4.2.1高頻噪聲

語言清晰度在高頻時比低頻時低，所以高頻噪聲嚴重影響到說話清晰度。由圖11、12可知：在500 Hz以后，中心進氣歧管的A計權聲壓級大部分在80 dB以下，而旁支進氣歧管的聲壓級普遍在80 dB以上，旁支進氣歧管的高頻噪聲聲壓級遠高于中心進氣歧管的聲壓級。根據高頻噪聲與語言清晰度的關系，當高頻噪聲的聲壓級高時，語言清晰度將會變差，所以中心進氣歧管對車內的語言清晰度貢獻量小，因而中心進氣歧管車內語言清晰度相比旁支進氣歧管會更好。

圖9 旁支進氣歧管與中心進氣歧管2階與4階進氣噪聲隨轉速比較

圖10 旁支進氣歧管與中心進氣歧管1階與1.5階進氣噪聲隨轉速比較

圖11 3 000 r/min旁支進氣歧管發動機進氣噪聲聲壓級隨頻率的變化情況

圖12 3 000 r/min中心進氣歧管發動機進氣噪聲聲壓級隨頻率的變化情況

4.2.2 階次組成

由圖13、14可知，該發動機在3 000 r/min時，由于中心進氣歧管的對稱關系，中心進氣歧管的各支管的發火階次聲壓相位相互增強，而半階聲壓相位會相互抑制，中心進氣歧管的點火階次以及其諧階次處的聲壓級高于旁支進氣歧管，使進氣噪聲聽起來更加渾厚，而旁支進氣歧管在半階次組成上高于中心進氣歧管，進氣噪聲會更具有階躍感與運動感。

圖13 3 000 r/min旁支進氣歧管進氣噪聲聲壓級隨階次變化情況

圖14 3 000 r/min中心進氣歧管進氣噪聲聲壓級隨階次變化情況

5 結束語

由于條件的限制，沒有對2種歧管進行實車驗證，也忽略了實際安裝過程的空間要求，因而仿真與實際會存在一定的誤差。

采用控制變量法，有效地比較了2種進氣歧管因進氣方式不同對發動機進氣系統聲品質的影響，為發動機進氣歧管的開發與設計提供了理論基礎。

利用GEM-3D軟件與GT-POWER軟件耦合，更加全面地分析了整個進氣系統的噪聲，比單純利用參數建立GT-POWER模型進行仿真更精確。

由仿真可以得出一般性結論：中心進氣歧管所形成的進氣噪聲的線性度好，聽覺舒適性好；旁支進氣歧管所形成的進氣噪聲階躍感與運動感更佳，但是語言清晰度會稍差。

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