基于數字化分析技術的進氣系統性能研究

廉巨龍，雷一騰，周維

(1.華晨汽車工程研究院，遼寧沈陽 110141;2.伊犁師范學院，新疆伊寧 835000)

0 引言

進氣系統的主要功用是過濾空氣中的雜質，保證發動機吸入清潔的空氣。但是隨著汽車工業的發展，客戶對汽車聲品質的要求越來越高，進氣口噪聲是發動機噪聲傳播的主要途徑之一，影響乘車的舒適[1]。因此，進氣系統的消聲性能成為了設計進氣系統時必須考慮的一個重要的問題。

往復式發動機的進氣系統噪聲信號通常與發動機發火頻率的階次有關。對于自然吸氣發動機，進氣口噪聲是由節氣門周期性地開閉產生的壓力波動引起的，主要包括3種成分：進氣門開啟時活塞做變速運動引起的進氣脈動噪聲，進氣門關閉時引起進氣管道中產生空氣柱共振噪聲，氣流流經進氣門環隙時產生的渦流噪聲。

在很多情況下，自然吸氣發動機的進氣口噪聲是由低頻噪聲引起的，精確的抗性消聲器設計可以有效地抑制低頻噪聲產生。LIU等[2]使用試驗和仿真相結合的方法研究了進氣系統噪聲優化設計的系統方法。吳超群等[3]應用計算流體力學模型邊界條件、采用三維聲學有限元法進行結構改進設計，提高進氣系統的聲學性能。進氣系統另一個重要的性能指標是進氣系統的壓降，在消聲容積一定的情況下，縮小管徑可以有效降低進氣系統噪聲。為了平衡進氣系統氣動性能與聲學性能，作者基于數字化分析技術，采用Star CCM+軟件對流場進行分析，通過HyperMesh軟件對進氣系統進行網格劃分，采用Virtual.lab軟件建立聲學有限元模型對進氣系統的聲學性能進行預測以提高進氣系統對總聲壓級的衰減。

1 進氣系統氣動性能與聲學性能評價指標

1.1 空濾濾芯的影響及氣動性能目標

設計進氣系統時，先考慮氣動性能還是先考慮聲學性能一直是研發人員爭論的課題。作者針對一套全新開發的進氣系統，首先考慮氣動性能，盡量設計較小的管徑，在滿足進氣系統壓降目標的前提下進行聲學性能的優化。

進氣系統的氣動性能評價指標是進氣阻力要求。進氣系統管路的設計流場分布應均勻，避免引起流動分離的速度突變；濾芯表面流速分布均勻，這樣可以提高濾芯的使用壽命。

進氣系統中的濾芯除了能過濾空氣中的雜質外，本身是一種多孔介質，對流場及聲場的性能均有影響[4]。多孔介質中黏性阻力因子和慣性阻力因子對進氣系統空氣動力性能影響較大。對于一款自然吸氣發動機，主要考慮中低頻所引起的噪聲，濾芯在聲學方面主要影響1 000 Hz以上的高頻噪聲，對1 000 Hz以下的噪聲影響較小，因此濾芯多孔介質的因素主要在氣動性能仿真中考慮，在聲學性能仿真中暫不考慮。

1.2 聲學性能評價指標

進氣系統中單個消聲元件通常是降低某個頻率或某個頻率段的噪聲，單個消聲結構精準化的設計對改善整個進氣系統的消聲性能格外重要。當某個或一些消聲元件連接到進氣系統后，對整個進氣系統的消聲性能進行評價非常重要。

對進氣系統的消聲性能評價主要有3個指標：傳遞損失、插入損失、消聲量。傳遞損失是對單個消聲元件的消聲效果進行評價；而插入損失是對整個消聲系統的評價；考慮到發動機聲源的影響，對于消聲量是考慮進氣系統或排氣系統的聲學出口噪聲特性的影響，對于自然吸氣發動機，消聲量的評價尤為重要。

消聲量是指系統中任意兩點聲壓級的差值，用NR來表示。圖1為消聲量的測量系統，系統中的傳聲器點的聲壓級分別為Lp1、Lp2，那么消聲量

NR=Lp1-Lp2=20log(p1/p2)

(1)

圖1 消聲量測量系統圖

2 進氣系統氣動性能與聲學性能數字化仿真

2.1 空氣動力學性能的數字化仿真

建立幾何模型，利用HyperMesh軟件對進氣系統進行有限元前處理，提取進氣系統內表面的模型，對其進行網格劃分，在Star CCM+中進行面網格表面重構，生成多面體網格。為了模擬進氣系統入口、出口處大氣環境對節氣門體的影響，在入口及出口處添加一段延長區域；濾芯按多孔介質處理，設置濾芯特性因子；建立的網格模型中有469 416個實體單元，共有1 464 810個節點。

對進氣系統流場進行模擬時，模型的邊界條件為：進氣口設置質量流入口，出氣口設置壓力出口。

2.2 聲學性能的數字化仿真

隨著汽車工業的發展與數字化仿真技術的應用，已不再是依靠單個消聲元件解決進氣系統進氣噪聲問題，而是采用多種類消聲元件集成化程度較高的消聲模塊對進氣系統進行消聲，因此系統聲學性能的數字化仿真極為重要[5]。利用Virtual.lab軟件建立進氣系統主體內聲場的聲學有限元模型，圖2為進氣系統的聲學有限元模型，其中單元總數為176 176個，聲學節點為982 048個。

圖2 進氣系統主體的聲學有限元模型

建模時，在聲學入口處施加單位質點振動速度邊界條件，模擬白噪聲激勵，頻率范圍20～1 000 Hz。在聲學出口處施加輻射阻抗的邊界條件，進氣系統聲學出口處可以看作是活塞式聲源，其輻射特性遵循活塞式聲源輻射特性規律。

通過對進氣系統主體在無濾芯的情況下進行消聲量的計算，來評估整個系統的消聲能力，可以得到圖3所示的進氣系統主體消聲量曲線。可以看出：系統插入空濾后，低頻范圍的消聲量得到明顯提升。

圖3 進氣系統主體消聲量曲線

3 進氣系統聲學性能優化

在系統優化前首先應固化進氣系統的管道直徑，對進氣系統主體流場進行綜合評估后再進行聲學性能的優化。通過數字化仿真分析技術對進氣系統主體進行進氣阻力預測，仿真結果為2.231 kPa，滿足進氣系統阻力不大于3 kPa的目標要求，并為聲學設計留有余量。基于此，對系統進行聲學結構設計優化。

3.1 試制樣車整車發動機原始噪聲測試

如圖4所示，通過在NVH(Noise Vibration Harshness)半消聲試驗室中采用整車發動機艙覆蓋包裹法，用與進氣系統等長度的直管代替進氣系統進行發動機原始噪聲測試。3G WOT(Wide Open Throttle)工況，測點距離進氣口100 mm，45°方向，測試發動機原始噪聲。從圖5可以看出：全轉速范圍內全階次噪聲超出目標線大于20 dB，各階次噪聲均超出目標線。

圖4 進氣系統基態測試圖

圖5 進氣系統基態測試曲線圖

3.2 聲學結構設計

隨著汽車的設計走進輕量化的時代，進氣系統的輕量化已不再依靠增加零散的消聲器來解決進氣噪聲問題，采用消聲器的集成化理念，將設計的赫姆霍茲諧振腔及波長管集成在空濾本體上。

針對發動機的原始噪聲及進氣系統主體的消聲量曲線，進行旁支消聲器集成化的結構設計。對不同轉速下、各階次對應的峰值頻率進行消聲結構設計。該空濾共集成了5個赫姆霍茲諧振腔、2個1/4波長管結構，空濾內集成1個內插管。消聲器的模型見圖6。

通過Virtual.lab中的Acoustic模塊進行有限元分析，得到進氣系統的消聲量曲線，如圖7所示。可以看出：全轉速范圍內消聲量得到大幅度的提升，達到了消聲量20 dB以上的要求。

將設計方案通過快速成型方法加工成手工樣件后進行調音測試，如圖8所示。

圖6 空濾的集成化設計方案圖

圖7 進氣系統的消聲量曲線

圖8 空濾集成消聲器結構的手工樣件

4 結果與討論

對優化前后模型進行分析，優化后的模型及流線圖見圖9，流線圖中流線分布均勻，局部位置產生流動分離的現象，臟空氣側管道內流速較大是由整車空間布置限制所致，設計成方形截面。

圖9 優化方案流場分析模型及流線圖

用空氣濾清器性能測試臺測量進氣系統在最大流量330 kg/h進氣量下的進氣阻力。進氣系統進氣阻力仿真分析與臺架對比試驗結果見表1，可以看出：進氣系統的進氣阻力滿足進氣系統的目標要求。仿真結果與臺架測試的相對誤差在允許的范圍內。

表1 臺架試驗和模擬值對比

在消聲室中測得的噪聲曲線見圖10，全階次噪聲在全轉速范圍內消聲量降低超過20 dB，全階次噪聲滿足目標要求。

圖10 全階次噪聲曲線

各階次噪聲曲線見圖11，優化后的進氣系統各階次噪聲與基態相比，在全轉速范圍內消聲性能均有不同程度的提升，滿足噪聲目標要求。

圖11 各階次噪聲曲線

優化后將系統搭載整車進行主觀評價，滿足整車提出的目標要求，駕駛室內噪聲得到明顯改善。

5 結束語

(1)通過數字化分析技術可以對進氣系統的氣動性能和聲學性能進行有效的預測。精細化、集成化的消聲元件的結構設計對整車輕量化具有一定貢獻。

(2)優化后系統的氣動性能和聲學性能均達到了預期的目標要求，優化后的進氣系統總消聲降低超過20 dB，噪聲性能得到較大程度提升。

參考文獻:

[1]賈維新.發動機結構噪聲和進氣噪聲的數字化仿真及優化技術研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[2]LIU C,HAO Z Y,CHEN X R.Optimal Design of Acoustic Performance for Automotive Air-cleaner[J].Applied Acoustic，2010，71(5)：431-438.

[3]吳超群，劉凌豪，華偉杰，等.某SUV車型進氣系統改進設計[J].汽車技術，2017(4)：50-52.

WU C Q,LIU L H,HUA W J,et al.Modified Design of a SUV Air Intake System[J].Automobile Technology,2017(4)：50-52.

[4]劉聯鋆，郝志勇，錢欣怡.空濾器濾芯聲學特性的仿真方法[J].浙江大學學報(工學版)，2012,46(10)：1785-1789.

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JIN Y,HAO Z Y.Investigation and Improvement of Air-in Filter Acoustic Performance towards Pass-by Noise[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2006,40(8)：1143-1145.