基于相位推導(dǎo)對(duì)尾端進(jìn)氣歧管的研究

王若平，余云飛，洪 森

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013）

多缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流動(dòng)是非常復(fù)雜的三維非等熵不穩(wěn)定流動(dòng)，各支管之間的相互干擾對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能與聲品質(zhì)具有重要影響。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。2000年， KRAFT提出了通過試驗(yàn)與測(cè)試的方法來降低進(jìn)氣歧管的氣動(dòng)噪聲[1]。2007年，吳尚平詳細(xì)研究了塑料進(jìn)氣歧管振動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真方法，降低了歧管開發(fā)周期與成本[2]。2012年，黃澤好等對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了研究，充分考慮了進(jìn)氣阻力，通過優(yōu)化，使進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性得到提高[3]。2013年，李鑫等對(duì)進(jìn)氣歧管的管長與直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了探討，為進(jìn)氣歧管的開發(fā)提供了理論支持[4]。本文在理論推導(dǎo)進(jìn)氣歧管各支管相位對(duì)進(jìn)氣歧管聲壓階次組成的影響的基礎(chǔ)上，以某工程試驗(yàn)車為研究對(duì)象，根據(jù)理論優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，優(yōu)化結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)各支管之間的相位角，能很好地改善進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的階次組成，達(dá)到改善進(jìn)氣系統(tǒng)聲品質(zhì)的效果。

1 進(jìn)氣歧管相位角對(duì)歧管聲壓階次組成的研

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管氣體相位與壓力組成

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管是連接發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸與進(jìn)氣管道系統(tǒng)的部件，當(dāng)氣體在歧管中運(yùn)行時(shí)，第n個(gè)氣缸傳來氣體到進(jìn)氣歧管入口處與1號(hào)氣缸氣體之間的相位差角由兩部分組成。第1部分是各個(gè)氣缸之間的點(diǎn)火間隔差角；第2部分是各個(gè)支管與入口處的距離不同引起的相位角。

式中：Δθn為第n個(gè)氣缸與第1個(gè)氣缸的相位差角；Δθ為各氣缸與第1個(gè)氣缸之間的點(diǎn)火相位差角；為各支管與第1個(gè)支管距離差的相位差角；ln為第n個(gè)支管到入口的距離 ；l1為第1個(gè)支管到入口的距離；φ為發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)轉(zhuǎn)過的角度；N為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；ω為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度；c為聲音的傳播速度；n為第n個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。

以第1個(gè)支管為參考，第n個(gè)氣缸聲音傳遞到進(jìn)氣歧管入口聲壓的絕對(duì)轉(zhuǎn)角為：

式中：θn為第n個(gè)氣缸到歧管入口處聲波的絕對(duì)轉(zhuǎn)角；θ為第1個(gè)氣缸的初始相位角。

在第n個(gè)支管中任何一點(diǎn)的壓力由入射波聲壓與反射波聲壓組成。以支管與氣缸交界處作為起點(diǎn)，管道內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力可以表示為：

在進(jìn)氣總管內(nèi)，壓力為各氣缸傳到歧管的壓力之和，假設(shè)每個(gè)氣缸的入射波與反射波聲壓幅值相等，且不考慮氣體在歧管中的紊流效應(yīng)，總管處的聲壓可用以下公式表示：

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管相位角控制

尾端進(jìn)氣歧管是進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣口位于歧管諧振腔的尾端，而中心進(jìn)氣歧管是進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣口位于歧管諧振腔的中心。尾端連接進(jìn)氣歧管相比于中心進(jìn)氣歧管，由于對(duì)稱性較差，導(dǎo)致氣流噪聲較大。對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)尾端連接分管的進(jìn)氣歧管進(jìn)行研究，提出以相鄰支管相互調(diào)節(jié)的方案，以1號(hào)歧管為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)2號(hào)歧管，使它們到歧管入口處的距離相等；以3號(hào)歧管為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)4號(hào)歧管，使它們到歧管入口處的距離相等。以此來改變各個(gè)支管的相位角，達(dá)到改善進(jìn)氣歧管總管處的聲壓階次組成的效果，改善進(jìn)氣系統(tǒng)的聲品質(zhì)。推導(dǎo)如下：

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的周期為4π，則四缸沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相鄰兩個(gè)氣缸點(diǎn)火相位差為

則：

式中：θ1、θ2、θ3、θ4分別代表4根支管中的相位；θα為第1號(hào)支管的初始相位角；θβ為第3號(hào)支管的初始相位角；l1為第1號(hào)支管到歧管總管處的距離；l2為第3號(hào)支管到歧管總管處的距離。

（3）當(dāng)m=1, 2, 3,…,n時(shí)，為其它整階次聲壓波：

由上述公式推導(dǎo)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管相鄰支管，進(jìn)氣歧管總管處的聲壓幅值呈現(xiàn)如下分布規(guī)律：進(jìn)氣總管處發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階次與其諧波階次聲壓級(jí)將會(huì)得到增強(qiáng)，而半階次與其它整階次聲壓級(jí)將會(huì)被抑制。根據(jù)階次與舒適性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階次與諧波階次聲波將會(huì)使聲音更加渾厚，舒適性更佳；半階次聲波會(huì)使聲音更具有階躍感。本文提出的調(diào)節(jié)方案將會(huì)使進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的聽覺舒適性更佳。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與建立發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真模型

2.1 試驗(yàn)車進(jìn)氣噪聲信號(hào)采集

為驗(yàn)證理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，以某工程試驗(yàn)車為研究對(duì)象，在整車半消音室采集試驗(yàn)車3擋WOT工況下的進(jìn)氣噪聲，進(jìn)氣噪聲信號(hào)采集麥克風(fēng)布置在離進(jìn)氣口10 cm處，試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)車進(jìn)氣噪聲采集

2.2 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真模型

如圖3和圖4所示，在GEM-3D中建立試驗(yàn)車進(jìn)氣歧管模型并與用GT-POWER建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行耦合仿真。建模過程中，在進(jìn)氣口添加麥克風(fēng)模塊，用來采集進(jìn)氣口噪聲，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)在進(jìn)氣歧管各個(gè)支管處添加麥克風(fēng)模塊，用來監(jiān)測(cè)四處的相位，驗(yàn)證管道調(diào)節(jié)對(duì)相位角的影響。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖3 試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管模型

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)值與仿真結(jié)果對(duì)比

將試驗(yàn)采集的進(jìn)氣噪聲信號(hào)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與實(shí)際進(jìn)氣噪聲存在一定的誤差，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)車在進(jìn)行3擋WOT試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)中的各個(gè)部件將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這對(duì)進(jìn)氣噪聲會(huì)有一定的影響，而在搭建試驗(yàn)車仿真模型時(shí)并未把振動(dòng)考慮進(jìn)去，因而造成誤差。實(shí)際進(jìn)氣噪聲趨勢(shì)與仿真結(jié)果有很好的一致性，誤差值也在2 dB左右，在接受的范圍之內(nèi)，因此，該仿真模型能很好地模擬試驗(yàn)車進(jìn)氣噪聲。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的優(yōu)化

試驗(yàn)車進(jìn)氣歧管采用尾端連接分管，各分管等間距分布，每兩個(gè)歧管的間距為40 mm。考慮到進(jìn)氣歧管長度對(duì)進(jìn)氣性能的影響，不等長支管將在一定程度上降低進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率[5-7]。對(duì)進(jìn)氣歧管的調(diào)節(jié)方案為：以1號(hào)歧管為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)2號(hào)歧管，沿x向增加20 mm；以3號(hào)歧管為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)4號(hào)歧管，沿x向增加20 mm。通過相鄰歧管之間的長度調(diào)節(jié)，保證1號(hào)和2號(hào)歧管到進(jìn)氣歧管入口處的距離相等，3號(hào)與4號(hào)歧管到進(jìn)氣歧管入口的距離相等，使相鄰歧管間的相位差為π。優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管

3.1 優(yōu)化前后進(jìn)氣歧管各個(gè)支管相位對(duì)比

通過在仿真過程中監(jiān)測(cè)各支管的相位，由圖7～10可知：優(yōu)化前1號(hào)和2號(hào)歧管，3號(hào)與4號(hào)歧管，相位隨頻率分布更多的是同相位，而依據(jù)理論推導(dǎo)，調(diào)節(jié)相鄰歧管的長度，控制相位角，相鄰歧管之間異相位頻段增加，這將會(huì)使聲波之間相互抵消，降低噪聲幅值。

圖7 優(yōu)化前進(jìn)氣歧管1號(hào)與2號(hào)歧管相位圖

圖8 優(yōu)化前進(jìn)氣歧管3號(hào)與4號(hào)歧管相位圖

圖9 優(yōu)化后進(jìn)氣歧管1號(hào)與2號(hào)歧管相位圖

圖10 優(yōu)化后進(jìn)氣歧管3號(hào)與4號(hào)歧管相位圖

3.2 優(yōu)化前后進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)與階次對(duì)比

由圖11可知，優(yōu)化進(jìn)氣歧管后，進(jìn)氣噪聲總聲壓級(jí)下降，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下降幅較大。同時(shí)，進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速分布的線性度更佳，尖峰處的幅值減小，減少了整個(gè)加速過程中的階躍感，有利于改善進(jìn)氣噪聲的聽覺舒適性。

圖11 優(yōu)化前后進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)對(duì)比圖

圖12 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階次與諧階次聲壓級(jí)對(duì)比圖

圖13 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)半階次次聲壓級(jí)對(duì)比圖

如圖12和圖13所示，優(yōu)化進(jìn)氣歧管后，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階次與諧波階次聲壓級(jí)提高，而半階次聲壓級(jí)降低，這與理論推導(dǎo)相一致。根據(jù)階次分布與聽覺舒適性的關(guān)系[8]，點(diǎn)火階次與諧波階次聲壓級(jí)的提高將會(huì)增強(qiáng)進(jìn)氣噪聲的渾厚感，而半階次的降低，將會(huì)減少進(jìn)氣噪聲的階躍感，從而整體上改善進(jìn)氣噪聲的聽覺舒適性。

4 結(jié)論

（1）文章詳細(xì)推導(dǎo)了進(jìn)氣歧管相位角對(duì)進(jìn)氣噪聲聲壓階次組成的影響，為進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

（2）基于理論推導(dǎo)，以工程試驗(yàn)車為研究對(duì)象，在確保仿真精度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化進(jìn)氣歧管，通過仿真驗(yàn)證了理論的正確性。

（3）文中未考慮進(jìn)氣歧管中氣體復(fù)雜的紊流狀態(tài)，理論推導(dǎo)是建立在理想狀態(tài)下，所以與實(shí)際情況相比會(huì)存在一定的誤差。