進(jìn)氣歧管對(duì)汽車進(jìn)氣聲品質(zhì)影響研究

周曉杰，劉志恩，顏伏伍,杜松澤

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2．武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車的聲品質(zhì)有了更高的要求，如今汽車的聲品質(zhì)已經(jīng)成為汽車制造商和研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1]。聲品質(zhì)的調(diào)節(jié)主要依靠進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)中主要依靠進(jìn)氣歧管來調(diào)節(jié)，排氣系統(tǒng)中主要依靠排氣歧管來調(diào)節(jié)，改善聲品質(zhì)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車NVH性能具有非常重要的影響[2]。

聲品質(zhì)要求就是考慮聲音的頻率成分。福特公司[3]認(rèn)為：聲品質(zhì)設(shè)計(jì)主要包括發(fā)火階次、高頻噪聲、響度以及線性度，其中對(duì)于舒適性的車輛發(fā)火階次起主要作用，半階次主要影響車輛的運(yùn)動(dòng)感。Antonio[4]認(rèn)為進(jìn)排氣噪聲中半階成分使聲音更具運(yùn)動(dòng)感，是運(yùn)動(dòng)型車的理想選擇。Johnson[5]認(rèn)為購買中高級(jí)轎車的消費(fèi)者主要關(guān)注車輛的舒適性，而購買跑車的消費(fèi)者主要關(guān)注車輛的運(yùn)動(dòng)性，因此，想要提高車輛的運(yùn)動(dòng)性就要提高半階次噪聲。Ohsasa和Kadomatsu[6]采用評(píng)審團(tuán)的方法，得到噪聲所包含的半階次噪聲水平越高，噪聲的動(dòng)力感越強(qiáng)的結(jié)論。

筆者基于一款4缸1.6 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下，通過改變進(jìn)氣歧管的長度，研究聲品質(zhì)的變化，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了一款進(jìn)氣歧管，使噪聲組成中含有較高聲壓水平的半階噪聲使其噪聲更富有運(yùn)動(dòng)感。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間的限制，不考慮各歧管差值超過原歧管長度的情況。

1 進(jìn)氣歧管聲學(xué)公式推導(dǎo)

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管道中傳播的聲波，可以認(rèn)為以平面波的形式傳播。聲音在管道中傳播，當(dāng)達(dá)到管道頂端時(shí)，一部分會(huì)透過管道繼續(xù)傳播，而另一部分聲波則會(huì)被反射回去，形成反射波[7-8]。

管道中任何一點(diǎn)的聲壓是入射聲壓和反射聲壓的合成，可以用式(1)表示：

P(x,t)=PAej(ωt-Kx)+PBej(ωt+Kx)

(1)

式中：K和ω分別為聲波的波數(shù)和圓頻率；PA和PB分別為入射聲波和反射聲波的幅值；x為聲波傳播方向；t為時(shí)間。

在進(jìn)氣總管口，聲壓為傳遞到各缸的聲壓力之和，因此進(jìn)氣總管口的聲壓為：

P(θ)=(PAiejmθ-ωc+PBiejmθ+ωc)e0+

(PAiejmθ-ωcI3+PBiejmθ+ωcI3)ejmπ+

(PAiejmθ-ωcI4+PBiejm(θ+ωcI4))ej2mπ+

(PAiejm(θ-ωcI2)+PBiejm(θ+ωcI2))ej3mπ

(2)

式中：m為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火階次；θ為一缸對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；Ii為第i個(gè)歧管的長度；c為聲速；ω為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度；j為發(fā)火順序。

當(dāng)m=1、3、5等非發(fā)火階次及其諧階次和半階之外的整數(shù)階時(shí)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作均勻，認(rèn)為PAi=PA，PBi=PB,式(2)可以表示為：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejmθ+ωcI1)-

(PAejmθ-ωcI3+PBejmθ+ωcI3)+

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)-

(PAejmθ-ωcI2+PBejmθ+ωcI2)

(3)

當(dāng)m=2、4、6等發(fā)火階次及其諧階次時(shí)，式(2)可以表示為：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejmθ+ωcI1)+

(PAejmθ-ωcI3+PBejmθ+ωcI3)+

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)+

(PAejmθ-ωcI2+PBejmθ+ωcI2)

(4)

當(dāng)m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5等半階次時(shí)：

Pm(θ)=(PAejmθ-ωcI1+PBejm(θ+ωcI1))-

(PAejmθ-ωcI4+PBejmθ+ωcI4)

(5)

通過式(1)～式(5)的推導(dǎo)，對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，可以得出以下結(jié)論：

(1)半階噪聲受間隔發(fā)火缸的歧管長度影響，即受1、4號(hào)歧管長度和2、3號(hào)歧管長度的影響。

(2)主階次噪聲只受相鄰發(fā)火兩缸歧管長度相互關(guān)系影響。

2 仿真模型搭建與方案設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型搭建

通過GT-Power軟件建立仿真模型，Pang[9]已經(jīng)驗(yàn)證了在排氣歧管中歧管是直管或者彎管對(duì)噪聲基本無影響，進(jìn)氣歧管與排氣歧管相同，因此為了方便研究進(jìn)氣歧管長度對(duì)進(jìn)氣聲品質(zhì)的影響，在仿真時(shí)將進(jìn)氣歧管上部的管路建成一段直管。通過GT-Power軟件計(jì)算，將仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行模型校準(zhǔn)[10]。通過比較，其仿真的進(jìn)氣管口噪聲與實(shí)驗(yàn)的進(jìn)氣管口噪聲的誤差均在4.7%以內(nèi)，結(jié)果如圖1所示。2階、4階、6階整階次噪聲與2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲誤差不大且趨勢(shì)基本相同，因此該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型可以用于該進(jìn)氣系統(tǒng)仿真[11]。

圖1 進(jìn)氣管口噪聲對(duì)標(biāo)

2.2 進(jìn)氣歧管方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

進(jìn)氣歧管GEM 3D模型如圖2所示，歧管長度從左到右依次為I1、I2、I3、I4，原進(jìn)氣歧管的歧管長度I1、I2、I3、I4均為360 mm，為等長進(jìn)氣歧管。

圖2 原進(jìn)氣歧管GEM 3D模型

根據(jù)式(2)～式(5)的推導(dǎo)和結(jié)論，即半階噪聲受間隔發(fā)火缸的歧管長度影響，主階次噪聲受相鄰發(fā)火兩缸歧管長度相互關(guān)系影響，且不考慮各歧管差值超過原歧管長度的情況，因此設(shè)計(jì)了5個(gè)方案，其中方案一為原方案，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)方案參數(shù)

經(jīng)過GT-Power軟件仿真得到5個(gè)方案的2階、4階、6階噪聲對(duì)比，如圖3所示，5個(gè)方案的2.5階、3.5階、4.5階、5.5階噪聲仿真對(duì)比，如圖4所示。

通過改變等長歧管的長度來研究不同長度的等長歧管對(duì)階次噪聲的影響，設(shè)計(jì)了方案六、方案七，方案一為原方案，具體參數(shù)如表2所示。

表2 等長進(jìn)氣歧管對(duì)比方案參數(shù)

圖3 不同設(shè)計(jì)方案整階次噪聲仿真對(duì)比

經(jīng)過仿真計(jì)算，3個(gè)等長進(jìn)氣歧管方案的OA、2階、4階、6階噪聲對(duì)比如圖5所示。

2.3 進(jìn)氣歧管仿真結(jié)果分析

通過對(duì)比圖3(a)～圖3(c)發(fā)現(xiàn),隨著歧管長度的改變，進(jìn)氣噪聲的2階、4階、6階有變化，但最大噪聲值基本相同；對(duì)比圖4(a)～圖4(d)發(fā)現(xiàn)，隨著歧管長度的改變，進(jìn)氣噪聲2.5階、3.5階、4.5階、5.5階整體提高，且隨著間隔發(fā)火缸的歧管長度相差越大，2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲提高越大，最高能達(dá)20 dB(A)。

圖4 不同設(shè)計(jì)方案半階次噪聲仿真對(duì)比

圖5 等長歧管設(shè)計(jì)方案整階次噪聲仿真對(duì)比

通過對(duì)比圖5(a)～圖5(d)可知,等長歧管當(dāng)各管長度同時(shí)改變時(shí)，噪聲峰值對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了改變，說明通過改變等長進(jìn)氣歧管的長度可以增加或者減小某些特定頻率的噪聲，因此在實(shí)際工程中可以調(diào)整進(jìn)氣歧管的長度來減少一些不必要的頻率。

3 新進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)

由上述得出的結(jié)論即間隔發(fā)火缸歧管長度相差越大，半階次噪聲提高越明顯，又由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間限制，最終設(shè)計(jì)成了如圖6所示的不等長歧管的形式。新設(shè)計(jì)的歧管的參數(shù)如表3所示。

圖6 新進(jìn)氣歧管GEM 3D模型

表3 新進(jìn)氣歧管參數(shù)

3.1 新進(jìn)氣歧管仿真結(jié)果

新進(jìn)氣歧管方案的2階、4階、6階仿真結(jié)果與原進(jìn)氣歧管仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 進(jìn)氣歧管整階次噪聲仿真對(duì)比

新進(jìn)氣歧管方案的2.5階、3.5階、4.5階、5.5階與原進(jìn)氣歧管仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 進(jìn)氣歧管半階次噪聲仿真對(duì)比

3.2 新進(jìn)氣歧管仿真結(jié)果分析

對(duì)比圖7的仿真結(jié)果，新進(jìn)氣歧管方案與原進(jìn)氣歧管方案相比，2階、4階、6階噪聲最大值基本相同，但是峰值對(duì)應(yīng)的頻率不同；對(duì)比圖8的仿真結(jié)果，新進(jìn)氣歧管方案與原進(jìn)氣歧管方案相比，2.5階、3.5階、4.5階、5.5階噪聲值均整體提高，最高增加了20 dB(A)，因此該新進(jìn)氣歧管顯著提高了半階次噪聲，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 新進(jìn)氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合性能仿真

將新進(jìn)氣歧管替換原機(jī)的進(jìn)氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)在GT-Power軟件中耦合進(jìn)行扭矩、功率性能仿真，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率是否發(fā)生了變化。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管方案的扭矩、功率與原進(jìn)氣歧管方案相比基本沒有改變。因此可以得出以下結(jié)論，僅僅改變進(jìn)氣歧管的長度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率基本沒有影響。

圖9 扭矩對(duì)比

圖10 功率對(duì)比

5 進(jìn)氣歧管聲學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

將新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管與原進(jìn)氣歧管在整車半消試驗(yàn)室進(jìn)行噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試設(shè)備采用LMS SCADAS Mobile 40通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及麥克風(fēng)等，圖11為進(jìn)氣口噪聲測(cè)試麥克風(fēng)布置位置。新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管方案與原進(jìn)氣歧管方案的整階次噪聲對(duì)比如圖12所示，半階次噪聲對(duì)比如圖13所示。

圖11 進(jìn)氣口噪聲測(cè)試

圖12 整階次噪聲試驗(yàn)對(duì)比

圖13 半階次噪聲試驗(yàn)對(duì)比

通過圖12、圖13新進(jìn)氣歧管方案與原進(jìn)氣歧管方案整階次、半階次的噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2階、4階、6階的峰值基本相同，只是峰值對(duì)應(yīng)的頻率有差異；2.5階、3.5階、4.5階、5.5階均整體提高，最高提高20 dB(A)，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

(1)適當(dāng)改變進(jìn)氣歧管的歧管長度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率基本無影響。

(2)等長進(jìn)氣歧管的管長對(duì)不同頻率下的噪聲值有影響，可通過改變等長進(jìn)氣歧管的管長來針對(duì)實(shí)際需求增加或者減小某些特定頻率的噪聲。

(3)不等長進(jìn)氣歧管對(duì)半階次噪聲影響很大，能顯著整體提高2.5階、3.5階、4.5階、5.5階半階次噪聲，進(jìn)氣歧管間隔發(fā)火缸的歧管長度相差越大，半階次噪聲整體提高越大。