基于國六柴油發動機進氣系統噪聲的分析

王強，李旭林，李哲，趙文虎，楊軍鋒，張文虎

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著發動機排放技術的升級，國六發動機的普及成為汽車行業發展的必然趨勢。汽車保有量逐年增加，汽車噪聲給人們的工作和生活帶來很大的影響。人類如果長時間在比較強烈的噪聲下，會導致聽力減退和心情煩躁，刺激人的神經系統，干擾人的學習、工作、休息等。隨著人們環保意識的加強，對發動機噪聲的控制也日益重視。

經試驗發現，某款配置國六柴油發動機的牽引車在發動機怠速工況下存在較大的噪音，對此，在進氣系統中設計一種消聲器來控制噪聲。經過聲學有限元分析和實車驗證表明，增加消聲器后，聲音傳遞損失顯著增加，降噪效果顯著。

1 某款載貨汽車發動機異響分析

車輛在發動機怠速時出現異常噪聲，類似“嗡嗡嗡”敲鼓聲。經聽診器查找聲源，在空氣濾清器入口及腔體外圍發現明顯的噪聲異響。后用噪聲測試設備記錄噪聲數據，經濾波分析發現該噪聲頻率為130Hz。

為了滿足發動機熱管理和國六排放的需求，發動機在渦輪增壓器排氣端增加了ETV 節流閥。當發動機ETV 節流閥打開時，異響消失；當發動機ETV 閥關閉時，異響發生，體現在130Hz 頻率下存在較大的聲壓。此噪音是在發動機點火頻率32.5Hz 及其倍數頻率下產生，產生原因是由于ETV 節流閥頻繁的開閉使渦輪增壓器處氣流的壓力發生變化，產生氣流壓力脈動，當脈動頻率與進氣氣流頻率一致時，就會產生共振噪聲。對進氣系統進行分析，發現其氣流固有模態為130Hz，同時對噪聲進行試驗分析，也發現在130Hz 下，系統存在聲壓峰值。說明氣流脈動激勵的頻率與進氣氣流固有頻率相同，均為130Hz，所以產生氣流共振噪音。

2 進氣系統消聲器的設計

為消除共振噪音，解決國六柴油發動機異響問題，需要在空氣濾清器和渦輪增壓器之間的管路上增加一個擴張式消聲器。

擴張式消聲器（如圖1）是利用管道截面的突變，使部分沿管壁傳播的聲波反射回去，在聲波反射的過程中，入射聲波與反射聲波相互抵消從而達到消減噪聲的作用。

圖1 擴張式消聲器示意圖

進氣系統消聲器設計的第一個問題是消音容積。消音容積一般是指空氣濾清器和進氣消音器的容積之和。一般來說，消音容積越大越好。對擴張消音器來說，其容積越大，傳遞損失可以調節的頻帶也就越寬，傳遞損失也可能增加；其次，擴張式消聲器的傳遞損失也取決于擴張比（擴張腔的截面積與管道截面積之比），擴張比增加，傳遞損失就隨之增加。

空氣濾清器本身就是一種擴張式消聲器，但在降噪效果上能力有限，故需要在空氣濾清器與增壓器之間串聯一個擴張式消聲器，增加消音容積，使聲音傳遞損失增大，從而達到降噪的效果。

結合整車的安裝布置空間和發動機的NVH 性能要求，經分析，設計一個擴張式消聲器，消音容積為40L，安裝在空氣濾清器與渦輪增壓器之間的管路上，如圖2 所示。

圖2 擴張式消聲器安裝圖

3 進氣系統聲學有限元分析

為了模擬增加擴張式消聲器后進氣系統的消聲效果特性，對包含擴張式消聲器、空氣濾清器、進氣管路等部件的進氣系統進行了聲學有限元分析。圖3 為安裝擴張式消聲器進氣系統有限元模型。

圖3 進氣系統有限元模型

采用聲學專業分析軟件計算進氣系統的壓力分布情況。仿真時在空氣濾清器進氣口設為無反射邊界，增壓器進氣管出口截面加載1W 的聲功率，求得進氣系統的聲音傳遞損失曲線如圖4 所示，聲壓分布如圖5 所示。

圖4 聲音傳遞損失曲線

圖5 130Hz 時聲壓分布

從圖5 可以看出，安裝擴張式消聲器的進氣系統在頻率為130Hz 時，聲音傳遞損失增加了17.72dB，傳遞損失增加的頻帶較寬，滿足設計要求。

4 試驗驗證

在理論分析的基礎上，制作了擴張式消聲器樣件，并在實車上做驗證試驗。測試時，整車定置怠速運轉，發動機ETV節流閥完全關閉。傳聲器置于離發動機進氣口1m，離地高度1.2m 處位置，并垂直指向汽車側面，測試發動機整體噪聲和130Hz 下的噪聲，測試結果如表1。

表1 試驗測試結果

從表1 可以得出，安裝擴張式消聲器后，可降低發動機總成1 米噪音3.5dB，降低130Hz 噪音20.6dB，可有效解決國六柴油發動機異響問題。

5 結論

對于國六柴油發動機因增加ETV 節流閥引起的異響問題，在進氣系統中增加擴張式消音器，經過理論分析及實車驗證，降噪效果顯著，滿足了設計要求，提高了整車的NVH性能。