旅居車9kW燃油駐車加熱系統的降噪措施

關鍵詞：旅居車；燃油；駐車加熱器；噪聲優化

0 前言

旅居車［1-2］簡稱房車，是一種裝備有睡具（可由桌椅轉換而來）及其他必要生活設施、用于旅行宿營的汽車。在行車狀態下，房車的取暖主要由底盤車自帶的暖風系統實現。而在駐車扎營時，房車長時間處于靜置狀態，如果繼續使用原車的暖風系統，發動機處于長時間怠速狀態，一方面發動機工作時振動噪聲較大，另一方面燃油耗更高。因此，房車上會配備獨立的駐車加熱系統，為房車在駐車狀態下供暖。

目前，國內房車產品多選用5 kW 燃油駐車加熱系統，但其存在取暖性能不足的弊端。為了解決5 kW 燃油駐車加熱系統取暖不足的問題，部分房車廠會采用9 kW 燃油駐車加熱系統。該系統可有效改善取暖性能，但由于其功率更高，工作時會產生較大的噪聲；因此，絕大多數房車廠只能在取暖性能和噪聲性能之間進行艱難抉擇。國內外在駐車加熱系統噪聲控制方面開展的研究極少，可以借鑒的經驗比較有限。因此，本文以房車9 kW燃油駐車加熱系統為例，綜合運用噪聲測試技術、消聲理論等，對9 kW 燃油駐車加熱系統進行降噪研究。

1 燃油駐車加熱系統構成與工作原理

按照燃料來源分類，駐車加熱器分為燃油駐車加熱器和燃氣駐車加熱器2 種。燃油駐車加熱器具有能耗低、熱效率高、結構可靠等優勢。因此，國內房車絕大多數采用燃油駐車加熱器。

1. 1 系統構成

房車燃油駐車加熱系統主要由燃油駐車加熱器、燃油泵、循環水泵、進氣消聲器、排氣消聲器等組成，如圖1 所示。

1. 2 工作原理

房車燃油駐車加熱系統的工作原理圖如圖2所示。當控制器接收到車內開關信號，燃油泵從汽車油箱泵油，油泵通過輸油管將油箱里的柴油泵入燃油駐車加熱器內部燃燒室，實現燃油供給。新鮮的空氣從進氣消聲器進入到燃油駐車加熱器內部，為燃料燃燒供給新鮮空氣；電熱塞通電加熱后溫度最高可達到300 ℃ ，當電熱塞溫度達到柴油燃點時，電熱塞將霧化的柴油點燃，柴油開始燃燒，燃燒生成的廢氣經排氣管通過排氣消聲器向外排出，形成氣路循環。循環水泵將發動機冷卻水箱的低溫冷卻液泵入燃油駐車加熱器內部，柴油燃燒產生的熱量加熱冷卻液，高溫的冷卻液流經水熱、暖風機，流回發動機冷卻水箱，實現冷卻液的水路循環。暖風機吸入冷空氣，經過暖風機內部換熱裝置，吹出熱空氣，從而實現對車輛的供暖。

2 燃油駐車加熱系統噪聲測試與分析

采用Simcenter Acoustic Testing 聲學試驗與分析軟硬件系統，對9 kW 燃油駐車加熱系統噪聲進行測試，系統測試誤差小于0.5 dB。

2. 1 噪聲測試

根據房車使用場景，測量燃油駐車加熱系統工作時，卡座區域噪聲表現。噪聲測量點布置如圖3所示，測量點A 垂直方向距座椅表面（0.70±0.05） m，水平方向在2 個座椅的中心面上［3］。

噪聲試驗條件見表1，要求環境溫度在-5 ℃左右，環境噪聲不得超過40 dB。使暖風機處于內循環模式，將暖風機檔位調到最低檔（即1 檔），在該工況下對9 kW 燃油駐車加熱系統工作時進行噪聲測量。單次測量時間不得少于10 s。

實際測量結果顯示9 kW 燃油駐車加熱系統測量點A 的噪聲為56.5 dB，而房車內部噪聲控制要求卡座區域噪聲≤55 dB［4］。由此可知，9 kW 燃油駐車加熱器噪聲超出噪聲要求1.5 dB，該噪聲會引起客戶潛在噪聲抱怨，因此需要對該噪聲進行優化。

2. 2 聲源識別

為了解決燃油駐車加熱系統噪聲大的問題，主要從聲源特性分析、聲源識別、優化方案及試驗驗證等方面展開研究。

9 kW 燃油駐車加熱系統工作時，測量點A 噪聲為56.5 dB，對應的噪聲云圖如圖4 所示，主要抱怨頻率如圖中方框所示，噪聲主要能量為170～250 Hz 聲能量。

由燃油駐車加熱系統工作原理可知，當燃油駐車加熱系統工作時，主要的聲源有進氣噪聲、排氣噪聲、循環水泵噪聲、燃油泵噪聲。在各個聲源近場附近布置傳感器，測量其近場噪聲，如圖5 所示。

各聲源近場噪聲測量結果見表2。由表2 可以看出：排氣噪聲聲壓級為75.0 dB，是燃油駐車加熱器的主要噪聲源，其中170～250 Hz 頻帶聲壓級達72.4 dB。，是產生抱怨的主要頻帶。

排氣噪聲測量點C 的噪聲云圖如圖6 所示，框選區域聲能量與圖4 中車內測量點A 的主要聲能量較吻合，由此可知，車內測量點A 在170～250 Hz頻帶內主要聲能量來源為燃油駐車加熱系統的排氣噪聲。

2. 3 駐車加熱系統排氣消聲器結構

結合燃油駐車加熱器的主要噪聲源識別，確定抱怨噪聲為噪聲主要能量為170～250 Hz 的聲能量，主要為燃油駐車加熱器燃燒后向外排氣產生的排氣噪聲。結合聲源的噪聲頻率特性，針對該噪聲能量較高的寬頻噪聲制定降噪方案。經燃油駐車加熱器燃燒后產生的廢氣從排氣口前端經排氣消聲器，從排氣口后端排到大氣中，排氣噪聲的傳遞路徑與氣流方向一致。燃油駐車加熱器的排氣消聲器結構如圖7 所示，其中：S0 為排氣管截面積，單位mm²；消聲器內部可近似為3 個串聯的消聲腔，按氣流方向分別命名為1 號消聲腔、2 號消聲腔和3 號消聲腔，S₁、S₂、S₃ 分別為1 號消聲腔、2 號消聲腔、3 號消聲腔的截面面積，單位mm²；b 為消聲器總長，單位mm。

通常將消聲器擴張室與原管道截面積之比稱為擴張比，3 個腔的擴張比分別為m₁、m₂、m₃，計算如式（1）～式（3）所示。原始方案中無吸聲材料，具體關鍵參數見表3。

3 噪聲優化方案及效果

根據消聲理論，結合圖7 和表3 中的關鍵參數，從以下4 個方面制定優化方案：① 優化加熱器排氣消聲器擴張比；② 優化加熱器排氣消聲器容積；③ 同時優化消聲器擴張比和消聲器容積；④ 加熱器排氣消聲器腔體填充吸聲材料。

3. 1 優化加熱器排氣消聲器擴張比

由消聲理論可知，增大消聲室的擴張比可有效提升消聲器的消聲能力。根據該理論制定方案1。考慮到設計成本和更改周期等因素，在不改變3 個消聲腔的截面積的前提下，優化排氣管截面積，將S0 從333.0 mm² 減小到254.3 mm²。由式（1）～ 式（3）可知，m₁、m₂、m₃ 分別從3.5、3.2、4.0增大到4.6、4.2、5.2。優化方案1 的優化效果見表4。由表4 可以看出：測量點C 噪聲從75.0 dB降低到71.1 dB，噪聲有效降低3.9 dB；測量點A噪聲從56.5 dB 降低到54.4 dB，噪聲有效降低2.1 dB，優化后測量點A 噪聲可以滿足卡座區域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 2 優化加熱器排氣消聲器容積

由消聲理論可知，增大消聲室容積可以有效調整消聲頻率進而降低噪聲。根據該理論制定方案2。在不改變排氣管截面積和3 個消聲腔的截面積的前提下，優化消聲器總長度，將b 從129 mm 增大到250 mm，消聲器容積從0.466 L 增大到0.903 L。優化方案2 的優化效果見表5，由表5 可以看出：測量點C 噪聲從75.0 dB 降低到68.0 dB，噪聲有效降低7.0 dB；測量點A 噪聲從56.5 dB 降低到52.6 dB，噪聲有效降低3.9 dB，優化后測量點A 噪聲可以滿足卡座區域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 3 擴張比和消聲器容積組合優化

為達到更優的降噪效果，優化方案3 在不改變3 個消聲腔截面積的前提下，同時優化消聲器擴張比和容積。將S0從333.0 mm²減小到254.3 mm²，將b 從129 mm 增大到250 mm，則m₁、m₂、m₃ 分別從3.5、3.2、4.0 增大到4.6、4.2、5.2，消聲器總容積從0.466 L 增大到0.903 L。優化方案3 的優化效果見表6。由表6 可以看出：測量點C 噪聲從75.0 dB 降低到64.8 dB，噪聲有效降低10.2 dB；測量點A 噪聲從56.5 dB 降低到51.0 dB，噪聲有效降低5.5 dB，優化后測量點A 噪聲可以滿足卡座區域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 4 消聲器腔體填充吸聲材料

由吸聲理論可知，在聲波傳播區域填充吸聲材料，可以在一定程度上降低輻射噪聲。根據該理論制定優化方案4，在3 個消聲腔體內填充吸聲材料。優化方案4 的優化效果見表7。由表7 可以看出：測量點C 噪聲從75.0 dB 降低到73.0 dB，噪聲降低2.0 dB；測量點A 噪聲從56.5 dB 降低到56.0 dB，噪聲降低0.5 dB，降噪效果不顯著。優化后測量點A噪聲可以滿足卡座區域噪聲要求（≤55 dB）。

4 結語

針對9 kW 燃油駐車加熱器開展降噪研究，提出了4 種噪聲優化方案，其中方案3 的降噪效果最優，即在不改變3 個消聲腔截面積的前提下，同時優化消聲器擴張比和容積。方案1、方案2 和方案3均能有效降低測量點A 噪聲，降噪后的噪聲滿足噪聲控制要求（≤55 dB）。

通過組合優化燃油駐車加熱器排氣消聲器的擴張比和容積，測量點C 的噪聲降低了10.2 dB，測量點A 的噪聲降低了5.5 dB，可以實現取暖性能和噪聲性能的平衡。

該研究為房車燃油駐車加熱系統的噪聲控制提供了一系列降噪方法。該研究的內容和方法可以打破目前房車燃油駐車加熱器在取暖性能和噪聲性能只能二者擇其一的尷尬處境。優化9 kW 燃油駐車加熱器后，可以在取暖性能和噪聲性能兩者之間得到最優解。