發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的仿真預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究

劉勇強(qiáng) 左承基 黎幸榮

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

噪聲是當(dāng)今世界重要的污染源之一,隨著汽車產(chǎn)量和保有量的不斷增加,車輛噪聲已成為城市里最主要的噪聲污染源。汽車噪聲是一個(gè)包含各種不同性質(zhì)噪聲的綜合噪聲,其中排氣噪聲對(duì)整車噪聲的貢獻(xiàn)較大。研究發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲乃至汽車整車噪聲都具有重要的意義。

目前研究發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲一般都是采用計(jì)算機(jī)模擬仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)難以解決的問(wèn)題,降低成本,縮短周期,為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合可以提高模型精度,提高模型預(yù)測(cè)的可信度。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣噪聲模擬仿真方面,GTPower軟件發(fā)揮著重要的作用[1-6]。

本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)純排氣噪聲是指隔離了背景噪聲(為表述方便,將單純的排氣噪聲之外的所有噪聲統(tǒng)稱為背景噪聲)后得到的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲,下文提到的排氣噪聲均指發(fā)動(dòng)機(jī)的純排氣噪聲。研究對(duì)象是某汽車公司生產(chǎn)的2.4L四缸四沖程汽油機(jī)。用GT-Power軟件建立該汽油機(jī)的整機(jī)模型,同時(shí)利用自行設(shè)計(jì)的圓柱形隔聲罩在普通實(shí)驗(yàn)室的條件下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲進(jìn)行測(cè)量,最后對(duì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析,獲得了較為理想的結(jié)果。

1 仿真模型建立

利用GT-Power軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模分析時(shí),首先需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析并收集相關(guān)數(shù)據(jù)和信息,將復(fù)雜的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)分解成若干個(gè)子系統(tǒng),在GT-Power中建立相應(yīng)的模型;在建立模型的同時(shí),將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息輸入到相應(yīng)的模塊中;最后利用初步建立的模型進(jìn)行模擬計(jì)算,求出模型的輸出結(jié)果,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)調(diào)整模型參數(shù),優(yōu)化模型設(shè)置,從而提高模型精度。軟件仿真流程如圖1所示。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)建模

用GT-Power軟件建立的整機(jī)模型主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)模型、排氣系統(tǒng)模型和燃燒模型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的復(fù)雜性,為了提高模型的精度,采用GT-Power中的子模塊Discretizer對(duì)空氣濾清器以外的進(jìn)氣系統(tǒng)和消聲器以外的排氣系統(tǒng)進(jìn)行建模,而空氣濾清器和消聲器則采用GT-Power中的另一個(gè)子模塊Muffler進(jìn)行建模。燃燒模型采用的是GT-Power中的非預(yù)測(cè)模型EngCylCombprofile。首先,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到缸壓數(shù)據(jù),利用 GT-Power中的 Eng-HeatRel模型計(jì)算出放熱率曲線,然后再將該放熱率曲線導(dǎo)入燃燒模型中,由此獲得的燃燒模型較為精確。另外,由于實(shí)驗(yàn)是將傳聲器放置于隔聲罩中進(jìn)行噪聲測(cè)量的,所以在模型中相應(yīng)地增加了一個(gè)麥克風(fēng)模型。

圖1 軟件仿真流程

1.2 模型標(biāo)定

發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立后,在進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)之前,必須通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的過(guò)程就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整模型參數(shù),優(yōu)化模型設(shè)置。本文試驗(yàn)工況為外特性工況,整機(jī)模型由進(jìn)氣系統(tǒng)模型、排氣系統(tǒng)模型和燃燒模型組成,故選取進(jìn)氣空氣流量、排氣背壓、功率、扭矩和燃油消耗率等外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從進(jìn)氣、排氣和燃燒三個(gè)方面對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定的最終結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出,仿真計(jì)算的進(jìn)氣空氣流量、排氣背壓、功率、扭矩和燃油消耗率的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過(guò)對(duì)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比計(jì)算可知,誤差都在5%以內(nèi),這說(shuō)明標(biāo)定后的模型具有足夠的精度,可以用于對(duì)排氣噪聲的預(yù)測(cè)。

2 排氣噪聲測(cè)量

筆得是在普通實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的測(cè)量實(shí)驗(yàn)的,為隔離背景噪聲,專門設(shè)計(jì)了一個(gè)圓柱形隔聲罩。

2.1 隔聲罩設(shè)計(jì)

隔聲罩一端封閉、一端敞開,排氣管插入的一端用隔聲材料和隔振材料封閉,以隔離發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體方向傳來(lái)的噪聲和振動(dòng),另一端敞開以保持排氣暢通。罩內(nèi)壁使用多孔松散材料,同時(shí)罩內(nèi)壁與設(shè)備之間留有較大的空間,以免發(fā)生耦合共振,隔聲罩結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)局部敞開型隔聲罩插入損失的計(jì)算方法[7],計(jì)算得到本文設(shè)計(jì)的隔聲罩的插入損失為11.2dB(A),通過(guò)隔聲罩隔聲效果評(píng)估實(shí)驗(yàn)得到的隔聲罩插入損失為11.1dB(A),則隔聲罩的插入損失大于10dB(A),說(shuō)明設(shè)計(jì)的隔聲罩滿足噪聲測(cè)量的要求[8],可以用于噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

圖2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸四沖程水冷式電噴汽油機(jī),具體參數(shù)見表1。噪聲測(cè)量及分析設(shè)備主要有HS6288B型噪聲頻譜分析儀、CW160電渦流測(cè)功機(jī)和計(jì)算機(jī)等。

圖3 隔聲罩結(jié)構(gòu)示意圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

測(cè)量方案如圖4所示,將傳聲器置于隔聲罩內(nèi),按GB/T4759-1995的要求,傳聲器的位置距離排氣口0.5m,與排氣口成45°夾角并指向排氣口,測(cè)點(diǎn)距地面高度為1.5m。為保證每次測(cè)量時(shí)傳聲器位置不變而在測(cè)量點(diǎn)處作了標(biāo)記,即圖4中的標(biāo)記位置。

圖4 測(cè)量方案示意圖

噪聲測(cè)量時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況均為外特性工況。測(cè)量時(shí),將發(fā)動(dòng)機(jī)油門開到最大,分別將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 5500r/min、4500r/min、3500r/min、2500r/min和1500r/min上對(duì)排氣噪聲進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù),其中5500r/min為額定功率轉(zhuǎn)速,3500r/min為最大扭矩轉(zhuǎn)速。噪聲測(cè)量過(guò)程如下:首先測(cè)量噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),然后再依次測(cè)量中心頻率分別為31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz 和8000Hz的倍頻程的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),每個(gè)倍頻程的測(cè)量定時(shí)均為1min,測(cè)量時(shí)汽油機(jī)處于穩(wěn)定熱狀態(tài)。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖5中,AP表示的是噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

圖5 排氣噪聲測(cè)量結(jié)果

3 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在相同工況下獲得的不同轉(zhuǎn)速下排氣噪聲倍頻程頻譜及A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。噪聲倍頻程頻譜的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致,只在很少幾個(gè)頻段上有較大的差別,而且基本上都集中在中心頻率為31.5Hz的頻帶內(nèi),該頻段的實(shí)驗(yàn)值明顯大于仿真計(jì)算值。在對(duì)隔聲罩隔聲效果的測(cè)試中發(fā)現(xiàn),隔聲罩在中心頻率為31.5Hz的頻帶內(nèi)的隔聲量很小,幾乎為零,沒(méi)有消聲效果(圖8),其原因是隔聲罩和聲波在該頻段部分產(chǎn)生了共振。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致,噪聲強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)一致。在噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,附近障礙物對(duì)聲波的反射及隔聲罩中由于氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的再生噪聲均對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響。GT-Power沒(méi)有考慮復(fù)雜的內(nèi)部三維聲場(chǎng)結(jié)構(gòu),其本身的計(jì)算精度存在一定的缺陷,這也是導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因之一。另外,由于GT-Power軟件本身的局限性,仿真模型只能計(jì)算到中心頻率為4000Hz的頻帶,對(duì)于中心頻率為8000Hz頻帶內(nèi)的噪聲則無(wú)法進(jìn)行計(jì)算,不過(guò)從本文的噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出(圖5),中心頻率為8000Hz頻帶內(nèi)的噪聲對(duì)整體噪聲強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。

通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們可以得出結(jié)論:本文基于GT-Power軟件所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型具有足夠的精度,可以用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

4 排氣噪聲規(guī)律分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),基頻噪聲頻率較低,此時(shí)氣流流速也較低,摩擦噪聲、紊流噪聲、噴注噪聲及沖擊噪聲等都較小,因此發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的排氣噪聲主要為基頻噪聲和氣柱共振噪聲,高頻噪聲的強(qiáng)度較小[9]。1500r/min和2500r/min這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的基頻分別為50Hz和83Hz,都在中心頻率為63Hz的頻段內(nèi),因而這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下噪聲峰值會(huì)出現(xiàn)在63Hz中心頻率處,如圖6所示。氣柱共振噪聲通常出現(xiàn)在1000Hz以下的頻段內(nèi)其頻率 fl只取決于排氣管長(zhǎng)度及排氣管中的聲速,即

圖6 不同轉(zhuǎn)速下排氣噪聲倍頻程頻譜仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖7 排氣噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖8 隔聲罩插入損失倍頻程頻譜

式中,l為氣柱長(zhǎng)度,m;c為排氣管中聲速,m/s。

實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣柱共振噪聲頻率 fl=16.9(2N-1)Hz。當(dāng) N=2時(shí),氣柱共振頻率為50.7Hz,與1500r/min的基頻產(chǎn)生共振,導(dǎo)致 1500r/min的噪聲峰值高于2500r/min的噪聲峰值。

從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,轉(zhuǎn)速為1500～2500r/min時(shí),排氣噪聲均較小,然后隨著轉(zhuǎn)速的上升噪聲明顯增大,125Hz以上頻率的中高頻噪聲在排氣噪聲中所占的比例明顯增大。因此,在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲控制時(shí),應(yīng)首先減小發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的排氣噪聲。

5 結(jié)論

(1)本文基于GT-Power軟件建立的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型在排氣噪聲預(yù)測(cè)方面具有足夠的精度,可以用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的排氣噪聲主要為基頻噪聲和氣柱共振噪聲,1500r/min和2500r/min這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的噪聲峰值出現(xiàn)在63Hz低頻段處,而且1500r/min時(shí)的噪聲峰值大于2500 r/min時(shí)的噪聲峰值。

(3)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲峰值向中高頻轉(zhuǎn)移,中高頻噪聲所占比例也加大,使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲強(qiáng)度增加。因此,在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲控制時(shí),應(yīng)首先減小發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的排氣噪聲。

[1]孫林.國(guó)內(nèi)外汽車噪聲法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展[J].汽車工程,2000,22(3):154-157.

[2]Bies D A,Hansen C H.Engineering Noise Control[M].2ed.London:Spon Press,1996.

[3]Davies P O A L.Piston Engine Intake and Exhaust System Design[J].Journal of Sound and Vibration,1996,190(4):677-712.

[4]宋艷冗,葛蘊(yùn)珊,張宏波.發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程和排氣消聲器耦合研究[J].汽車工程,2005,27(6):719-371.

[5]趙騫,徐林玉,郝志勇.汽油機(jī)噪聲源識(shí)別及噪聲控制研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2004,25(5):42-45.

[6]譚建偉,葛蘊(yùn)珊,畢曄,等.基于一維/三維模型耦合仿真的汽車進(jìn)氣諧振器設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2007,29(10):859-864.

[7]潘仲麟.噪聲控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[8]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T4759-1995內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[9]楊慶佛.內(nèi)燃機(jī)噪聲控制[M].太原:山西人民出版社,1985.