寬頻消聲器在增壓發(fā)動機進氣噪聲控制中應用

劉　濤，李志遠，劉淑軍，王應紅

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

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寬頻消聲器在增壓發(fā)動機進氣噪聲控制中應用

劉濤，李志遠，劉淑軍，王應紅

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

摘要：文章闡述增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)的消聲原理，并通過增壓發(fā)動機進氣噪聲調(diào)音設計的具體案例說明不同消聲器的設計及應用的基本方法。首先，利用仿真分析方法計算消聲器的傳遞損失理論值；然后，在測試臺架上對樣件測試，通過聲壓級差來進行聲學結構調(diào)整和優(yōu)化；最后在實車上驗證消聲器在整車應用上的效果。實驗表明，在進氣系統(tǒng)設計1/4波長管可有效的消除渦輪增壓器的氣流嘯叫噪聲；多孔寬頻消聲器可有效地控制渦輪增壓器的泄壓或氣流噪聲。

關鍵詞：聲學；增壓發(fā)動機；進氣系統(tǒng)；增壓器；1/4波長管；寬頻消聲器

增壓器的應用使發(fā)動機在動力性、經(jīng)濟性以及排放等性能得到極大的提升，但由于增壓器的控制、運轉比較復雜，在運轉中常伴有復雜的氣流運動，會帶來較大的氣流噪聲問題。目前乘用汽車較多地采用廢氣渦輪增壓的進氣增壓形式，其增壓器轉速范圍大，可高達十幾萬轉/分，轉子及旋轉葉輪的高速運轉會帶來增壓器同步噪聲、次同步噪聲以及氣流噪聲等[1]。其中氣流噪聲又主要表現(xiàn)為壓氣機進氣噪聲、壓氣機高壓氣體出口噪聲，增壓器旁通閥（泄壓閥）噪聲等。本文側重于增壓器產(chǎn)生的氣流噪聲，在介紹增壓器氣流噪聲產(chǎn)生的機理和增壓器自身噪聲控制措施的基礎上，引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)的消聲特性概念，進而闡述發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學設計在增壓發(fā)動機噪聲控制中的應用方法。

增壓器進氣旁通閥噪聲產(chǎn)生于泄壓通道內(nèi)的更高速的氣體流動，與增壓器進氣和出氣噪聲本質(zhì)上都是氣流噪聲，但其發(fā)生于節(jié)氣門關閉后，發(fā)動機整體噪聲水平降低，使得它尤為突出，是目前較難解決的噪聲問題。

常見的增壓器進氣旁通閥有機械式和電子旁通閥兩種：機械式旁通閥也有不同的種類，Honeywell 和Borgwarner兩個公司增壓器上采用的進氣旁通閥結構基本相同，都是通過車輛制動時，節(jié)氣門前負壓和旁通閥后面高壓氣體增壓一起推動旁通閥打開，屬于被動控制；電子旁通閥是主動控制，車輛制動的同時通過電控單元打開旁通閥，并可以配合節(jié)氣門延遲關閉，以最大限度降低壓后壓力水平，保護增壓器避免喘振的同時，最大限度降低旁通閥處產(chǎn)生的氣流噪聲。

采用機械式或電子控制進氣旁通閥設計方式，氣流噪聲的產(chǎn)生無法避免，但可以通過進排氣流道的聲學設計改善及優(yōu)化，如IHI石川島增壓器在大眾EA888發(fā)動機的應用中（見圖1），壓氣機進氣和出氣流道增加諧振腔設計，可以改善部分氣流噪聲性能。改善進氣旁通閥噪聲還可以采用旁通閥外置的設計方式，就是進氣旁通閥不集成在增壓器，而是安裝在發(fā)動機或整車其他位置，細長的連接管路提供了較大的噪聲衰減，因而不易被感知，不利之處是增加額外的工程工作量成本。

圖1　IHI增壓器進氣道諧振腔設計

增壓器自身的結構設計受限于空間等限制，無法完全消除或使氣流噪聲降到足夠低；因此，還需要在增壓器進排氣管路上考慮額外的消聲措施，即整車的發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學設計優(yōu)化。實際上，在綜合衡量增壓器和發(fā)動機進氣系統(tǒng)設計后，不少的整車設計是通過發(fā)動機進氣系統(tǒng)的設計優(yōu)化來進行的，如通用汽車等。增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)，特別是以空濾器為主的低壓側進氣管路，是增壓器氣流噪聲傳播的重要渠道，管路噪聲傳遞損失是衡量其聲學設計的重要參數(shù)，寬頻消聲器、諧振器、波長管等管路消聲元件設計可有效地提升傳遞損失性能，進而改善增壓器氣流噪聲在整車上的表現(xiàn)。

1　進氣系統(tǒng)消聲器基本原理

增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)（如圖2），一般來說，包括以空濾器為主的低壓管路、增壓器、高壓管路、中冷器等零件，其中對于整車上增壓器氣流噪聲有顯著的影響，主要是低壓管路和增壓器至中冷器的高壓管路部分。低壓側管路部分與非增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)類似，其系統(tǒng)聲學設計方法也是相同的[5]；高壓側管路內(nèi)氣流速度大、壓力和溫度也高，為避免額外氣流阻力的產(chǎn)生，一般采用諧振腔式的抗性消聲器設計[6]。

增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)聲學設計，概括來說，一般工程開發(fā)中采用以下消聲元件設計或其集成組合式設計：

（1）Helmholz諧振腔；

（2）1/4、1/2波長管；

圖2　增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)示意圖

（3）膨脹腔（如空濾）；

（4）寬頻消聲器（多個諧振腔或與穿孔管配合設計）；

（5）吸聲材料的應用（多孔吸聲管壁、空濾內(nèi)填充吸聲材料等）[7]；

（6）編織管的應用[10]。

限于篇幅，僅就工程開發(fā)案例應用的1/4波長管和穿孔管寬頻消聲器作介紹。

1.1 1/4波長管傳遞損失特性

1/4波長管是主管道上的一個封閉的管子，屬于旁支消聲器，如圖3所示。從消聲原理來講，1/4波長管屬于抗性消聲器。工程應用中，1/4波長管的使用受到空間限制，長度較短，一般用于消除頻率較高的噪聲。

圖3　1/4波長管原理圖

1/4波長管的共振頻率為

由式（1）可知，影響波長管消聲頻率的參數(shù)只有長度。

1.2多孔寬頻消聲器傳遞損失特性

多孔寬頻消聲器為穿孔板與空腔的結合，小孔分布比較均勻，穿孔板有一定的厚度，穿孔板連同板后的空腔，就形成許多形同連著的諧振腔，如圖4所示。小孔相當于聲質(zhì)量，穿孔板后的空間被孔數(shù)平分成許多小空間，每個小孔占著其中一個小空間形成等效聲容，所以多孔寬頻消聲器的消聲頻率與單個諧振腔的消聲頻率相當[4]。

多孔消聲器的頻率計算公式為式（2）中，σ為穿孔板的穿孔率，l為穿孔板的有效厚度（在實際板厚l0的基礎上進行修正），D為空腔深度。影響消聲頻率的主要參數(shù)為穿孔率、穿孔板的有效厚度、及空腔深度。

圖4　多孔寬頻消聲器原理圖

2　進氣系統(tǒng)的消聲器設計

2.1 1/4波長管設計控制增壓器嘯叫

某一裝備渦輪增壓器發(fā)動機車型，在低檔位加速發(fā)動機轉速在1 500 r/min～2 000 r/min時增壓器有持續(xù)的‘嗚嗚’聲。噪聲產(chǎn)生機理為增壓器進氣旁通閥有一定的泄漏量，車輛在加速時氣流沖擊閥門產(chǎn)生的氣流嘯叫噪聲。由于進氣旁通閥直接與進氣系統(tǒng)相連，進氣口為噪聲主要的傳遞路徑。

進氣口處的增壓器氣流嘯叫聲色譜圖如圖5所示，氣流嘯叫聲表現(xiàn)為中心頻率為800 Hz的窄頻帶噪聲。進氣口處與駕駛員右耳處的氣流嘯叫噪聲頻譜變換后曲線如圖6所示，駕駛員右耳處與進氣口處噪聲特征一致。

圖5　進氣口處增壓器氣流嘯叫聲色譜圖

由公式（1）可計算出消聲中心頻率為800 Hz的1/4波長管長度為106 mm。受布置空間的限制，波長管直徑設計為26 mm，波長管布置主管路直徑為80 mm，由以上參數(shù)可計算出傳遞損失理論曲線，如圖7所示。

由于波長管的實際消聲頻率與理論消聲頻率存在誤差，波長管的長度需要進行調(diào)整。根據(jù)長度理論計算值為基礎來制作1/4波長管的快速樣件，然后利用測量聲壓級差的方法來對波長管的長度進行校準。有無1/4波長管方案進氣系統(tǒng)的聲壓級差對比曲線如8所示（其中由于測試臺架精度問題，共振頻率附近存在低谷），可以看出1/4波長管的有效消聲頻率范圍為700 Hz～850 Hz，滿足設計要求。

圖6　進氣口及駕駛員右耳處增壓器氣流嘯叫頻譜圖

圖7　1/4波長管傳遞損失理論計算曲線

圖8　有無1/4波長管聲壓級差測量曲線對比

2.2多孔寬頻消聲器設計控制增壓器泄壓噪聲

增壓器的泄壓噪聲是車輛在加速過程中快速松油門瞬間，由于節(jié)氣門關閉，增壓器至節(jié)氣門段形成高壓腔體。此時發(fā)動機控制系統(tǒng)為防止增壓器喘振，打開進氣旁通閥門進行泄壓保護。高壓氣體沖擊進氣旁通閥門瞬間產(chǎn)生氣流泄壓噪聲，噪聲主要由進氣口傳遞至空氣中。

泄壓瞬間進氣口處的泄壓氣流噪聲色譜圖如圖9所示，由圖中看出進氣口處噪聲能量主要集中在600 Hz～1 400 Hz頻段（圖10中泄壓噪聲的頻譜曲線更為明顯），所以在進氣系統(tǒng)上設計對應頻段的消聲器控制噪聲。

圖9　原狀態(tài)進氣系統(tǒng)進氣口泄壓噪聲色譜圖

圖10　原狀態(tài)進氣系統(tǒng)進氣口泄壓噪聲頻譜圖

由于泄壓氣流噪聲頻段范圍較寬，在進氣系統(tǒng)上設計四個多孔寬頻消聲器，消聲中心頻率分別為650 Hz、850 Hz、1 050 Hz、1 300 Hz。多孔寬頻消聲器的小孔直徑為6 mm～8 mm，在仿真軟件中調(diào)整穿孔率及消聲器容積。最終，四個多孔寬頻消聲器傳遞損失仿真曲線如圖11所示。

圖11　多孔寬頻消聲器傳遞損失仿真曲線

以仿真計算出的消聲器結構參數(shù)為輸入制作快速樣件，測試其聲壓級差進行校準和驗證。圖12為進氣系統(tǒng)設計多孔寬頻消聲器前后的聲壓級差對比曲線。從圖中可以看出，增加設計多孔寬頻消聲器后進氣系統(tǒng)600 Hz～1 400 Hz頻段內(nèi)的聲壓級差有了顯著提升，且對應峰值頻率與仿真計算結果基本一致，滿足設計要求。

3　實車驗證

將1/4波長管及多孔寬頻消聲優(yōu)化方案同時裝備實車進行驗證。對比進氣口處的增壓器氣流嘯叫聲數(shù)據(jù)，如圖13所示。由圖中可以看出，進氣系統(tǒng)設計1/4波長管后，進氣口處的800 Hz頻帶附近的噪聲已基本消除。

圖12　多孔寬頻消聲器設計前后進氣系統(tǒng)聲壓級差對比

圖13　1/4波長管設計前后進氣口處氣流嘯叫噪聲對比

對比進氣口處增壓器的泄壓氣流噪聲數(shù)據(jù)，如圖14所示。進氣系統(tǒng)設計多孔寬頻消聲器后，進氣口處的泄壓氣流噪聲在600 Hz～1 400 Hz頻段已無明顯的能量集中。

圖14　多孔寬頻消聲器設計前后進氣口泄壓噪聲對比

圖15為消聲器優(yōu)化設計前后增壓器氣流噪聲駕駛員的主觀評分表（主觀評分為10分制，7分及以上為可接受水平）。其中，增壓器的氣流嘯叫聲已基本聽不到（主觀評分8分），泄壓氣流噪聲主觀評分有明顯改善（主觀評分7分），增壓器氣流噪聲綜合評分處于可接受水平（主觀評分7.5分）。由此可得出結論，進氣系統(tǒng)的消聲器設計對增壓器的氣流噪聲可進行有效的控制。

圖15　增壓器噪聲主觀評分

4結　語

渦輪增壓器的氣流噪聲，尤其是氣流泄壓聲是近年來比較凸顯的噪聲問題。在進氣系統(tǒng)上設計寬頻消聲器是控制增壓器氣流噪聲的有效手段。本文僅闡述了在進氣系統(tǒng)低壓側設計消聲器的方法及案例，在增壓器后高壓段進氣系統(tǒng)設計消聲器同樣也可顯著降低增壓器噪聲。另外，針對增壓器壓氣機進、出氣流道增加諧振腔設計以及泄壓旁通閥外置也是改善增壓器氣流噪聲的有效方法。

參考文獻：

[1]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[2]蔣德明.高等車用內(nèi)燃機原理[M].西安：西安交通大學出版社，2006.1.

[3]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.6.

[4]何琳，朱海潮，邱小軍，等.聲學理論與工程應用[M].北京：科學出版社，2006.5.

[5]劉麗媛，季振林.渦輪增壓發(fā)動機進氣消聲器設計與聲學性能數(shù)值分析[J].振動與沖擊，2011，30（10）：193-196.

[6]劉聯(lián)鋆，郝志勇，錢欣怡，等.渦輪增壓器出口消聲器的性能預測和評估[J].哈爾濱工程大學學報，2013，34（2）：197-201.

[7]蒲大宇，左正興，馮慧華，等.空氣濾清器內(nèi)吸聲材料位置研究[J].振動與沖擊，2009，28（2）：178-180.

[8]袁正，陳劍.采用試驗設計方法的消聲器優(yōu)化設計[J].噪聲與振動控制，2013，33(6)：172-176.

[9]石巖，張劍平，劉鵬.汽車進氣系統(tǒng)噪聲仿真分析及優(yōu)化[J].噪聲與振動控制，2012，32(3)：129-132.

[10]SenjiKitahara,HideoTakao,TakeoHashimoto. Improvement of car interior noise by utilizing a porous intake duct:treatment effort on an intake system[J].SAE, 2005-01-2363.

[11]Jochen Sang and Massimo Venturi.NVH-challenges of air supply subsystems for automotive fuel cell applications [J].SAE,2008-01-0316.

[12]Z Tao and A F Seybert.A review of current techniques for measuring muffler transmission loss[J].SAE,2003-01.

中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.040

文章編號：1006-1355(2016)01-0187-05

收稿日期：2015-06-30

作者簡介：劉濤（1972-），男，山東省泰安市人，博士，高級工程師，主要研究方向：整車及動力總成振動噪聲控制。E-mail:liutao01@saicmotor.com

Applications of Broad-band Resonator to Intake System Noise Control of Turbocharged Engines

LIUTao,LI Zhi-yuan,LIU Shu-jun,WANG Ying-hong

(SAIC Motor Corporation Ltd.,Technology Center,Shanghai 201804,China)

Abstract:Noise attenuation mechanism of turbo engine’s intake system was discussed.Design and application methods of different broad-band resonators with acoustic tuner-1/4 tube were introduced through the intake system tuning design of the turbocharged engines.First of all,the computer simulation was done to obtain the intake system’s transmission loss(TL).Then,rig test of the intake ducts was done,and the acoustic structure of the intake system was adjusted and optimized through the difference of the sound pressure level.Results of an actual vehicle validation test show that the broadband resonator and 1/4 tubes can effectively reduce the turbo-charger’s air-flow noise.

Key words:acoustics;turbo engine;intake system;turbo charger;1/4 tube;broad-band resonator