擾流網對汽油機轎車節氣門嘯叫優化的試驗分析

吳喜慶 崔振偉 王亞飛 徐猛 李基芳 何偉舉 付宇

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

隨著中國汽車市場的不斷發展，汽車日益普及，人們對汽車NVH性能上的要求也發生了變化，尤其對整車噪聲方面越來越重視。節氣門嘯叫作為比較有代表性的汽車加速噪聲，近年來受到了越來越多整車廠和用戶的關注。但該噪聲發生的機理較為復雜，涉及的零部件和系統較多，所以成為整車NVH開發中的難點之一[1]。文章基于某型汽油機轎車出現的節氣門嘯叫問題，通過增加擾流網的方式對其進行優化改善，并通過整車節氣門嘯叫噪聲試驗和發動機性能試驗進行評價驗證。

1 節氣門嘯叫產生的機理

在汽車怠速或低速行駛時，當駕駛員快速踩下油門踏板，ECU將此信號反饋到節氣門體上，節氣門體通過電機快速打開閥片，此時由于閥片兩側的氣壓差大，造成氣流快速通過節氣門體而進入進氣歧管。

圖1示出節氣門嘯叫示意圖。從圖1可以看出，當節氣門體閥片快速旋轉打開時，從閥片上側通過的氣流斜向下流動，如虛線所示，從閥片下側通過的氣流斜向上向中間流動。當這兩股氣流發生撞擊，造成進氣湍流的加大，并生成高頻率的壓力波動，產生噪聲并向外輻射，這就是節氣門嘯叫產生的機理。

圖1 節氣門嘯叫示意圖

文章研究的轎車搭載一款1.5 L的四缸汽油機，該汽油機采用塑料進氣歧管。由于塑料密度小，隔聲和吸聲能力差，其內部產生的節氣門嘯叫會更加明顯而更容易被人感知，而且該車的節氣門嘯叫發生在發動機噪聲之前，人為能夠明顯分辨出來，其余工況下基本感知不到。這主要是因為節氣門嘯叫的噪聲與氣流湍動能和氣流密度的乘積成正比[2]。根據節氣門角度與嘯叫噪聲的關系，在發動機低轉速時，節氣門開度小，氣流密度低，因此嘯叫不明顯；而在發動機轉速高時，節氣門閥片開度很大，一般在60°以上。由于進氣歧管內的真空度降低，氣流湍動能很小，所以嘯叫也不明顯。節氣門嘯叫屬于氣流碰撞產生的一種物理現象，無法消除，只能采取相關措施進行改善，使得該噪聲遠離人耳的聲音敏感區域。同時，還要保證發動機性能不能有較大程度的損失。

2 擾流網方案設計與確定

由于該車型進氣歧管為量產件，同時綜合考慮成本和開發周期等各方面因素，確定采用增加抗性消聲器的方式來降低節氣門嘯叫噪聲。即通過改變進氣管道的截面積來使得氣流聲阻抗發生變化，聲阻抗的計算公式如下：

式中：Z——聲阻抗，Pa·s/m3；

p——聲壓，Pa；

S——截面積，m2；

u——氣流速度，m/s。

從式中可知，當減小進氣管道的截面積，氣流的聲阻抗會增加，從而降低進氣噪聲。因此，確定了在節氣門體與進氣歧管之間的密封圈上增加擾流網的結構方案，該擾流網裝配后的位置在圖1中的上側。在節氣門體閥片旋轉打開后，閥片上側的氣流通過擾流網后由于擾流網的阻力使得氣流動能降低，并且也能夠對氣流產生一定的導流作用，使得大部分氣流通過擾流網后水平流動，避免了與下側氣流的撞擊，因此不易產生過強的湍流，進而減少了由此帶來的嘯叫噪聲。同時，為了盡量降低進氣阻力，減少進氣系統的功率損失，則只在圖1中上側布置了擾流網。

通過利用STAR-CCM+模擬分析軟件對不同網格密度的擾流網方案進行了對比分析，確定了如圖2所示的設計方案。

圖2 擾流網結構示意圖

3 試驗驗證與評價

為了充分驗證該擾流網方案對整車性能的影響程度，分別進行了整車節氣門嘯叫噪聲試驗以及發動機性能試驗，并與原車狀態進行了對比分析。

3.1 整車節氣門嘯叫噪聲試驗

為了更好地對節氣門嘯叫噪聲進行數據采集，在整車的發動機節氣門體前側10 cm處和車內駕駛員右耳處分別安裝了麥克風，如圖3所示。并使用比利時LMS公司的310數據采集系統進行數據采集，采集的數據通過LMS TEST.Lab 12A軟件的Signature Advanced模塊進行分析處理。

圖3 實車節氣門嘯叫噪聲測試圖

試驗工況：汽車定置急踩油門，路面選用普通柏油路面，為了盡量減少人為因素的干擾，試驗過程中駕駛員為同一個人。

表1示出汽車定置工況下聲壓級和響度對比。從表1中可以看出，增加擾流網后，在節氣門附近和駕駛員右耳附近的聲壓級和響度均有較大程度改善。其中聲壓級降低了約3 dB（A）以上，響度降低了2 sone和0.2sone，即聲音變得更小更弱。同時，清晰度和尖銳度也有一定的改善。這也與現場試驗人員主觀評價相一致。

表1 汽車定置工況聲學參數對比

圖4和圖5分別示出汽車定置工況下駕駛員右耳和節氣門噪聲頻圖對比，由此可知，在1 500～23 000 Hz范圍內的噪聲幅值均有所下降，這也是聲壓級和響度降低的主要原因。

圖4 駕駛員右耳噪聲頻譜圖對比

圖5 節氣門噪聲頻譜圖對比

圖6和圖7分別示出駕駛室和發動機的嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖。從圖6和圖7中可以看出，節氣門嘯叫噪聲在時域上要發生在發動機燃燒噪聲之前，提前約0.3 s左右。在頻域上節氣門嘯叫覆蓋的頻率范圍要更寬。同時，在噪聲頻率上，加擾流網后的節氣門嘯叫噪聲頻率變得更低。這主要是由于擾流網使得進氣管道的橫截面積變小，氣流的阻抗變大，由此導致氣流波動變小，頻率降低[3]。另外，增加擾流網后節氣門嘯叫噪聲的強度要低于原車，這在圖7中能夠更明顯的表示出來。

圖6 駕駛室嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖對比

圖7 發動機艙嘯叫噪聲頻譜ColorMap圖對比

3.2 發動機性能試驗

由于在進氣歧管進氣口增加了擾流網，由此使得氣流流通的阻力增加，造成進氣系統的能量損失。如果該能量損失過大，那么發動機的功率和扭矩就會大幅度下降[3]。通過計算可知，擾流網遮擋的進氣口面積約占了進氣口總面積的10%左右。從圖8中也可以看到進氣阻力在整個發動機轉速范圍內都有了一定的增加，但增加的幅度很小，平均增加約為0.2 kPa。

圖8 某轎車發動機進氣阻力對比

圖9示出發動機全負荷工況下的功率和扭矩曲線。從圖9可以看出，增加擾流網前后發動機的功率基本沒變化，扭矩在個別工況點略有下降，但降低幅度也在1%以內。由此可見該擾流網方案能夠滿足發動機在動力性上的要求。

圖9 某轎車發動機功率和扭矩對比

基于以上試驗的驗證可知，該擾流網方案能夠有效降低節氣門嘯叫噪聲，而且對整車性能影響較小。綜合考慮整車NVH主客觀評價，后續可以在此基礎上通過加強整車車身密封性和增加前圍板隔聲墊等措施，進一步提高整車加速噪聲品質[4]。

4 結論

基于某型轎車在汽車定置急踩油門工況中出現的節氣門嘯叫問題進行了增加擾流網的方案設計。針對此設計方案進行了節氣門嘯叫的整車評價，通過數據對比分析可知該方案能夠有效降低整個噪聲頻域范圍內的幅值，使得節氣門嘯叫的聲壓級降低3 dB（A）以上。同時，通過發動機性能試驗對比分析得知，發動機在全負荷工況下的動力性損失很小，能夠滿足整車對動力性的需求。綜合考慮整車NVH主客觀評價，可以在此基礎上通過加強整車車身密封性和增加前圍板隔聲墊等措施，進一步提高整車加速噪聲品質。