發動機進氣消聲的研究現狀及趨勢分析

杜丹豐，李 亮，劉紅玉，于 淼

(東北林業大學 交通工程學院， 哈爾濱 150040)

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發動機進氣消聲的研究現狀及趨勢分析

杜丹豐，李 亮，劉紅玉，于 淼

(東北林業大學 交通工程學院， 哈爾濱 150040)

發動機的進氣噪聲是汽車噪聲重要組成部分，國家對汽車噪聲的排放標準愈發嚴格，因此發動機進氣消聲的研究對汽車行業的發展有著重要的影響。首先介紹了汽車發動機進氣系統結構和進氣噪聲的產生機理，詳細地闡述了阻性消聲器和抗性消聲器對噪聲的控制方法和原理及其具體結構，然后綜合國內外進氣消聲器的研究現狀對各類型消聲器消聲特點進行總結。分析結果表明：在保證進氣效率的前提下，通過對阻性消聲材料的優選和抗性消聲器內部結構的優化，使阻性和抗性消聲器良好結合為阻抗復合型消聲器，可以得到更加優異的消聲效果。

發動機；進氣噪聲；阻性消聲器；抗性消聲器；阻抗復合型消聲器

隨著汽車保有量的增加，汽車噪聲給人們的工作和生活帶來了很大的影響。人類長時間處在比較強烈的噪聲下，會導致頭暈目眩和心情煩躁，嚴重的將可能會導致噪聲性耳聾和冠心病等心腦血管疾病[1]。為了控制噪聲污染，國內外均制定了許多嚴格的噪聲控制標準和法規，這對汽車行業的發展提出了新的挑戰[2]。

相關試驗研究表明[3]：當汽車發動機的排氣噪聲得到很好地控制時，進氣噪聲將成為主要的噪聲。進氣噪聲不僅是車外噪聲的重要組成部分，而且在汽車低速運行時對車內環境影響也很大[4]。進氣噪聲若得不到有效控制，將直接影響人們乘坐汽車的舒適性，增加駕駛者的疲勞感。因此，對汽車發動機進氣噪聲的控制，將對汽車工業的發展有著重要的影響。

1 進氣系統結構及噪聲控制方法

1.1 進氣系統結構

發動機的進氣系統主要由進氣管總成、空氣濾清器總成、增壓器、中冷器、進氣歧管和進氣閥等所構成[5]。圖1為渦輪增壓發動機進氣系統內部結構示意圖。

圖1 渦輪增壓發動機的進氣系統內部結構示意圖

空氣流經空氣濾清器過濾掉空氣中的雜質后，經進氣道流進進氣歧管，與噴油嘴噴出的汽油混合，形成一定比例的油氣混合體，然后通過進氣門將油氣送入汽缸內點火、做功，從而產生動力。進氣噪聲的產生是由于進氣門頻繁地開閉產生壓力周期性的起伏變化，以及高速氣流流經進氣門通道時所產生的。進氣噪聲屬于空氣動力性噪聲，與發動機轉速及進氣系統的結構等多種因素有關，但它也會受到動力性、經濟性等方面的約束，有時調整和改變設計十分困難[6]。因此，對進氣系統噪聲的控制方法研究顯得非常重要。

1.2 進氣系統的噪聲控制方法

進氣噪聲控制方法包括有源控制和無源控制。有源控制是根據一個待消除聲波的特性，產生一種方向相反、相位相反但幅值相同的聲波，使它們相互抵消，從而達到消聲的目的[7]。有源控制的消聲方法起源于20世紀初期，但一直沒有新的發展，直到20世紀70年代有源消聲器才在管道消聲應用方面取得了比較大的進步。有源噪聲控制系統的優點是對低頻噪聲消聲效果很好，而且非常節約空間[8]。但是，目前有源噪聲控制技術尚不成熟，且造價較高，在目前汽車的進氣系統方面鮮有應用。

無源控制方法是利用在進氣管道上加裝的消聲器來改變進氣管道內的聲阻抗，通過消聲器對聲音的衰減來達到消聲的目的。在現階段進氣噪聲控制方面，應用較多的是采用無源噪聲控制技術，其核心裝置就是消聲器[9]。

在汽車發動機進氣消聲器的設計中，發動機的充氣效率和進氣噪聲的噪聲頻率是應當考慮的兩大重要因素[10]。充氣效率是進氣系統設計中考慮的第一要素，直接影響發動機的動力性和經濟性。進氣噪聲的噪聲頻率(與發動機轉速有關)又決定了發動機適用的進氣消聲器類型。因此，在設計進氣消聲器時，首先要保證發動機的充氣效率在適當的范圍內，其次要考慮進氣噪聲的噪聲頻域。

2 進氣消聲器技術及國內外研究現狀

進氣消聲器種類有很多種，根據消聲原理和內部結構的不同，消聲器大致可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合型消聲器。

2.1 阻性消聲器

阻性消聲器(圖2)是一種吸收型消聲器，是聲波在傳遞過程中通過多孔的填充材料時，由于聲波和吸聲材料之間相互摩擦和振動使聲能轉化為熱能，從而消除噪聲。影響吸聲材料吸聲性能主要因素還有實際工況的溫度、濕度材料的厚度和密度、材料之間的孔隙率、吸水能力以及吸聲材料的流阻等。阻性消聲器的消聲頻域主要集中在中高頻噪聲的范圍，對低頻噪聲的消聲效果不甚明顯[11-12]。

圖2 阻性消聲器結構示意圖

國外對阻性消聲器的研究起步較早，2003年8月，A Selamet等[13]對阻性消聲器的幾何形狀、纖維材料的填充密度利用一維分析法和邊界元分析法進行的聲波損失仿真分析，證明阻性消聲器的結構形狀和材料類型都是影響消聲特性的因素。2007年，F.D.Denia等[14]利用二維分析法和有限元分析法，并結合實驗來對阻性消聲器進出口管長分析對消聲效果的影響，證明了適當地延長進出口管的長度對消聲效果有利。2014年10月，F.D.Denia等[15]利用點搭配方案模擬在不同進氣溫度條件下阻性消聲器的消聲特性。近年來，國內的專家學者對阻性消聲器的研究也有一定的進展。2009年，趙騫、顧燦松[16]利用GT-power一維流體動力學軟件，研究了阻性消聲器的設計參數(:吸聲材料填充密度、穿孔率的變化)對發動機性能的影響，結果表明：設計阻性消聲器時，只需要考慮材料填充密度。2015年12月，李寅勛等[17]對阻性消聲的填充材料的密度在消聲效果方面的影響進行了實驗研究，結果表明：在不同噪聲頻域內，不同的填充密度消聲效果有一定差異。

2.2 抗性消聲器

抗性消聲器又稱為聲學濾波器，是通過改變管道的內部結構使聲阻抗產生變化，聲波在傳導時互相干涉來削弱噪聲。根據進氣管道內部結構可分為干涉型消聲器、共振型消聲器和膨脹型消聲器等。抗性消聲器的特點：對低頻噪聲的消聲效果非常好，且構造簡單、空間利用率高、耐腐蝕、使用壽命高，但消聲頻域較窄，針對性強，對高頻噪聲的消聲效果不理想。

呂淑萍：ITT有三大核心價值觀，就是盡職盡責、互相尊重、正直守法，盡職盡責這個核心價值觀提到了社會責任。Xylem加了一條，就是勇于創新。從廣義來講，企業社會責任涵蓋四大方面：一是對股東投資人以及客戶的責任，努力為股東創造最大的利益回報；二是對員工的責任，為其提供良好的工作環境，創造良好的公司文化，培養個人能力的增長；三是環境責任，企業在采購、生產等各環節都應該做到不污染環境；四是社區責任，關愛社區，幫助社區發展，提高整個社會對水資源的認識。Xylem希望承擔起莊嚴的企業社會責任。

2.2.1 膨脹型消聲器

膨脹型消聲器(圖3)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，會與管道內部向前傳播的聲波相互干涉，從而削減噪聲[18]。

圖3 膨脹型消聲器結構示意圖

雖然膨脹型消聲器在消聲這一方面有一定的條件限制，但是對于消聲器的發展仍有重要的意義。2010年11月，Key Fonseca de Lima等[19]利用有限元分析法對不同膨脹腔的腔體內徑和不同腔體長度進行仿真，相應地優化了腔體的內部結構。2014年5月，韓國水原大學的Jin Woo Lee[20]為研究膨脹型消聲器的理想消聲模型，通過對膨脹腔內部增加隔板的方式來改變膨脹腔的內部結構，用實驗和仿真的方法來對比在各噪聲頻域范圍內，添加隔板位置的不同對消聲效果的影響。

2.2.2 干涉型消聲器

干涉型消聲器(圖4)是通過增加旁支管道使主管道的聲波和經過旁支管道的聲波在兩管道出口交叉處相遇，形成幅值相同相位相反的兩聲波，從而達到消除噪聲的效果。這種消聲器特點是對高頻噪聲消聲效果較好，但是選擇性較強，消聲頻域窄[21]。

圖4 干涉型消聲器結構示意圖

汽車進氣系統中的1/4波長管就是利用這種消聲器消聲特性來削弱噪聲的，2013年，Bin Li等[22]利用1/4波長管的在低頻區域良好的聲能回收作用，將其轉化成電能。2015年7月，上汽通用五菱公司的謝志清等[23]針對特定的噪聲頻率并利用模擬仿真計算傳遞損失的辦法來得到合適長度波長管，并在實車中得到應用。

2.2.3 共振型消聲器

圖5 共振型消聲器結構示意圖

國外對共振腔研究的比較深入。A Selamet,Munjal等[24-26]分析并研究了共振腔的理論和設計方法,利用各種仿真和實驗對共振腔進行了多次改造，Chanand[25]對共振腔進行了腔體擴大，并研究了腔體和進氣管接口位置對減噪的影響。Sugimoto、Horioka[27]通過在平行位置增加一個共振腔和改變共振腔腔體形狀的方法來優化共振消聲器。另外，很多汽車廠家在汽車上安裝了進氣諧振腔。美國康明斯發動機在使用共振式進氣消聲器后，發動機總體噪聲下降了4 dB (A)。此外，日本的鈴木汽車公司及本田公司也大量使用了共振式消聲器。豐田公司在實施車外降噪過程中，一項重要的舉措就是采用進氣諧振腔。進氣諧振腔的設計應用，改善了汽車發動機的進氣噪聲[28]。

2016年1月，高書娜等[29]對Helmholtz共振腔進行了改造(見圖6)，他們在一級共振腔上又增加了一個共振腔，叫做串并聯復合型共振式消聲器，這種方法拓寬了進氣消聲器的消聲頻率范圍。

抗性消聲器還包括其他類型的消音器，比如多孔分散型消音器等，但在汽車進氣系統中很少應用。

圖6 串并聯復合型共振式消聲器結構示意圖

2.3 阻抗復合型消聲器

阻抗復合型消聲器(圖7)，就是將阻性和抗性消聲器結合在一起。這樣可以針對消聲器的不同要求進行創造性組合進而對噪聲進行一定控制。1973年北京市勞動保護研究所[30]對4種阻抗復合型消聲器進行了簡要的介紹。阻抗復合消聲器一般由阻性和抗性兩部分組成。根據工作原理分為:阻性-膨脹腔復合消聲器、阻性-共振腔復合消聲器、阻性-共振腔-膨脹腔復合消聲器和微穿孔板消聲器等[31]。

圖7 阻抗復合型消聲器結構示意圖

空氣濾清器本身就是一個阻抗復合型進氣消聲器，一方面空氣濾芯所占的空間，有無數的小孔，可視為無數的膨脹腔；另一方面，空氣濾芯的材料(棕絲、植物纖維、濾紙等)可視為阻性消聲器的吸聲材料。現在大多數的濾芯材料為樹脂處理微孔紙，對雜質的過濾效率最高可達99%以上，但在降噪的效果上能力有限[32-33]。

國內的專家學者對復合型消聲器的研究成果比較多。2012年12月，Min-chie chiu等[34]在研究阻性——共振腔消聲器(如圖8)的各種影響消聲器效果因素時，利用轉移矩陣和模擬退火方法對共振腔的腔體位置、數量，阻性消聲器進氣管的管口直徑、管壁穿孔率和穿孔直徑，以及阻性消聲器吸聲材料的長短等影響因子進行了仿真分析，并得到最佳的內部結構尺寸。

圖8 五種復合型消聲器內部結構對比

2013年11月王海東等[35]申請了一項阻性-共振復合型消聲器的專利，利用1/4波長管和共振腔來吸收中高頻噪聲，用阻性材料來吸收低頻噪聲，制作簡單，安裝在小型車上可節約成本。

中國奇瑞汽車程振峰等[36]于2015年7月申請了一項進氣消聲器的專利，如圖9所示。該實用新型的進氣消聲器，采用膨脹腔和Helmholtz共振腔組合，既保證在較寬的頻率范圍內存在較大的消聲量，同時利用赫姆霍茲消聲器的特性對汽車進氣系統的低頻率范圍內進行消聲，可以快速準確地評估進氣系統噪聲對車內噪聲貢獻量。

圖9 膨脹-共振式消聲器結構示意圖

通過對阻性消聲器和抗性消聲器的消聲原理的分析，總結了各類型消聲器的消聲特性和應用范圍，如表1所示，能更加直觀地了解每種消聲器消聲特點及應用。

表1 各類型消聲器的多方面數據總結

3 發展趨勢

由于汽車進氣噪聲頻率比較復雜，所以阻抗復合型消聲器得到了應有的重視和發展。通過對阻性消聲器、抗性消聲器以及阻抗復合型消聲器消聲特性的分析和國內外研究現狀的總結，可得到現階段汽車消聲器的發展趨勢：

1) 在保障汽車發動機充氣效率和資源環境允許的前提下，研發具有優良消聲特性的新型阻性消聲材料以滿足日趨嚴格的噪聲排放法規。

2) 在保障汽車安裝空間允許的條件下，進一步優化抗性消聲器的內部結構。利用有限的安裝空間來達到最佳的消聲效果。

3) 在保障汽車成本的前提下，優化有源控制噪聲的方法，設計和完善有源噪聲控制器，使其能夠在汽車進氣消聲方面廣泛應用。

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(責任編輯 劉 舸)

Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling

DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, YU Miao

(College of Transportation, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Engine intake noise is an important part of automobile noise, and the national emission standards for automobile noise are becoming stricter and stricter, therefore, the research of engine intake noise elimination has a significant impact on the development of automobile industry. This paper firstly introduces the structure of the air intake system and the mechanism of the intake noise, and elaborates the control methods and principle of resistive muffler and resistance muffler to noise and their concrete structure. Then based on the research status of the intake muffler at home and abroad，the paper summaries the characteristics of each type of mufflers. After analysis，we can get the conclusion that under the premise of ensuring the intake efficiency, the hybrid muffler, which is the outcome of optimizing the internal structure of the resistance muffler and selecting the resistive sound-absorbing material of the resistance muffler, and can get more excellent silencing effect.

engine;intake noise;resistive muffler;resistance muffler;hybrid muffler

2017-03-26

國家自然科學基金資助項目(31470611) ；黑龍江省自然科學基金資助項目(E2015055)

杜丹豐(1972—)，男，黑龍江人，博士，副教授，主要從事汽車節能減排方面的研究，E-mail：ddf72@163.com。

杜丹豐，李亮，劉紅玉，等.發動機進氣消聲的研究現狀及趨勢分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):20-25.

format：DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, et al.Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):20-25.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.003

U463; TB534.1

A

1674-8425(2017)07-0020-06