某增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能研究

袁磊，韓震，業(yè)德明，喬曌，嚴(yán)飛

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某增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能研究

袁磊，韓震，業(yè)德明，喬曌，嚴(yán)飛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一，進(jìn)氣系統(tǒng)不僅需要為發(fā)動機(jī)提供很好的空氣動力學(xué)性能，還需要有良好的消聲能力。文章以某增壓發(fā)動機(jī)車型的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對象，以傳遞損失為指標(biāo)，運(yùn)用聲學(xué)軟件Virtual. lab分析其0到4000Hz頻率段的聲學(xué)特性，并在此基礎(chǔ)上添加若干個消聲元件來提高進(jìn)氣系統(tǒng)全頻率段的消聲能力。

進(jìn)氣系統(tǒng)；消聲器；傳遞損失

前言

隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對乘員舒適性的的關(guān)注度日益增加，而車輛噪聲是影響消費(fèi)者駕駛體驗(yàn)的重要因素，也是各整車廠關(guān)注的焦點(diǎn)。在眾多種類的汽車噪聲中，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲離駕駛艙最近，對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)很大。因此，在設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時，不僅要考慮其結(jié)構(gòu)剛度及管內(nèi)流場特性，還要對其聲學(xué)性能進(jìn)行評估。

進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是指發(fā)動機(jī)氣門有規(guī)律的開啟關(guān)閉導(dǎo)致空氣在進(jìn)氣管道中形成壓力脈動而產(chǎn)生的噪聲，并從進(jìn)氣口處傳出。同時，如果進(jìn)氣系統(tǒng)剛度不足，管壁處還會產(chǎn)生很大的輻射噪聲[1]。發(fā)動機(jī)根據(jù)進(jìn)氣形式的不同分為自然吸氣發(fā)動機(jī)和增壓發(fā)動機(jī)，這兩種不同的進(jìn)氣形式產(chǎn)生的進(jìn)氣噪聲頻率范圍也有所不同。自然吸氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣噪聲頻率主要分布在0~1000Hz之間，而增壓發(fā)動機(jī)由于其壓氣機(jī)葉輪高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得進(jìn)氣噪聲頻率分布更為廣泛，約在0~5000Hz之間。除此之外，增壓器泄氣閥開啟時產(chǎn)生的高頻嘯叫聲也是困擾設(shè)計(jì)人員的難題。

整套進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管道和消聲元件構(gòu)成，其中消聲元件主要包括空氣濾清器腔體，四分之一波長管，赫姆霍茲諧振腔和穿孔管消聲器等。可以通過仿真手段對進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進(jìn)行初步分析，并根據(jù)需要對消聲能力較弱的頻率段添加相應(yīng)的消聲元件來提高整套系統(tǒng)的消聲能力。

1 管道聲學(xué)及消聲器原理

1.1 管道聲學(xué)評價方法

評價進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的方法主要有：傳遞損失、插入損失、聲壓級差和聲壓級[2]。其中，傳遞損失是評價消聲元件消聲效果最簡單有效的方法，它反應(yīng)的是消聲器本體的聲學(xué)特性，因此通常用傳遞損失來初步評估系統(tǒng)的聲學(xué)性能，測量方法如圖1所示。

圖1 傳遞損失測量方法

傳遞損失表明聲音經(jīng)過消聲原件后聲音能量的衰減，即入射聲功率級和透射聲功率級的差值，數(shù)值越大，消聲效果越好。

1.2 擴(kuò)張消聲器

進(jìn)氣系統(tǒng)中，空氣濾清器腔體相當(dāng)于一個擴(kuò)張消聲器，可以消除寬頻帶噪聲，結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 擴(kuò)張消聲器

擴(kuò)張消聲器的傳遞損失計(jì)算公式為：

其中，=2/S1為管道與擴(kuò)張腔的擴(kuò)張比。

從公式2-2可知，增加擴(kuò)張消聲器的截面積S2和長度L，或者減小管道截面積S1都可以增加其傳遞損失，但減小管道截面積會造成管道內(nèi)氣流速度變快，導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)壓降增大，從而減少發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量。

1.3 赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器是旁支消聲器的一種，主要用于消除進(jìn)氣噪聲中頻率為0到800Hz的噪聲，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)中，它由一個消聲腔和一段連接消聲腔跟進(jìn)氣管的短管組成，如圖3所示。

圖3 赫姆霍茲消聲器

赫姆霍茲消聲器的傳遞損失計(jì)算公式為：

消聲頻率計(jì)算公式為：

從公式2-3和2-4可知，赫姆霍茲消聲器消聲頻率和傳遞損失與消聲腔容積、連接管長度、連接管和進(jìn)氣管的截面積有關(guān)；與消聲腔的形狀和管道的形狀無關(guān)。

1.4 四分之一波長管

四分之一波長管也是旁支消聲器的一種，主要用于消去進(jìn)氣噪聲中的高頻成分，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 四分之一波長管

四分之一波長管傳遞損失計(jì)算公式：

調(diào)節(jié)頻率為：

從公式2-5和2-6可知，如果四分之一波長管和主管道的截面積比值越大，傳遞損失的幅值越大，但截面積之比不影響其共振頻率，共振頻率僅取決于四分之一波長管的長度。

1.5 穿孔管消聲器

穿孔管消聲器廣泛用于排氣系統(tǒng)，用于消除1000到3000Hz的中高頻噪聲，其結(jié)構(gòu)如圖5。隨著渦輪增壓發(fā)動機(jī)的普及，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的最高頻率也由自然吸氣發(fā)動機(jī)的1000Hz提高到5000Hz，甚至更高。因此，穿孔管消聲器也開始運(yùn)用于進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。

圖5 穿孔管消聲器

穿孔管消聲器是一種寬頻消聲器，它的消聲頻率與孔徑、孔數(shù)、管壁厚度和消聲腔容積有關(guān)，消聲原理和赫姆霍茲消聲器類似，峰值頻率計(jì)算公式為：

式中，n為孔數(shù)，S為單個孔面積，V為消聲腔容積，h為管壁厚度。

一般在進(jìn)行渦輪增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需要布置若干個穿孔管消聲器，來滿足全頻帶的消聲要求，如圖6所示。

圖6 多功能消聲器

2 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能分析

2.1 模型描述

現(xiàn)以某渦輪增壓發(fā)動機(jī)車型的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對象，對其進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)消聲元件來提高其聲學(xué)性能。提取該進(jìn)氣系統(tǒng)流體域模型，如圖7。

圖7 進(jìn)氣系統(tǒng)流體域模型

該模型由1個空氣濾清器腔體和2段進(jìn)氣管道組成，而對于渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說，單一消聲元件的消聲效果非常有限。接下來將對該模型0到4000Hz頻率范圍內(nèi)的傳遞損失進(jìn)行預(yù)估，以此來評價其聲學(xué)性能。

2.2 聲學(xué)性能預(yù)測

將流體域模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8，再將網(wǎng)格導(dǎo)入專業(yè)聲學(xué)軟件Virtual. Lab進(jìn)行計(jì)算[4]。

圖8 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格

在計(jì)算前檢測所有網(wǎng)格最大計(jì)算頻率為5600Hz，滿足4000Hz的計(jì)算要求，如圖9所示。

圖9 最大計(jì)算頻率檢測

計(jì)算采用管道聲模態(tài)模型，出口采用AML邊界，傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 傳遞損失計(jì)算結(jié)果

可見，該進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失最大值30.5dB出現(xiàn)在900Hz頻率處（圖11），2700Hz之前平均傳遞損失約為12dB左右，1100Hz處傳遞損失接近0（圖12）；2700Hz之后平均傳遞損失只有5dB左右。因此，可判定該進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能并不理想。

圖11 900HZ聲壓級分布云圖

圖12 1100Hz聲壓級分布云圖

2.3 消聲元件選擇

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以按照頻率段來給進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的消聲元件。在0到800Hz頻率區(qū)間設(shè)置2個赫姆霍茲消聲器；在800Hz到1500Hz頻率區(qū)間設(shè)置1個四分之一波長管；在1500Hz到3000Hz頻率區(qū)間設(shè)置一個多功能寬頻消聲器；3000Hz到4000Hz頻率區(qū)間設(shè)置4個高頻四分之一波長管，如圖13所示。

圖13 消聲元件布置圖

其中，多功能寬頻消聲器由3個擴(kuò)張腔，2個穿孔管消聲器和若干插入管組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14，傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖15。

圖14 多功能寬頻消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖15 傳遞損失計(jì)算結(jié)果

可見，多功能寬頻消聲器在1500Hz到3000Hz頻率段能起到很好的消聲效果，傳遞損失最大值64.7dB出現(xiàn)在1850Hz處，如圖16所示。

圖16 1850Hz聲壓級分布云圖

2.4 結(jié)果對比優(yōu)化

把帶消聲元件的進(jìn)氣系統(tǒng)模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再將網(wǎng)格導(dǎo)入Virtual. Lab軟件進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與不帶消聲元件模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖17所示。

圖17 傳遞損失對比

從圖可知，安裝消聲器后，整套進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失大幅提高，聲學(xué)性能得到明顯改善。赫姆霍茲消聲器分別貢獻(xiàn)了400Hz（圖18）和650Hz（圖19）處的兩個峰值；四分之一波長管提升了進(jìn)氣系統(tǒng)在1900Hz附近傳遞損失（圖20）；多功能消聲器在2000Hz到3000Hz間的作用非常大。但3000Hz之后，傳遞損失提升并不明顯，初步判斷是4個高頻四分之一波長管沒有起到作用，接著對這4個高頻四分之一波長管的長度進(jìn)行微調(diào)，傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖21。

從圖21可以看出，微調(diào)高頻四分之一波長管對3500Hz之前的傳遞損失沒有太大影響，在3550Hz和3650Hz處新增2個峰值，同時，3700Hz和3800Hz的峰值消失。因此可判定高頻四分之一波長在3500Hz到4000Hz頻率段能產(chǎn)生效果，傳遞損失幅值和消聲帶寬較小，也可以通過增加四分之一波長管截面積來提高傳遞損失幅值，但進(jìn)氣損失會增加。

圖18 400Hz聲壓級分布

圖19 650Hz聲壓級分布

圖20 1900Hz聲壓級

圖21 計(jì)算結(jié)果對比

3 小結(jié)

本文以某增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對象，通過Virtual. Lab軟件分析得出，原進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能不理想。之后根據(jù)消聲元件的聲學(xué)特性，為原進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的消聲元件，結(jié)果表明，增加消聲元件后，進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲能力得到大幅提高。運(yùn)用Virtual. lab軟件，可以快速的得出進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能，大大減少設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)成本。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動:理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2013,200-201.

[2] 石巖,張劍平,劉鵬. 汽車進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真分析及優(yōu)化[J].噪聲與振動控制,2014,(3).

[3] 祝何林,劉正士.穿孔管消聲器的數(shù)值分析[J].噪聲與振動控制, 2008, (3):116-118.

[4] 畢嶸.汽車進(jìn)排氣消聲器性能的數(shù)值仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué), 2008.

Research on the acoustic performance of a turbocharged engine intake system

Yuan Lei, Han Zhen, Ye Deming, Qiao Zhao, Yan Fei

( AnHui JiangHuai Automobile group Co., LTD. Technology Centre, Anhui Hefei 230601 )

The intake system noise is one of the main noise source of automobile and the intake system not only need to provide a good aerodynamic performance for engine, but also need to have a good acoustic performance. The acoustic characteristics from 0 to 4000 Hz of a turbocharged engine intake system is analyzed, with evaluation criterion of transmis -sion loss, by using acoustic software Virtual. lab, and to enhance the intake system frequency noise elimination capability by designing several silencer.

Intake system; Silencer; Translation loss

A

1671-7988(2018)18-159-04

U462

A

1671-7988(2018)18-159-04

CLC NO.: U462

袁磊，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.054