基于相位推導對尾端進氣歧管的研究

王若平，余云飛，洪 森

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇，鎮江 212013）

多缸發動機進氣歧管內氣體流動是非常復雜的三維非等熵不穩定流動，各支管之間的相互干擾對發動機的進氣性能與聲品質具有重要影響。對此，國內外學者做了大量的研究。2000年， KRAFT提出了通過試驗與測試的方法來降低進氣歧管的氣動噪聲[1]。2007年，吳尚平詳細研究了塑料進氣歧管振動噪聲的數值仿真方法，降低了歧管開發周期與成本[2]。2012年，黃澤好等對某發動機進氣歧管進行了研究，充分考慮了進氣阻力，通過優化，使進氣歧管的進氣均勻性得到提高[3]。2013年，李鑫等對進氣歧管的管長與直徑對發動機性能的影響進行了探討，為進氣歧管的開發提供了理論支持[4]。本文在理論推導進氣歧管各支管相位對進氣歧管聲壓階次組成的影響的基礎上，以某工程試驗車為研究對象，根據理論優化發動機進氣歧管，優化結果表明：通過調節各支管之間的相位角，能很好地改善進氣系統噪聲的階次組成，達到改善進氣系統聲品質的效果。

1 進氣歧管相位角對歧管聲壓階次組成的研

1.1 發動機進氣歧管氣體相位與壓力組成

如圖1所示，發動機進氣歧管是連接發動機氣缸與進氣管道系統的部件，當氣體在歧管中運行時，第n個氣缸傳來氣體到進氣歧管入口處與1號氣缸氣體之間的相位差角由兩部分組成。第1部分是各個氣缸之間的點火間隔差角；第2部分是各個支管與入口處的距離不同引起的相位角。

式中：Δθn為第n個氣缸與第1個氣缸的相位差角；Δθ為各氣缸與第1個氣缸之間的點火相位差角；為各支管與第1個支管距離差的相位差角；ln為第n個支管到入口的距離 ；l1為第1個支管到入口的距離；φ為發動機一個工作循環轉過的角度；N為發動機氣缸數；ω為發動機曲軸的角速度；c為聲音的傳播速度；n為第n個發動機氣缸。

以第1個支管為參考，第n個氣缸聲音傳遞到進氣歧管入口聲壓的絕對轉角為：

式中：θn為第n個氣缸到歧管入口處聲波的絕對轉角；θ為第1個氣缸的初始相位角。

在第n個支管中任何一點的壓力由入射波聲壓與反射波聲壓組成。以支管與氣缸交界處作為起點，管道內任意一點的壓力可以表示為：

在進氣總管內，壓力為各氣缸傳到歧管的壓力之和，假設每個氣缸的入射波與反射波聲壓幅值相等，且不考慮氣體在歧管中的紊流效應，總管處的聲壓可用以下公式表示：

1.2 發動機進氣歧管相位角控制

尾端進氣歧管是進氣歧管的進氣口位于歧管諧振腔的尾端，而中心進氣歧管是進氣歧管的進氣口位于歧管諧振腔的中心。尾端連接進氣歧管相比于中心進氣歧管，由于對稱性較差，導致氣流噪聲較大。對四沖程發動機尾端連接分管的進氣歧管進行研究，提出以相鄰支管相互調節的方案，以1號歧管為基準，調節2號歧管，使它們到歧管入口處的距離相等；以3號歧管為基準，調節4號歧管，使它們到歧管入口處的距離相等。以此來改變各個支管的相位角，達到改善進氣歧管總管處的聲壓階次組成的效果，改善進氣系統的聲品質。推導如下：

四沖程發動機一個工作循環的周期為4π，則四缸沖程發動機相鄰兩個氣缸點火相位差為

則：

式中：θ1、θ2、θ3、θ4分別代表4根支管中的相位；θα為第1號支管的初始相位角；θβ為第3號支管的初始相位角；l1為第1號支管到歧管總管處的距離；l2為第3號支管到歧管總管處的距離。

（3）當m=1, 2, 3,…,n時，為其它整階次聲壓波：

由上述公式推導，調節進氣歧管相鄰支管，進氣歧管總管處的聲壓幅值呈現如下分布規律：進氣總管處發動機點火階次與其諧波階次聲壓級將會得到增強，而半階次與其它整階次聲壓級將會被抑制。根據階次與舒適性的對應關系，發動機點火階次與諧波階次聲波將會使聲音更加渾厚，舒適性更佳；半階次聲波會使聲音更具有階躍感。本文提出的調節方案將會使進氣系統噪聲的聽覺舒適性更佳。

2 試驗數據采集與建立發動機進氣系統仿真模型

2.1 試驗車進氣噪聲信號采集

為驗證理論推導的準確性，以某工程試驗車為研究對象，在整車半消音室采集試驗車3擋WOT工況下的進氣噪聲，進氣噪聲信號采集麥克風布置在離進氣口10 cm處，試驗如圖2所示。

圖2 試驗車進氣噪聲采集

2.2 搭建發動機進氣系統仿真模型

如圖3和圖4所示，在GEM-3D中建立試驗車進氣歧管模型并與用GT-POWER建立的發動機模型進行耦合仿真。建模過程中，在進氣口添加麥克風模塊，用來采集進氣口噪聲，并與試驗值進行對標，驗證仿真模型的準確性。同時在進氣歧管各個支管處添加麥克風模塊，用來監測四處的相位，驗證管道調節對相位角的影響。仿真結果如圖5所示。

圖3 試驗車發動機進氣歧管模型

圖4 發動機進氣系統模型

圖5 發動機進氣噪聲試驗值與仿真結果對比

將試驗采集的進氣噪聲信號與仿真結果進行對比，仿真結果與實際進氣噪聲存在一定的誤差，這主要是因為試驗車在進行3擋WOT試驗時，進氣系統中的各個部件將會產生振動，這對進氣噪聲會有一定的影響，而在搭建試驗車仿真模型時并未把振動考慮進去，因而造成誤差。實際進氣噪聲趨勢與仿真結果有很好的一致性，誤差值也在2 dB左右，在接受的范圍之內，因此，該仿真模型能很好地模擬試驗車進氣噪聲。

3 發動機進氣歧管的優化

試驗車進氣歧管采用尾端連接分管，各分管等間距分布，每兩個歧管的間距為40 mm。考慮到進氣歧管長度對進氣性能的影響，不等長支管將在一定程度上降低進氣系統的充氣效率[5-7]。對進氣歧管的調節方案為：以1號歧管為基礎，調節2號歧管，沿x向增加20 mm；以3號歧管為基礎，調節4號歧管，沿x向增加20 mm。通過相鄰歧管之間的長度調節，保證1號和2號歧管到進氣歧管入口處的距離相等，3號與4號歧管到進氣歧管入口的距離相等，使相鄰歧管間的相位差為π。優化后的進氣歧管如圖6所示。

圖6 優化后的進氣歧管

3.1 優化前后進氣歧管各個支管相位對比

通過在仿真過程中監測各支管的相位，由圖7～10可知：優化前1號和2號歧管，3號與4號歧管，相位隨頻率分布更多的是同相位，而依據理論推導，調節相鄰歧管的長度，控制相位角，相鄰歧管之間異相位頻段增加，這將會使聲波之間相互抵消，降低噪聲幅值。

圖7 優化前進氣歧管1號與2號歧管相位圖

圖8 優化前進氣歧管3號與4號歧管相位圖

圖9 優化后進氣歧管1號與2號歧管相位圖

圖10 優化后進氣歧管3號與4號歧管相位圖

3.2 優化前后進氣噪聲總聲壓級與階次對比

由圖11可知，優化進氣歧管后，進氣噪聲總聲壓級下降，尤其在發動機高轉速狀態下降幅較大。同時，進氣噪聲聲壓級隨轉速分布的線性度更佳，尖峰處的幅值減小，減少了整個加速過程中的階躍感，有利于改善進氣噪聲的聽覺舒適性。

圖11 優化前后進氣噪聲聲壓級對比圖

圖12 優化前后發動機點火階次與諧階次聲壓級對比圖

圖13 優化前后發動機半階次次聲壓級對比圖

如圖12和圖13所示，優化進氣歧管后，發動機點火階次與諧波階次聲壓級提高，而半階次聲壓級降低，這與理論推導相一致。根據階次分布與聽覺舒適性的關系[8]，點火階次與諧波階次聲壓級的提高將會增強進氣噪聲的渾厚感，而半階次的降低，將會減少進氣噪聲的階躍感，從而整體上改善進氣噪聲的聽覺舒適性。

4 結論

（1）文章詳細推導了進氣歧管相位角對進氣噪聲聲壓階次組成的影響，為進氣歧管的設計提供了理論基礎。

（2）基于理論推導，以工程試驗車為研究對象，在確保仿真精度的基礎上，優化進氣歧管，通過仿真驗證了理論的正確性。

（3）文中未考慮進氣歧管中氣體復雜的紊流狀態，理論推導是建立在理想狀態下，所以與實際情況相比會存在一定的誤差。