發動機排氣階次噪聲控制研究

崔國旭邱 森

（1-中國汽車技術研究中心有限公司汽車工程研究院 天津 300300 2-吉林大學汽車工程學院）

引言

通常認為，控制發動機排氣噪聲就是控制其聲壓級的大小。多年來，汽車工程師們一直致力于設計具有良好性能的排氣消聲器，并取得了很好的效果。但人們對汽車的噪聲提出了更高的要求，不僅要求汽車“安靜”，噪聲量級小，還要求“和諧”，即關注它給人帶來特有的聽覺感受，也就是考慮聲音的頻率成分。聲品質的調制主要靠進氣系統和排氣系統的設計，其中，排氣系統噪聲的影響更為明顯，改善其聲品質對提高發動機乃至整車的NVH特性具有重要的影響。

福特公司對發動機聲品質做了大量研究工作，認為聲品質設計主要考慮響度、發火階次、線性度以及高頻噪聲等，其中，發火階次對于車輛的舒適性處于主導影響地位，而半階階次增加，有利于提高車輛動力感。Johnson等人[1]和Dedene等人[2]描述了排氣噪聲組成和聲品質的客觀尺度。他們認為，購買跑車的客戶喜歡平順有動力感的聲音，購買高級轎車的客戶喜歡平順安靜的聲音。Ohsasa等人采用評審團評價的方法，得出排氣噪聲所包含的半階次噪聲的水平越高，排氣噪聲的動力感越強的結論[3]。Pang Jian等人通過對一款6缸V型發動機進行仿真分析表明，通過修改Y型連接管的結構，可改變排氣半階次噪聲的組成結構[4]。

以上研究成果表明，主階次、半階次噪聲是影響排氣聲品質差異的重要因素。在排氣噪聲聲壓級相差不大的情況下，半階次噪聲越大，排氣噪聲更富有動力感；反之，半階次越小，則更為柔和安靜。

本文以一款1.5 L自然吸氣4缸發動機為研究對象，在原機基礎上對排氣噪聲進行調制，使其噪聲更富有動力感品質。

根據上述理論，需要噪聲組成中含有較高聲壓水平的半階噪聲。為了能最終調制出含有較高聲壓水平的半階次排氣噪聲，需要在原始聲源中提高半階次噪聲的聲壓水平，也就是提高發動機排氣總管口處的半階次聲壓水平。

1 排氣噪聲調制原理

在發動機排氣管道中傳播的聲波，可認為是以平面波的形式傳播[5]。聲波在管道中傳播，當到達管道頂端時，一部分透過管道繼續傳播，另一部分被反射回去，形成反射波，如圖1所示。

圖1 管道中的聲波

管道中任何一點的聲壓是入射聲波聲壓和反射聲波聲壓的合成。可用公式表示：

式中：k 為聲波的波數，m-1；ω1為聲波的圓頻率，rad/s；pA和pB分別為入射聲波和反射聲波的聲壓幅值，Pa。

發動機的排氣歧管結構如圖2所示。

圖2 排氣歧管結構

假設排氣歧管的長度不一樣，各缸排氣歧管的長度分別為 l1，l2，l3，l4。聲波在每個歧管中傳遞時，到達排氣總管的時間不一樣。聲波在第i個歧管中傳播的時間為：

式中：t為聲波傳播時間，s；li為第i個歧管的長度，m；c為聲速，m/s。

把聲波在第i個歧管中傳播的時間轉換為發動機曲軸轉角，可表示為：

式中：ω為發動機曲軸的角速度，rad/s。ω的計算公式為：

式中：n為發動機轉速，r/min。

對于均勻運轉的發動機，點火均勻，每個氣缸之間運轉的間隔相等。相鄰發火氣缸的曲軸轉角差為：

式中：N為氣缸數；Ф為發動機工作一個循環的曲軸轉角，°CA。

對于4缸發動機，Φ =4π，N=4，則 Δθ= π。

假設以第1缸為參考氣缸，那么，發火順序為j的第i號氣缸相對于參考氣缸的曲軸轉角為：（j-1）Δθ。

發火順序為j的第i號氣缸聲音傳遞到排氣總管口的絕對轉角為：

式中：θ為第1缸對應的曲軸轉角，°CA。

在排氣總管口，聲壓為各缸傳遞到此的聲壓之和，可表示為：

對于4缸發動機，公式（7）可展開為：

式中：m為發動機發火階次。

當m=1、3、5等非發火階次及其諧階次和半階次之外的整數階次時，假設發動機各缸工作均勻，認為 PAi=PA，PBi=PB，公式（8）可表示為：

當m=2、4、6等發火階次及其諧階次時，公式（8）可表示為：

當 m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 等半階次時，公式（8）可表示為：

因此，對于4缸發動機，根據上述推導，可得到以下結論：

1）對于半階次噪聲，在同一工況下，只受間隔發火2缸的歧管長度影響。即受第1號、第4號歧管長度相互變化關系和第2號、第3號歧管長度相互變化關系的影響。特別地，如果采用l1=l2=l3=l4的等長歧管結構，半階次噪聲理論上可消除為零；如果采用l1=l4≠l2=l3的對稱等長結構形式，半階次噪聲理論上也可消除為零。

2）對于除主階次及諧階次外的整階次噪聲，在同一工況下，只受相鄰發火2缸歧管長度相互關系影響。特別地，如果采用l1=l2=l3=l4的等長歧管結構，整階次噪聲理論上可消除為零。

3）主階次及其諧階次噪聲等于4個缸的噪聲疊加之和，不能消除。

雖然，從上述推導得出，采用等長排氣歧管結構的半階次噪聲和主階次及諧階次外的整階次噪聲能完全消除為零，但在實際的排氣系統中，由于流體噪聲等因素的影響，半階次和整階次噪聲仍然存在[6]。

2 排氣歧管仿真模型搭建與驗證

圖3為原機排氣歧管三維模型，排氣歧管的設計參數如表1所示。4根排氣歧管長度相等，為等長方案排氣歧管。

圖3 原機排氣歧管三維模型

表1 原機排氣歧管參數mm

根據所獲得的控制參數、結構參數及測試數據，使用仿真軟件GT-Power建立發動機的性能與聲學仿真模型并進行驗證。

圖4為原機的實驗轉矩與仿真轉矩對比。通過比較，2種轉矩最大偏差不超過4 N·m，偏差低于5%，仿真模型精度較高，可用于后面的研究工作。

圖4 原機轉矩仿真與實驗數據對比

3 排氣歧管優化方案設計

根據發動機的布置空間做預設計。由于空間限制，排氣歧管長度最大為260 mm，最小為170 mm。由于半階次噪聲受間隔發火2缸對應的歧管長度相互變化關系影響，設計仿真優化方案時，首先將第1號與第4號歧管的長度設置為定值，改變第2號與第3號歧管的長度差。仿真方案如表2所示。

表2 排氣歧管仿真方案（改變第2號與第3號歧管的長度差）mm

圖5、圖6、圖7分別為4個方案（方案 1～方案4）及原機的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階噪聲仿真結果。

由圖5、圖6、圖7的仿真結果可以看到，采用不等長方案后，會大幅度提高半階次噪聲。并且，隨著歧管長度差的增大，半階次噪聲有增大的趨勢。

圖5 4個方案及原機4.5階噪聲仿真對比

圖6 4個方案及原機5.5階噪聲仿真對比

圖7 4個方案及原機6.5階噪聲仿真對比

由上述仿真可知，方案4是4個方案中最能提高半階次噪聲的方案。據此，固定第2號與第3號歧管的長度不變，改變第1號與第4號歧管的長度差，仿真方案如表3所示。

表3 排氣歧管仿真方案（改變第1號與第4號歧管的長度差）mm

圖8、圖9、圖10分別為4個新方案（方案5～方案8）與上一輪仿真最優方案（方案4）及原機的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階噪聲仿真結果。

圖8 5個方案及原機4.5階噪聲仿真對比

圖9 5個方案及原機5.5階噪聲仿真對比

圖10 5個方案及原機6.5階噪聲仿真對比

由圖8、圖9、圖10的仿真結果可以看到，隨著歧管長度差值的增加，半階次噪聲增加，也就是說，歧管越不等長，半階次噪聲越大。

但由于空間布置的限制，無法設計出最優的歧管方案。因此，根據歧管越不等長，半階次噪聲越大的仿真結論，盡量使歧管長度不等。最后設計出如圖11所示的不等長歧管方案。表4為最終設計的不等長方案各歧管長度。

圖12、圖13、圖14分別為最終使用方案與上一輪5個方案及原機方案的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階次噪聲仿真結果。

由圖12、圖13、圖14的仿真結果可知，最終采用的不等長方案，雖然不是最優的，但具有較好的效果。

圖11 不等長方案排氣歧管三維模型

表4 最終設計方案mm

圖12 最終使用方案與5個方案及原機4.5階噪聲仿真對比

圖13 最終使用方案與5個方案及原機5.5階噪聲仿真對比

圖14 最終使用方案與5個方案及原機6.5階噪聲仿真對比

圖15 為最終使用方案的主階次及半階次噪聲仿真結果。

圖15 最終使用方案主階次及半階次噪聲仿真

由圖15可知，半階次噪聲有較大的提高，聲壓級接近主階次噪聲，說明最終使用的優化設計方案具有較理想的效果。

4 排氣歧管聲學及性能實驗驗證

圖16為不等長優化方案的排氣歧管。將它替換原機等長排氣歧管，進行性能和噪聲測試。實驗驗證結果表明，發動機的功率和轉矩變化不大，最大變化不超過0.2%，說明優化方案不影響發動機的動力性。

圖16 不等長優化方案排氣歧管

圖17 為原機的主階次與半階次噪聲實驗對比，圖18為優化方案的主階次與半階次噪聲實驗對比。

圖17 原機主階次與半階次噪聲測試結果對比

圖18 不等長優化方案主階次與半階次噪聲測試結果對比

從圖17、圖18可以看出，優化方案的半階次噪聲與主階次噪聲更相近，滿足具有動力感的要求。

圖19為原機與優化方案的主階次噪聲測試結果，圖20為原機與優化方案的半階次噪聲測試結果。

圖19 原機與優化方案主階次噪聲測試結果

圖20 原機與優化方案半階次噪聲測試結果

由圖19、圖20可知，相比原機，不等長優化方案的主階次噪聲變化很小，但半階次噪聲明顯提高。因此可以認為，排氣歧管結構的變化，對主階次噪聲影響較小，但會改變半階次噪聲的大小，從而改變排氣噪聲的品質特點。

5 結論

通過以上仿真研究與實驗驗證結果，可以得到以下結論：

1）適當改變排氣歧管管長結構，對發動機的動力性、發火階次及其諧階次噪聲的聲壓水平影響不大。

2）與傳統的等長排氣歧管方案相比，增加歧管管長差的不等長方案，能提高半階次噪聲的聲壓水平，從而提高了排氣噪聲的動力感。

3）理論分析顯示，完全等長的排氣歧管方案不應該存在非主整階次和半階次噪聲，對稱等長排氣歧管方案不應該存在半階次噪聲。但是，在實際的排氣系統中，由于流體噪聲等因素的影響，存在整階次和半階次噪聲。