基于國六柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的分析

王強(qiáng)，李旭林，李哲，趙文虎，楊軍鋒，張文虎

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著發(fā)動機(jī)排放技術(shù)的升級，國六發(fā)動機(jī)的普及成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車保有量逐年增加，汽車噪聲給人們的工作和生活帶來很大的影響。人類如果長時間在比較強(qiáng)烈的噪聲下，會導(dǎo)致聽力減退和心情煩躁，刺激人的神經(jīng)系統(tǒng)，干擾人的學(xué)習(xí)、工作、休息等。隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，對發(fā)動機(jī)噪聲的控制也日益重視。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某款配置國六柴油發(fā)動機(jī)的牽引車在發(fā)動機(jī)怠速工況下存在較大的噪音，對此，在進(jìn)氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一種消聲器來控制噪聲。經(jīng)過聲學(xué)有限元分析和實(shí)車驗(yàn)證表明，增加消聲器后，聲音傳遞損失顯著增加，降噪效果顯著。

1 某款載貨汽車發(fā)動機(jī)異響分析

車輛在發(fā)動機(jī)怠速時出現(xiàn)異常噪聲，類似“嗡嗡嗡”敲鼓聲。經(jīng)聽診器查找聲源，在空氣濾清器入口及腔體外圍發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲異響。后用噪聲測試設(shè)備記錄噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波分析發(fā)現(xiàn)該噪聲頻率為130Hz。

為了滿足發(fā)動機(jī)熱管理和國六排放的需求，發(fā)動機(jī)在渦輪增壓器排氣端增加了ETV 節(jié)流閥。當(dāng)發(fā)動機(jī)ETV 節(jié)流閥打開時，異響消失；當(dāng)發(fā)動機(jī)ETV 閥關(guān)閉時，異響發(fā)生，體現(xiàn)在130Hz 頻率下存在較大的聲壓。此噪音是在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率32.5Hz 及其倍數(shù)頻率下產(chǎn)生，產(chǎn)生原因是由于ETV 節(jié)流閥頻繁的開閉使渦輪增壓器處氣流的壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生氣流壓力脈動，當(dāng)脈動頻率與進(jìn)氣氣流頻率一致時，就會產(chǎn)生共振噪聲。對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其氣流固有模態(tài)為130Hz，同時對噪聲進(jìn)行試驗(yàn)分析，也發(fā)現(xiàn)在130Hz 下，系統(tǒng)存在聲壓峰值。說明氣流脈動激勵的頻率與進(jìn)氣氣流固有頻率相同，均為130Hz，所以產(chǎn)生氣流共振噪音。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)

為消除共振噪音，解決國六柴油發(fā)動機(jī)異響問題，需要在空氣濾清器和渦輪增壓器之間的管路上增加一個擴(kuò)張式消聲器。

擴(kuò)張式消聲器（如圖1）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，入射聲波與反射聲波相互抵消從而達(dá)到消減噪聲的作用。

圖1 擴(kuò)張式消聲器示意圖

進(jìn)氣系統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)的第一個問題是消音容積。消音容積一般是指空氣濾清器和進(jìn)氣消音器的容積之和。一般來說，消音容積越大越好。對擴(kuò)張消音器來說，其容積越大，傳遞損失可以調(diào)節(jié)的頻帶也就越寬，傳遞損失也可能增加；其次，擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失也取決于擴(kuò)張比（擴(kuò)張腔的截面積與管道截面積之比），擴(kuò)張比增加，傳遞損失就隨之增加。

空氣濾清器本身就是一種擴(kuò)張式消聲器，但在降噪效果上能力有限，故需要在空氣濾清器與增壓器之間串聯(lián)一個擴(kuò)張式消聲器，增加消音容積，使聲音傳遞損失增大，從而達(dá)到降噪的效果。

結(jié)合整車的安裝布置空間和發(fā)動機(jī)的NVH 性能要求，經(jīng)分析，設(shè)計(jì)一個擴(kuò)張式消聲器，消音容積為40L，安裝在空氣濾清器與渦輪增壓器之間的管路上，如圖2 所示。

圖2 擴(kuò)張式消聲器安裝圖

3 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)有限元分析

為了模擬增加擴(kuò)張式消聲器后進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲效果特性，對包含擴(kuò)張式消聲器、空氣濾清器、進(jìn)氣管路等部件的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了聲學(xué)有限元分析。圖3 為安裝擴(kuò)張式消聲器進(jìn)氣系統(tǒng)有限元模型。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)有限元模型

采用聲學(xué)專業(yè)分析軟件計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力分布情況。仿真時在空氣濾清器進(jìn)氣口設(shè)為無反射邊界，增壓器進(jìn)氣管出口截面加載1W 的聲功率，求得進(jìn)氣系統(tǒng)的聲音傳遞損失曲線如圖4 所示，聲壓分布如圖5 所示。

圖4 聲音傳遞損失曲線

圖5 130Hz 時聲壓分布

從圖5 可以看出，安裝擴(kuò)張式消聲器的進(jìn)氣系統(tǒng)在頻率為130Hz 時，聲音傳遞損失增加了17.72dB，傳遞損失增加的頻帶較寬，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在理論分析的基礎(chǔ)上，制作了擴(kuò)張式消聲器樣件，并在實(shí)車上做驗(yàn)證試驗(yàn)。測試時，整車定置怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)ETV節(jié)流閥完全關(guān)閉。傳聲器置于離發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口1m，離地高度1.2m 處位置，并垂直指向汽車側(cè)面，測試發(fā)動機(jī)整體噪聲和130Hz 下的噪聲，測試結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)測試結(jié)果

從表1 可以得出，安裝擴(kuò)張式消聲器后，可降低發(fā)動機(jī)總成1 米噪音3.5dB，降低130Hz 噪音20.6dB，可有效解決國六柴油發(fā)動機(jī)異響問題。

5 結(jié)論

對于國六柴油發(fā)動機(jī)因增加ETV 節(jié)流閥引起的異響問題，在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加擴(kuò)張式消音器，經(jīng)過理論分析及實(shí)車驗(yàn)證，降噪效果顯著，滿足了設(shè)計(jì)要求，提高了整車的NVH性能。