某发动机进气系统噪声优化分析

孙影，雷蕾，昂金凤，谈健，王强

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230000)



某发动机进气系统噪声优化分析

孙影，雷蕾，昂金凤，谈健，王强

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230000)

为解决某款自然吸气发动机出现的进气口噪声问题，基于GT-Power软件搭建相应的一维气动噪声仿真模型；通过提取噪声频率map图以及全转速下的进气噪声SPL曲线识别出目标频率；针对目标频率设计出对应消声器的结构尺寸，并将消声器匹配到进气管路中，重新提取进气口噪声。结果表明，降噪效果显著。

进气噪声；消声器设计；降噪

0　引言

随着人们对汽车舒适性要求的提高，汽车NVH特性成为消费者购车的重要指标，因此，汽车厂商将更多力量投入这方面的研究[1]。在汽车噪声中，发动机噪声占主要成分[2]，而进气噪声是发动机噪声的主要声源之一[1]。文中就某款自然吸气汽油发动机的进气噪声问题进行优化分析。

1　问题描述

进气门周期性开闭必然引起进气管道内空气压力和密度起伏变化，从而形成空气动力性噪声，也就是进气噪声[3]。主要包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的赫姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。

在半消声室环境下的噪声试验中，某款自然吸气汽油发动机进气口处噪声明显。为进一步识别该进气噪声，基于CAE仿真软件建立相应的一维气动噪声模型并进行优化分析。

2　模型标定及进气噪声仿真分析

热力学结果的正确性是噪声结果可信的基础，因此首先对该款发动机的热力学性能进行精标定。

将仿真结果与试验数据进行对比，通过调整进气道的温度、空滤及进气管路的壁面摩擦阻力系数、气缸内的对流换热系数因子、排气道壁面温度以及对流换热系数因子等参数，使进气量、进气压力、排气背压、排气温度、功率、扭矩、油耗率等都达到比较好的情况，误差控制在3%以内。如图1—3所

示：功率、扭矩、比油耗仿真分析结果与试验结果在数值上与曲线形状上吻合性均较好，表明该模型热力学性能合理，可以用于后续的进气噪声分析。

运行精标定后的一维气动噪声仿真模型，并提取进气口处的噪声。该噪声通过设置传感器，由虚拟麦克风进行采集，虚拟麦克风轴线与进气口轴线呈45°，并距离进气口100 mm。

图1　扭矩试验值与计算值对比结果

图2　功率试验值与计算值对比结果

图3　比油耗试验值与计算值对比结果

读取虚拟麦克风采集到的进气噪声频率map，如图4所示。进气噪声频率map显示：在低频(250 Hz以下)和中高频(500～750 Hz)存在共振带。为进一步确定目标频率，读取全转速下的进气噪声SPL(Sound Pressure Level)曲线，如图5所示，可以看出：193和613 Hz时进气口噪声声压值较大，分别为120.15和102.89 dB(A)。这两个峰值频率与噪声频率map图采集到的共振带中心频率基本吻合，故将其确定为该发动机进气噪声优化的目标频率。

图4　进气口噪声频率map图

图5　进气口噪声曲线

3　消声器设计

进气系统声学优化基本使用抗性消声器[5]，主要是利用通道中声抗的突变反射部分声能，从而起到消声的作用。抗性消声器包括扩张腔式消声器、1/4波长管、赫姆霍兹消声器等。不同种类消声器适用的消声频段不同，赫姆霍兹消声器主要用于消除低频段噪声，而1/4波长管受本身结构的影响，一般用于消除中高频段噪声，因此，针对193 Hz主共振峰值选用赫姆霍兹消声器，针对613 Hz主共振峰值选用1/4波长管。

3.1赫姆霍兹消声器

赫姆霍兹消声器一般由共振腔和连接管组成，连接管与进气系统相连，如图6所示。

图6　赫姆霍兹消声器

赫姆霍兹消声器的消声频率计算公式为：

(1)

式中：c为声速(m/s)；V为空腔体积(m3)；L为连接管的长度(m)；r为连接管半径(m)。

针对193 Hz主共振峰值设计的赫姆霍兹消声器结构参数为：空腔(立方体)容积V=93.5×93.5×93.5 mm3、连接管长度L=40 mm、连接管半径r=15 mm。

3.21/4波长管

1/4波长管是一种典型的被动消声器，是安装在主管道上的一个封闭的管子，如图7所示。当声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管道，某些频率的声波与主管道中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，达到消声的目的。

图7　1/4波长管

1/4波长管的消声频率计算公式为：

(2)

式中：c为声速(m/s)；L为管子长度(m)。

针对613 Hz主共振峰值设计的1/4波长管结构参数为：管子长度L=140 mm，管子直径d=50 mm。

3.3消声器建模

按照设计好的赫姆霍兹消声器和1/4波长管的结构尺寸在GEM3D中建立对应的消声器模型，分别如图8、9所示。离散为gtm模型，供GT计算时调用。

图8　赫姆霍兹消声器模型

图9　1/4波长管模型

4　进气噪声优化

将赫姆霍兹消声器及1/4波长管的gtm模型分别匹配到发动机空滤前的管路段中，如图10所示。

图10　消声器匹配图

分别再次运行匹配赫姆霍兹消声器和1/4波长管后的模型，并提取进气口噪声数据，如图11、12所示

图11　匹配赫姆霍兹消声器后进气口噪声曲线

图12　匹配1/4波长管后进气口噪声曲线

从图11可以看出：匹配赫姆霍兹消声器后，进气口噪声在全频率范围内的最大声压值为103.75 dB(A)@126.67 Hz，比匹配前的发动机进气口噪声声压值降低16.4 dB(A)。

从图12可以看出：匹配1/4波长管后，进气口噪声在全频率范围内的最大声压值为118.14 dB(A)@193.33 Hz，比匹配前的发动机进气口噪声声压值降低2.01 dB(A)。

5　结论

(1)基于CAE仿真软件并结合实际噪声问题，建立了相

应的一维气动噪声仿真模型；

(2)通过仿真分析，提取噪声频率map图以及全转速下的进气噪声SPL曲线，识别出目标消声频率；

(3)针对193 Hz目标频率设计赫姆霍兹消声器。匹配后，进气口噪声在全频率范围内的最大声压值为103.75 dB(A)，比原进气口噪声降低16.4 dB(A)；

(4)针对613 Hz目标频率设计1/4波长管。匹配后，进气口噪声在全频率范围内的最大声压值为118.14 dB(A)，比原进气口噪声降低2.01 dB(A)。

【1】王小龙，陆静，王亚运，等.1/4波长管参数对发动机进气噪声的影响研究[J].汽车实用技术，2013(9):49-51.

WANG X L，LU J，WANG Y Y，et al.Effect of Parameters of 1/4 Wave Length Tube on Engine Intake Noise[J].Automobile Applied Technology,2013(9):49-51.

【2】邵恩坡，程汉华.发动机进气噪声产生的机理及其控制[J].小型内燃机，1994(4):44-47.

【3】杨诚，邓兆祥，阮登芳，等.进气噪声产生机理分析及其降噪[J].汽车工程，2005,27(1):68-71.

YANG C，DENG Z X,RUAN D F,et al.The Generation Mechanism and Reduction Measures of Engine Induction Noise[J].Automotive Engineering，2005,27(1):68-71.

【4】刘永长.内燃机原理[M].武汉:华中科技大学出版社,2001:172-179.

【5】庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京：高等教育出版社，2002.

Optimization and Analysis of Engine Intake System Noise

SUN Ying，LEI Lei，ANG Jinfeng，TAN Jian，WANG Qiang

(Research & Development Center, Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230000,China)

To solve the problem of intake system noise in a natural gasoline engine, GT-Power software was used to established the corresponding one-dimensional aerodynamic noise simulation model; the target frequency was distinguished by extracting the noise-frequency map diagram and the intake system noise SPL curve; for the target frequency, corresponding muffler was designed, and it was matched to the intake pipe, the noise of intake system was extracted after re-running the simulation model. The result shows that the denoising effect is obvious.

Intake system noise; Muffler design; Denoising

2016-05-15

孙影(1986—)，女，硕士研究生,助理工程师，主要从事发动机NVH及性能分析。E-mail:ying860225@163.com。

U464

A

1674-1986(2016)08-033-04