涡轮增压发动机进气噪声控制分析

杜爱民，邵长慧，冉超，魏娜

(1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海索菲玛汽车滤清器有限公司，上海 201707)*



涡轮增压发动机进气噪声控制分析

杜爱民1，邵长慧1，冉超2，魏娜1

(1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.上海索菲玛汽车滤清器有限公司，上海 201707)*

针对某涡轮增压发动机进气系统，利用GT-POWER软件进行进气系统噪声建模仿真，分析其进气噪声总值，确定降噪频率段.针对降噪频率段，利用赫姆霍兹共振原理设计一组共振腔消声器，并对共振腔的消声性能进行仿真.结果表明，安装共振腔后，该涡轮增压发动机进气系统噪声总值低于目标限值，满足设计要求.

赫姆霍兹共振腔消声器；共振频率；GT-POWER；涡轮增压发动机

0 引言

涡轮增压发动机作为一种高效、节能、环保型产品，应用日渐普及.但涡轮增压发动机的噪声问题也日益突出.随着排气消声器的不断改进，排气噪声逐步得到控制，进气噪声问题得以凸显.内燃机进气噪声主要包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的Helmholtz共振噪声等，涡轮增压发动机还包括压气机的气动噪声[1].其中，发动机工作时，进气阀的周期性开闭引起管道内高速气流在进气管道各接口处产生气流分离和漩涡，从而产生周期性的压力脉动.压力脉动噪声具有阶次性[2-3]，是涡轮增压发动机进气噪声的主要组成.

发动机噪声一般是从路径上控制，即加装各种类型的消声器.目前消声器主要有两种，一种是利用声波传递时遇到的结构上的突变或利用声波发生反射、干涉等变化来使其传递的能量衰减，按照这种原理设计的消声器为抗性消声器[4-5].抗性消声器对中低频的噪声消音效果较好；另一种是利用在声波传递路径上加吸声材料来吸收声波的能量，根据这个原理设计的消声器为阻性消声器[6].由于抗性消声器结构简单、成本较低，耐潮湿性和耐高温性相对较好，具有较高的传递损失，因此应用广泛.常用的抗性消声器种类有扩张式消声器、旁支结构(1/4插入管和赫姆霍兹共振腔结构)消声器、干涉结构消声器等[7-8].本文针对某涡轮增压汽油机进气系统噪声进行分析，利用GT-POWER软件进行建模仿真，设计一组抗性消声器，安装在空气滤清器干净侧管路处，使之达到目标降噪效果.

1 消声器降噪目标

本次仿真和设计所针对的某涡轮增压发动机排量为1.5 L，流量为122 g/s.首先对其进气系统进行噪声的仿真提取和分析，确定目标降噪的频率范围，然后有针对性地进行消声器设计.要求在1 000～6 000 r/min转速范围内，进气系统总噪声低于目标限值，具体降噪目标如表1所示.

表1 降噪目标

2 原始进气系统声学性能分析

2.1 建立进气系统仿真模型

本文利用GT-POWER软件对进气系统进行建模.利用GT-POWER软件对发动机进气系统建模有两种方法.一种是直接在GT-POWER的零件库中调出各种管、管接头的模块，在其中进行各种参数，比如管直径、长度、三通管的各个方向的角度、容积、弯管角度等的设置，然后将各个部分连接起来形成进气系统.另一种方法是利用GEM3D将3D格式的三维模型转换成GT-POWER识别的.gtm格式文件[8].本文对空气滤清器进管和出管处采用自由离散，分别调出管和管接头的模块进行参数设置与连接.而对于空气滤清器壳体，则采用GEM3D中离散的方式.图1为进气系统CAD模型在GEM3D中离散的模块分解示意图.

图1 进气系统在GEM3D中离散分解模块

空滤器在GEM3D界面下离散后的模型如图2所示.将离散化模型封装到子模块中，与空滤器进管和出管模型连接起来，设置每个模块的具体参数，就完成了进气系统的软件建模.

图2 空滤器的离散化模型

为了得到该发动机原始进气系统的声学性能，将空滤器离散模型与发动机模型进行耦合，定义相关参数，并加入诸如声压传感器、麦克风等模块，构成如图3所示的整机进气系统噪声仿真模型.其中，根据要求[7]，麦克风的放置位置为距离进气系统前方100 mm×100 mm，斜向上45°处.

图3 进气系统噪声仿真模型

2.2 进气系统噪声仿真结果分析

在软件环境下，设置仿真运行的工况和边界条件，计算得到进气噪声仿真值，具体结果可在GT-Post中查看.图4表示发动机在1 000～6000r/min转速下的进气噪声值.其中横坐标表示发动机转速，纵坐标表示噪声声压级.实线为总噪声仿真值，而虚线表示目标限值.

图4 发动机各转速下的进气噪声值

由仿真结果可知，发动机转速在1 000 ～3750r/min时，进气系统总噪声值明显高于目标值，且在1 000 ～4 000 r/min范围内，每隔1 000 r/min就会出现一个噪声小高峰.在高于3 750 r/min转速时，噪声总值低于目标值；而当转速在3 750～4000r/min范围时，噪声随转速的增加而下降；4000r/min以上转速时，噪声变化不大.

图5为得到的涡轮增压发动机进气系统噪声频谱图.其中，横坐标为噪声频率，纵坐标为发动机转速.可知，在转速1 000 ～4 500 r/min范围内，噪声频率分布不均匀.相比较750～1 000 Hz频率段，频率750 Hz以下的噪声声压明显较高.其中，在117、300、500 Hz附近的噪声尤其严重，如图5中三个方框标注所示.因此，如何有针对性地对频率117、300、500 Hz附近的噪声进行消噪，同时降低总噪声值，直至满足目标要求，将是本次消声器设计的重要方向.

图5 进气系统噪声频谱图

3 消声器设计和性能仿真分析

抗性消声器由于其耐高温，耐腐蚀，结构简单等性能，在发动机降噪消声方面一直有广泛应用[9].其中，赫姆霍兹共振消声器结构最为简单.且对发动机进气系统不需要做过多改动.考虑到成本和安装尺寸的要求，优先设计赫姆霍兹共振腔消声器，安装在空滤器出口干净侧管路.

3.1 赫姆霍兹消声器设计

赫姆霍兹消声器属于旁支消声结构，基本结构如图6所示.封闭腔通过一个管子连接到进气管，形成共振腔.当噪声在进气管中传播，达到共振腔的连接管时，部分声波进入共振腔中或者推动共振腔中气体运动，从而使声能转化为动能能量，通过能量的转换使声能降低，达到降噪目的.同时，由于流动截面的突变而产生的声阻，也能对噪声起到衰减作用[10-11].

图6 赫姆霍兹消声器基本结构

空气在消声器中共振时频率为：

(1)

其中，c0为声速(m/s), A为连接管截面积(m2), L为连接管长度(m), V为共振腔体积(m2),F为共振频率(Hz).

赫姆霍兹消声器的传递损失为：

(2)

其中，Ap为主管横截面积(m2),f0为主管中所传声波频率(Hz).

从式(1)、(2)可以看出，赫姆霍兹共振腔共振频率仅与连接管的截面积即连接管直径、连接管长度以及共振腔体积大小有关，与共振腔结构形状无关.而且，这三个参数也直接影响着噪声的传递损失.赫姆霍兹共振腔可大大降低共振频率附近的噪声，根据对该涡轮增压发动机进气系统噪声阶次谱图的分析，分别针对117、300、500 Hz频率噪声段设计共振腔.同时考虑到进气系统安装限制，根据式(1)和(2)，设计共振腔尺寸如表2所示.

表2 赫姆霍兹共振腔尺寸设计表

3.2 赫姆霍兹消声器仿真和性能分析

将设计的三个赫姆霍兹共振腔在GT-POWER软件中按照进气系统中气流的方向建模，并安装在空滤器干净侧管路处，如图7所示.

图7 GT-POWER中赫姆霍兹共振腔模型

在加入共振腔的进气系统模型中，再次进行进气噪声的仿真计算，得到在安装赫姆霍兹共振腔后，进气系统在发动机各转速下的噪声值，如图8所示.其中，横坐标表示发动机转速，纵坐标表示噪声总值.虚线代表目标限值，实线代表仿真值.

图8 安装赫姆霍兹共振腔后发动机各转速下的进气噪声值

由仿真结果可知，在发动机转速1 500 ～6000r/min之间，安装赫姆霍兹共振腔后的进气噪声明显低于目标限值，而且在转速大于3 800 r/min范围内，随着发动机转速的提高，发动机噪声值明显下降.在1 000 ～1 500 r/min范围内，仿真噪声值虽略大于目标值，但超标噪声在10 dB(A)以内，就整个进气系统而言，可以忽略.因此可知，在安装三个赫姆霍兹共振腔后，该涡轮增压发动机进气系统噪声得到有效控制，总噪声值满足目标要求.

综上所述，根据进气系统安装共振腔前后噪声情况的建模和仿真，可知安装赫姆霍兹共振腔消声器后，总噪声得到有效降低，基本满足降噪要求.本次对三个共振腔的设计是可取的.

4 结论

(1)通过GT-POWER对某涡轮增压发动机建立进气系统噪声仿真模型，仿真得到进气系统噪声总值随发动机转速变化的关系，以及噪声阶次谱图.确定在频率为117、300、500 Hz附近，噪声声压级最高，需要针对性设计赫姆霍兹消声器来进行降噪;

(2)根据赫姆霍兹共振腔工作原理设计共振腔，即分别设计共振腔的连接管直径、长度和共振腔体积.将设计的赫姆霍兹共振腔在GT-POWER软件中进行建模;

(3)在GT-POWER软件中，对安装有共振腔的进气系统噪声再次进行仿真，得到总噪声随发动机转速的变化关系，发现噪声总值基本在目标限值以下.说明安装赫姆霍兹共振腔后，进气系统噪声得到有效控制.本文对赫姆霍兹共振腔的合理设计和组合，对发动机的降噪有重要的理论和实践意义.

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Research on the Control of Noise Generated by Air-intake System in Turbocharged Engine

DU Aimin1，SHAO Changhui1，RAN Chao2，WEI Na1

(1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.Sofima Automotive Filter Company, Shanghai 201707, China)

Based on the air intake system, a model of the air intake system is constructed with GT-POWER to simulate the noise generation. Through the analysis of the total noise, the frequency of the noise to be reduced is determined, and the resonators for the frequency are designed according to the theory of Helmholtz. The result of the simulation indicates that the total noise from the air intake system is almost below target line with the resonators.

Helmholtz resonator muffler; resonant frequency; GT-POWER; turbocharged engine

1673-9590(2016)04-0072-04

2015-12-28

上海市产学研资助项目(青产学研2014-11)

杜爱民(1971-)，男，副教授，博士，主要从事发动机燃烧和NVH的研究E-mail:duaimin1971@aliyun.com.

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