基于WAVE的某增压汽油发动机进气系统噪声分析及优化

陈友祥，欧阳彩云，王金立，刘芯娟，李凯

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

基于WAVE的某增压汽油发动机进气系统噪声分析及优化

陈友祥，欧阳彩云，王金立，刘芯娟，李凯

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章基于WAVE软件建立某增压发动机工作过程及进气系统仿真模型，后对该发动机进气系统进行一维噪声分析，并在此基础上通过增加相应的消声装置对该进气系统进行优化，从而在进气系统开发初期就对潜在的进气噪声问题进行管控。

WAVE；进气系统；噪声

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.006

CLC NO.:U464.9 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-14-03

引言

当前 NVH（噪声、振动与舒适性）性能已经成为评价汽车品质的一个重要指标。进气系统噪声作为汽车的一个重要噪声源日益引起重视，通过降低进气系统的噪声对提升汽车舒适性和顾客的驾驶体验起到越发重要的作用。本文通过使用WAVE仿真分析软件，对某增压发动机进气系统进行一维噪声分析，从而在进气系统设计开发初期就对潜在的噪声问题进行管控，使该进气系统达到最优。

1、WAVE软件简介及工作原理

WAVE软件是里卡多公司开发的用于发动机系统设计和仿真的计算机辅助计算软件。

WAVE基于管内或有限容积的一维流动理论的有限差分计算进行流体动力学和热力学的时域求解。通过该软件可以建立复杂的进排气系统管路的一维气体动力学模型，并通过将流体零部件连接到气缸等装置上，用以预测进排气系统的噪声。

WAVE提供了一套完整的以基于时间坐标的流体动力学和一维热力学模型的公式和算法。其以版面的形式建立复杂的可压缩的网格，同时利用WAVE中的机械元件库进行建模。该机械元件库包括发动机的气缸、活塞、涡轮增压器等加上管状网络组成了规律流动。

WAVE工作包括三个阶段：前处理、求解和后处理。完成模块搭建和参数设定后，便可以对所建立的模型进行调试计算，然后参数调试后便可以使用。

2、 发动机及进气系统模型建立

2.1 发动机模型建立

将实际的复杂的发动机及进气系统分解为若干个容易处理的子系统，并运用WAVE软件中提供的模块建立相应的物理模型。包括布置发动机气缸、涡轮增压器、进气管路，同时设定管路尺寸和初始状态（压力、温度等），需保证进气管路WAVE模型与实际结构尺寸的近似准确。结构模型如图1。

图1 发动机WAVE模型

2.2 进气管路WAVE模型建立

2.2.1 管路内流体流动模型

假定在管路内的气体流动是一维的，对于每一流动参数均可理解为在相应管面上的平均值，管内流动参数随时间t剧烈变化。进气管路以交错网络的形式离散为一系列微小体积，遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。

2.2.2 管路压力损失模型

在WAVE中，进气管路可以使用DUCTS和JUNCTIONS组成管网表示，根据不同的管路设定相应的压力损失系数。

2.2.3 管路离散长度

为了分析进气系统噪声，一般进气管路离散长度取缸径的0.15-0.2倍，进气管路的WAVE模型见图2。

图2 进气系统WAVE模型

2.3 模型参数设定

2.3.1 发动机气缸参数设定

包括缸径、冲程、连杆长度、活塞偏心距、点火顺序及相关燃烧特性、热传递等方面的参数。以上相关参数根据该发动机实际的结构参数同时选取WAVE中提供的类似模型。

2.3.2 状态参数设定

状态参数包括进气状态、排气状态及喷油量等。以上参数根据该发动机在试验台架中测得的数据及经验值添加。

2.4 功能控件添加

为了方便数据处理及实时控制，需要添加WAVE软件中的PLOT、SENSOR、ACTUATOR等控件，其中ACTUATOR用于处理SENSOR反馈的数据，并按要求进行仿真。

在本模型中添加了ACTUATOR有1.摩擦平均有效压力2.喷油时刻3.空燃比4.喷油时间5.50%燃烧点的位置6.燃烧持续时间（10%-90%）7.涡轮转速8.废气旁通阀工作区域9.进气门相位10.排气门相位，见图3。

图3 功能控件设置

3、进气系统噪声仿真及优化

在以上建立的发动机及进气系统WAVE仿真模型基础上，运行软件按指定步长和发动机运行循环（见图4）进行模拟计算，得到进气系统进气口噪声声压级曲线（见图5）和进气口噪声Colourmap图（见图6）。

图4 发动机工作循环

图5 进气口噪声声压级曲线

图6 进气口噪声Colourmap图

由WAVE仿真结果可以看出，该发动机进气系统存在中心峰值频率为266HZ、375HZ和690HZ的噪声。

为了降低上述中心频率段的噪声，分别在进气管路中增加相应频率的消声器。为了降低266HZ中心峰值频率噪声，同时考虑管路空间布置，在进气管路中增加对应频率的赫尔姆兹消声器，具体参数见表1。

表1

通过增加上述赫尔姆兹消声器后，进气口处声压级曲线和Colourmap见图7和图8,266HZ中心峰值噪声得到大幅度降低。

图7 进气口噪声声压级曲线

图8 进气口噪声Colourmap图

为了降低375HZ中心峰值频率噪声，在进气口中增加对应频率的赫尔姆兹消声器，具体参数见表2。

表2

通过增加上述赫尔姆兹消声器后，进气口处声压级曲线和Colourmap见图9和图10, 375HZ中心峰值噪声得到大幅度降低，整体进气口噪声得到进一步降低。

图9 进气口噪声声压级曲线

为了降低690HZ中心峰值频率噪声，在进气管中增加1/4波长管，具体参数见表3。

表3

图10 进气口噪声Colourmap图

通过增加1/4波长管后，进气口处声压级曲线和Colourmap见图11和图12，690HZ中心峰值噪声得到大幅度降低，整体进气口噪声处于较优水平。

图11 进气口噪声声压级曲线

图12 进气口噪声Colourmap图

4、结论

本文通过运用WAVE仿真分析软件，在某增压发动机进气系统初期设计开发过程中，对进气系统进行一维噪声分析，并设计相应的消声元件。在进气系统设计开发阶段就对潜在的噪声问题进行管控，避免后期进气系统完全确定后由于进气噪声问题，对进气系统进行大规模变更，造成成本浪费和开发周期的延长。

[1] 庞剑,谌刚,何华等.汽车噪声与振动,北京理工出版社.2006.

[2] 贾维新.发动机结构噪声和进气噪声的数字化仿真及优化设计研究.博士学位论文.

[3] 陈岳昌.发动机进气系统噪声优化.2007年CDAJ－China 中国用户论文集.

Acoustic Analysis And Optimization Of A Turbocharger Gasoline Engine Intake System Based On WAVE

Chen Youxiang, Ouyang Caiyun, Wang Jinli, Liu Xinjuan, Li Kai
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd.,Technology center, Anhui Hefei 230601）

It was based on WAVE to establish the engine working and intake system simulation model in the paper. According to the model, intake system acoustic 1D analysis was carried out and optimized by adding resonators, which to manage and control the potential intake noise problem in the initial design phase.

WAVE; Intake System; Acoustic Noise

U464.9

A

1671-7988(2016)01-14-03

陈友祥，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。