基于GT-POWER模型的某整车进排气系统噪声分析及优化

高东东，范习民，王金立

(江淮汽车股份有限公司, 安徽合肥 230601)



基于GT-POWER模型的某整车进排气系统噪声分析及优化

高东东，范习民，王金立

(江淮汽车股份有限公司, 安徽合肥 230601)

为了解某发动机搭载整车的噪声情况，应用GT-POWER软件对整车的进排气系统噪声进行计算。首先在软件环境中建立发动机的热力学模型，并按照台架实验的数据进行标定；然后导入消声器、空滤器等详细模型，添加声学传感器，对整车进、排气系统与发动机进行耦合噪声分析，并依据分析结果提出了有效的优化建议。

GT-POWER软件；进、排气系统；噪声分析；优化

0 引言

发动机进、排气系统噪声属于空气动力噪声，是由于气体扰动以及气体与其他物体的相互作用而产生的。空气动力噪声直接向大气辐射，在发动机噪声的组成当中，如果不安装消声器，排气噪声的声压级是最大的，其次是进气和风扇噪声[1]。

排气噪声最直接的噪声源为尾口辐射噪声，其大小及频谱特性不仅与发动机性能有关，还与消声器的消声特性有关。匹配排气系统时发动机已确定，只能通过调节管路尺寸及消声器的消声性能来控制尾口噪声，因此评价消声器消声性能的主要指标有声压级差、插入损失、传递损失等。

进气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一。进气系统的噪声主要是指进气口处的噪声，这个噪声源离车厢的距离很近，所以对车内噪声贡献非常大[2]。

汽车进、排气系统由管道和消声元件组成，声音沿着管道的轴向传播，轴向尺寸远远大于其他两个方向的尺寸，因此通常可以用一维声学来分析进、排气管中声的传播特性。用GT-POWER建立的一维模型较为简单，可以用于“进气→发动机→排气”系统性能的初步分析，具有较高的精确度。

作者对一款成熟发动机匹配整车进行一维气动噪声分析，以对整车进、排气系统的NVH性能进行预测和评价。

1 计算模型

根据发动机及整车进、排气系统的实际几何尺寸和特性参数搭建GT-POWER一维计算模型。模型主要分为进气系统模型、发动机模型和排气系统模型。

选择合适的元件，输入相关几何参数和特性参数，并进行正确连接，得到的发动机本体GTM模型如图1所示。

设计部门给的进、排气管路模型是三维实体模型，无法直接使用，需要经过以下步骤才能得到可用的一维模型：(1)对Hypermesh三维模型内表面进行提取、修补和网格划分，导出stl格式；(2)用GEM3D模块导入步骤(1)中生成的stl格式模型进行GEM处理，完成后离散成GT-ise能够识别的一维模型。图2—5为前消声器模型处理过程截图。

图2 前消声器三维实体模型

图3 前消声器网格模型

图4 前消声器GEM3D环境中模型

图5 前消声器离散后的GTM模型

2 发动机模型的校准

为了验证计算模型的正确性，必须采用实验数据对其进行标定。即通过实验数据修正GT-POWER模型参数，使计算结果逼近实验测量结果。文中依据实验数据进行外特性标定，标定结果如图6—9所示。各个外特性工况点计算值与实验值吻合较好，可以进行进、排气口噪声预测及插入损失计算。

图6 进气流量

图7 催化后压力

图8 扭矩

图9 比油耗

3 进排气系统与发动机耦合噪声分析

图10 进排气系统与发动机耦合模型

在前面校准模型的基础上，新建空滤器、前消声器和后消声器组件，导入对应的GTM模型，完成内部局部装配，完整模型如图10所示。

3.1 进气口辐射噪声分析

麦克风按照实验标准进行布置，距离进气口100 mm，45°方向。通过计算，进气口A计权噪声如图11所示。可以看出如下两点：

(1)总噪声曲线与考虑气流摩擦的总噪声曲线几乎重合，说明气流摩擦噪声对进气口噪声的贡献可以忽略，空气噪声占主要成分。

(2)进气口最大噪声为113 dB(A)@6 000 r/min。其中：8阶次噪声峰值在4 500 r/min且逼近总噪声线，4阶次噪声的峰值在5 500 r/min且逼近总噪声线，6阶次噪声峰值在6 000 r/min且逼近总噪声线。建议设计合适的消声器来削弱对应频率(367和600 Hz)噪声，以降低进气口总噪声水平。

图11 进气口A计权噪声结果

图12为进气口噪声频率map图，可以直观看出进气口噪声分布情况，阶次噪声占主导地位。

图12 进气口噪声map图

3.2 排气口辐射噪声分析

麦克风按照实验标准要求进行布置，距离排气口500 mm，45°方向。通过计算，得出排气口A计权噪声如图13所示。可以看出如下3点：

(1)排气口最大噪声为97.4 dB(A)@6 000 r/min，总噪声随转速增加平缓增大，声品质较好。

(2)气流摩擦噪声对排气口噪声的贡献随转速逐渐增大:2 000 r/min以后，摩擦噪声占主要成分;4 000 r/min以后，尾管噪声完全由摩擦噪声决定。

(3)1 000～2 000 r/min，4阶噪声对总噪声的影响最大；2 000 r/min以后，2阶噪声是总噪声的主要成分。

图13 排气口A计权噪声结果

图14为排气尾口噪声频率map图，可以直观看出阶次噪声和气流速度对总噪声的影响。显而易见:4 000 r/min以后，尾管噪声完全由摩擦噪声主导。建议增加尾管直径，降低流速，以减小摩擦噪声。

图14 排气尾口噪声map图

4 进、排气口噪声优化

4.1 进气口噪声优化

根据前述进气口噪声的计算结果，需要设计消声元件来减少中心频率为367和600 Hz的噪声对总噪声的贡献。设计一个赫姆霍兹消声器来减小367 Hz噪声成分，600 Hz的噪声成分采用1/4波长管来消除。

利用GT-POWER试算赫姆霍兹消声器的传递损失，得出共振频率为367 Hz的赫姆霍兹消声器尺寸如表1所示。

表1 霍姆霍兹消声器尺寸

利用理论公式计算消声频率为600 Hz的1/4波长管长度为143.5 mm，直径初步设为40 mm。

添加霍姆霍兹消声器和1/4波长管后的三维模型和一维模型变动情况如图15所示。

图15 优化后的模型(三维和一维)

对优化后模型进行重新计算，并将优化前后结果进行对比,如图16—20所示。

图16 4阶噪声对比图

图17 6阶噪声对比图

图18 8阶噪声对比图

图19 总噪声对比图

4阶噪声在5 500 r/min时减少了13.4 dB(A)，8阶噪声在4 500 r/min时减少了24.7 dB(A)，6阶噪声在6 000 r/min时减少了24.3 dB(A)。进气总噪声最大减少了6.8 dB(A)。因此，可以认为优化效果比较明显，优化建议可为后期详细设计提供参考。

4.2 排气口噪声优化

将排气尾管直径由42 mm增加到52 mm，气流摩擦噪声有明显的减少，最大减少量为6 dB(A)，如图20所示。因此，通过增大排气尾管直径来降低尾口摩擦噪声的建议是有效的。

图20 优化前后的摩擦噪声对比图

5 结论

利用GT-POWER软件对公司某整车的进、排气系统气动噪声进行分析，并基于分析结果提出了有效的优化方案。根据上述分析结果可以得出如下4点结论：

(1)气流摩擦噪声对进气口噪声的贡献可以忽略，空气噪声占主要成分。

(2)进气口阶次噪声8阶@4 500 r/min、4阶@5 500 r/min、6阶@6 000 r/min对总噪声的贡献非常大，初步设计了赫姆霍兹消声器和1/4波长管，有效衰减了这3个点的噪声，并降低了总噪声。

(3)排气口最大噪声为97.4 dB(A)@6 000 r/min，总噪声随转速增加平缓增大，声品质较好。

(4)高转速时排气尾口的气流摩擦噪声主导总噪声的大小，通过增大尾管直径的方式，可以减小摩擦噪声。

【1】石来华,冯仁华.基于GT-POWER模型的发动机进气系统优化[J].客车技术与研究,2010,32(3):18-21.

SHI L H,FENG R H.Optimization of Intake System of Gasoline Engine Based on GT-POWER Model[J].Bus Technology and Research,2010,32(3):18-21.

【2】庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

【3】马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社,2002.

【4】黄进,杨凯,黄文兵.进气管路长度对进气噪声的影响[J].农业装备与车辆工程,2013,51(5):65-67.

HUANG J,YANG K,HUANG W B.The Effect of Air Duct Length to Intake Noise[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2013,51(5):65-67.

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(来源：埃克森美孚)

Analysis and Optimization of Intake and Exhaust Systems Noise of a Vehicle Based on GT-POWER Model

GAO Dongdong,FAN Ximin,WANG Jinli

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

In order to know the noise of a gasoline engine matching vehicle, intake and exhaust systems noise of the vehicle was calculated by GT-POWER. Engine’s thermodynamic model was built in the software environment, and the model was verified by engine experiment data. Importing muffier and air filter models, adding acoustic sensor to the model, noise coupling analysis of vehicle’s intake and exhaust systems and engine was done, and the effective optimization proposals were present on the basis of analysis results.

GT-POWER software; Intake and exhaust systems; Noise analysis; Optimization

2016-07-02

高东东(1984—)，男，工程硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为发动机性能分析。E-mail:goden1001@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.003

TG548

A

1674-1986(2016)09-011-06