发动机进气歧管对进气系统声品质的影响

王若平，洪 森

(江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

多缸发动机进气歧管内气体流动是非常复杂的三维非等嫡不稳定流动，各支管之间的相互干扰对进气系统声品质具有重要影响。本文利用GEM-3D建立中心进气歧管与旁支进气歧管的三维模型，并对三维模型进行离散化，导入到GT-POWER模型中，构建完整的发动机进气系统模型。采集虚拟的发动机进气噪声，运用GT-POST对比分析2种进气歧管对该发动机进气系统在加速与常用转速2种工况下进气噪声声品质的影响，总结出一般规律，为发动机进气系统的开发与设计提供方向与理论支持。

1 发动机进气系统的结构与噪声产生机理

1.1 发动机进气系统结构

进气系统可以分为2个部分：发动机进气多支管和空气进入系统。多支管系统包括进气分管和进气总管。空气进入系统包括进气控制阀、怠速进气通道、柔性连接管、1/4波长管、空气过滤器、赫姆霍兹消声器、前进气导流管和后进气导流管等。进气系统结构示意图如图1所示。

1.进气分管; 2.进气总管; 3.进气控制阀; 4.怠速进气通道; 5.柔性连接管; 6.后进气导流管; 7.1/4波长管; 8.空气过滤器; 9.空气过滤网; 10.赫姆霍兹消声器; 11.前进气导流管

图1 进气系统结构示意图

1.2 发动机进气噪声产生机理

当发动机工作时，高速气流经过空气滤清器、进气管、气门进入气缸，在此空气流动的过程中会产生强烈的空气动力噪声，其主要成分包括：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸赫姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。

发动机进气系统是调节动力系统声品质的关键系统，一般通过两方面来调节声音：本体设计和歧管设计。一方面，通过本体消声元件以及支路的设计，实现所需频率的声音，并消除一些不喜欢的声音。另一方面，通过进气歧管的设计来改变进气口的声音阶次。阶次调节与频率调节相配合，以此实现所期望的运动感声音、动力感声音、舒适感声音或豪华感声音。

进气歧管进气方式通过对周期性压力脉动噪声的调节，从而调节动力总成噪声中的阶次组成，进而实现声品质的改善。

2 搭建发动机进气歧管模型及离散处理

2.1 搭建发动机进气歧管模型

本文利用GEM-3D建立2种进气歧管的三维模型，该进气歧管由进气口、谐振腔、歧管3部分组成。如图2、3所示。

图2 旁支进气歧管

图3 中心进气歧管

为严格控制变量的个数，保证仿真的精确度，2种进气歧管差别在于进气口的位置不同，其余参数均保持一致。

2.2 模型的处理

采用GEM-3D软件与GT-POWER软件的耦合，对采用GEM-3D建立的歧管三维模型进行离散化，然后导入GT-POWER中。离散化的进气歧管如图4、5所示。

图4 中心进气歧管离散化模型

图5 旁支进气歧管离散化模型

3 GT-POWER控制方程与发动机基本参数

GT-POWER是以一维CFD为基础，采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软件，在计算进气系统流体状态时应用的基本控制方程为：

连续方程

动量方程

能量方程

利用离散化的发动机进气歧管模型与相关的发动机参数(表1)，在GT-POWER中搭建了2种进气歧管完整的发动机进气系统模型，采集2种歧管所产生的虚拟发动机进气噪声。2种歧管发动机进气系统模型如图6、7所示。

表1 发动机主要技术性能参数

图6 中心进气歧管发动机进气系统模型

图7 旁支进气歧管发动机进气系统模型

4 仿真结果分析

利用GT-POST对搭建的发动机模型采集到的虚拟发动机进气系统噪声进行后处理。对加速和常用转速3 000 r/min两种工况下的虚拟进气噪声进行相关声品质的客观分析。

4.1 加速工况下发动机进气噪声声品质分析

4.1.1 线性度

线性度指噪声随发动机转速变化曲线接近一根直线。由图8可知：在低转速下，2种歧管的进气方式对进气噪声的声压级影响基本一致，但随着转速的提高，节气门的开度增大，进气量加大，且流速更快，旁支进气歧管与中心进气歧管相比较，进气的不均匀性加大，从而导致歧管中传播的噪声更加剧烈。中心进气歧管的进气噪声的线性度更好，因而给人的听觉舒适感更好，而旁支进气歧管线性度较差，并且存在尖峰，使进气噪声更具有阶跃感。

图8 旁支进气歧管与中心进气歧管进气噪声声压级随转速比较

4.1.2 阶次分析

由图9、10可知：2种进气歧管所形成的进气噪声在阶次组成上半阶的差别较大，而2阶(点火阶次)和谐阶次的差别较小。由于中心进气歧管的各支管等长且存在中心对称，如果忽略各气缸之间点火间隔差角的影响，每个支管虽然到中心位置的距离不等，但存在对称关系。根据文献[1]可知：中心进气歧管的各支管的发火阶次声压相位相互增强，而半阶次声压相位会相互抑制。对于旁支进气歧管不存在这种中心对称关系，因此半阶次相位相互抑制情况将会被极大的减弱，因而半阶次声压级比较高。当半阶次声压级比重较高时，使进气噪声更具有运动感。因此，中心进气歧管所形成的进气噪声听觉体验更加浑厚，而旁支进气歧管所形成的进气噪声运动感更佳。

4.2 对该发动机常用转速3 000 r/min进气噪声声品质分析

4.2.1高频噪声

语言清晰度在高频时比低频时低，所以高频噪声严重影响到说话清晰度。由图11、12可知：在500 Hz以后，中心进气歧管的A计权声压级大部分在80 dB以下，而旁支进气歧管的声压级普遍在80 dB以上，旁支进气歧管的高频噪声声压级远高于中心进气歧管的声压级。根据高频噪声与语言清晰度的关系，当高频噪声的声压级高时，语言清晰度将会变差，所以中心进气歧管对车内的语言清晰度贡献量小，因而中心进气歧管车内语言清晰度相比旁支进气歧管会更好。

图9 旁支进气歧管与中心进气歧管2阶与4阶进气噪声随转速比较

图10 旁支进气歧管与中心进气歧管1阶与1.5阶进气噪声随转速比较

图11 3 000 r/min旁支进气歧管发动机进气噪声声压级随频率的变化情况

图12 3 000 r/min中心进气歧管发动机进气噪声声压级随频率的变化情况

4.2.2 阶次组成

由图13、14可知，该发动机在3 000 r/min时，由于中心进气歧管的对称关系，中心进气歧管的各支管的发火阶次声压相位相互增强，而半阶声压相位会相互抑制，中心进气歧管的点火阶次以及其谐阶次处的声压级高于旁支进气歧管，使进气噪声听起来更加浑厚，而旁支进气歧管在半阶次组成上高于中心进气歧管，进气噪声会更具有阶跃感与运动感。

图13 3 000 r/min旁支进气歧管进气噪声声压级随阶次变化情况

图14 3 000 r/min中心进气歧管进气噪声声压级随阶次变化情况

5 结束语

由于条件的限制，没有对2种歧管进行实车验证，也忽略了实际安装过程的空间要求，因而仿真与实际会存在一定的误差。

采用控制变量法，有效地比较了2种进气歧管因进气方式不同对发动机进气系统声品质的影响，为发动机进气歧管的开发与设计提供了理论基础。

利用GEM-3D软件与GT-POWER软件耦合，更加全面地分析了整个进气系统的噪声，比单纯利用参数建立GT-POWER模型进行仿真更精确。

由仿真可以得出一般性结论：中心进气歧管所形成的进气噪声的线性度好，听觉舒适性好；旁支进气歧管所形成的进气噪声阶跃感与运动感更佳，但是语言清晰度会稍差。

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