某卡车空压机气柱共振异响试验分析及优化

袁 帅，郭 彬，刘成龙，史祥东

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

进气噪声是发动机噪声的主要噪声源之一，在小型高速发动机和大型增压机中，进气噪声有时会比发动机本体噪声（燃烧噪声和机械噪声）高5 dB（A）左右，仅次于排气噪声[1]。

扩张管消声器结构简单，便于布置，能对进气系统起到很好的消声效果[2]。

某卡车样车进气系统由进气道、空滤器、发动机进气歧管组成，安装在发动机上的空压机通过管路从进气道取气。此车在试验过程中，进气系统在全转速内出现异响，尤其是空滤器附近，向外辐射明显的“咚咚”异响，产生严重的NVH问题。

当管路形成一端闭合一端开口的截面管时，会构成气柱系统。此管路内的气体介质，具有连续分布的质量及可压缩性，会产生气柱振动，管道内气柱构成的系统存在气柱固有频率。当空压机的激励足够大时，会使管道气柱共振，此时整个进气系统会发生强烈振动以及很大的辐射噪声。

本文针对上述问题，通过LMSTest.lab软件进行噪声、振动数据采集分析，确定异响频率计异响源，基于管道声学原理设计了一款进气消声器，有效地解决了此车型进气异响问题，并为解决同类问题提供了可借鉴的方法。

1 管道气柱固有频率计算

1.1 简单管道气柱固有频率计算

简单管道气柱模型如图1所示，设在入口截面1处，压力和速度分别为ejωtejωt，出口截面 2 处的压力和速度分别为Pejωt、uejωt.用其表示管道两端的脉动值，则有以下关系式：

其转移矩阵表示将截面1处的脉动转移到截面2处，表达式为：

图1 简单管道模型

1.2 复杂管道气柱固有频率计算

将管道系统规划为容器、汇流点、异径管等简单管道原件，其根据每一种简单管道元件转移矩阵，以及适当的边界条件，可以求出由这些管道元件所组成的复杂管道系统的气柱固有频率值[3-6]。

容器、汇流点、异径管的转移矩阵如下：

容器的转移矩阵：

式中：S1为管道进口截面积；S2为管道出口截面积；V为容积。

汇流点的转移矩阵：

式中：S1为主管道进口截面积；S2为主管道出口截面积；S3为回流管截面积。

异径管的转移矩阵：

式中：S1为主管道进口截面积；S2为主管道出口截面积；

根据上述各简单元件的转移矩阵，对由其所组成的复杂管道系统就能容易的列出管道两端脉动速度与脉动压力的关系表达式。

2 进气系统异响源识别

2.1 异响产生原因分析

某配套6缸柴油机的卡车在空压机工作时，发动机全转速内进气系统出现异响，由于怠速时发动机噪声贡献量较小，此时主观感受异响最明显。

图2为此车进气系统结构布置图，空压机工作时从进气管取气，压缩空气用于整车制动。

图2 进气系统布置示意图

管道系统中的气柱是一个有质量、可压缩的振动体系，它具有自己的一系列固有频率。在气柱靠近压缩机一端，由于往复式压缩机周期地间歇吸气和排气，使得气柱受到一个周期性的激振力作用，当激振力的频率与气柱的某一阶固有频率相重合时，则气柱发生对应于该频率的共振，使得管道内压力不均匀度达到一个极大值，并使管道做强烈的机械振动[7]，使得噪声值增大，并发出“咚咚”的打鼓声，对驾驶员及周围环境产生严重影响。

2.2 试验分析

本文振对上述异响，在整车定置状态下，在怠速、怠速到最高空车转速缓升速工况对进气系统进行振动、噪声试验，对其振动、噪声特性进行分析。在空压机及空滤器上布置三向加速度传感器，在空滤外侧0.5 m处近场布置噪声传感器。

图3、4分别为怠速工况、升速工况下空滤器近场测点噪声频谱图，通过滤波回放及频谱分析，确定异响频率为200～240 Hz，且不随发动机转速的变化而变化。

图3 噪声测点怠速工况C olo r map图

图4 隔振前升速、熄火工况C olo r map图

图5 分别为空压机及空滤器测点振动频谱图。

图5 空压机及空滤测点振动频谱图

如图5所示，空滤器与空压机测点都存在200～240 Hz机械共振，与异响噪声频率一致，且由于空滤器结构刚度低，其共振幅值较大。

进一步分析空压机结构，图6为空压机结构示意图，空压机排气阀片在空压机工作时，相应发生开合，此时会在整个进气系统内产生气柱共振，共振频率在200～240 Hz之间，产生异响。

图6 空压机机构示意图

3 进气系统异响优化

3.1 优化措施

根据上述试验结果，可以判定故障原因为空压机工作产生的进气管路气柱噪声，噪声频率为200～240 Hz，因空压机工作时膜片开合不可避免，因此在空压机与进气道之间增加进气消声器，以降低异响频率的噪声幅值，达到消除异响的目的。

抗性消声器对消除中低频噪声具有很好的效果，本文采用扩张管结构的抗性消声器，设计200～240 Hz频率段插入损失较大的结构，用以消除异响。

扩张管消声器管长L与消声频率f的关系为L=0.25 c/f，其中c为当地声速，取340 m/s.

取200～240 Hz中心频率220 Hz计算出理论消声器管长为380 mm，根据整车实际布置设计管径分别为40、60、80 mm的消声器进行验证，分别命名为方案 1、2、3.

将消声器连接在空压机到空滤器的管路之间，图7为布置示意图。

图7 消声器布置示意图

3.2 优化验证

根据上述设计的扩张管消声器进行实车验证，噪声测点仍取空滤器近场0.5 m处，与原状态进行对比。

图8为原状态与各方案消声效果噪声Colormap对比图，噪声幅值都设为原状态的80 dB（A），表1为200～240 Hz频段噪声幅值。

图8 原状态与各方案噪声C olo r map图

表1 200～240Hz频段噪声幅值

3种方案的消声器都对200～240 Hz频段异响起到了衰减作用，其中方案3效果最优，对200～240 Hz的异响衰减达到24 dB（A），通过主观评价验收。

4 总结

本文针对某卡车空压机引起的进气系统气柱共振异响，提出了判定此异响的方法。通过设计合适消声频率的消声器，布置在空压机与发动机进气管路之间，衰减特定频率的噪声，并进行试验验证，其整个转速段内异响完全消除。