发动机排气阶次噪声控制研究

崔国旭邱 森

（1-中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院 天津 300300 2-吉林大学汽车工程学院）

引言

通常认为，控制发动机排气噪声就是控制其声压级的大小。多年来，汽车工程师们一直致力于设计具有良好性能的排气消声器，并取得了很好的效果。但人们对汽车的噪声提出了更高的要求，不仅要求汽车“安静”，噪声量级小，还要求“和谐”，即关注它给人带来特有的听觉感受，也就是考虑声音的频率成分。声品质的调制主要靠进气系统和排气系统的设计，其中，排气系统噪声的影响更为明显，改善其声品质对提高发动机乃至整车的NVH特性具有重要的影响。

福特公司对发动机声品质做了大量研究工作，认为声品质设计主要考虑响度、发火阶次、线性度以及高频噪声等，其中，发火阶次对于车辆的舒适性处于主导影响地位，而半阶阶次增加，有利于提高车辆动力感。Johnson等人[1]和Dedene等人[2]描述了排气噪声组成和声品质的客观尺度。他们认为，购买跑车的客户喜欢平顺有动力感的声音，购买高级轿车的客户喜欢平顺安静的声音。Ohsasa等人采用评审团评价的方法，得出排气噪声所包含的半阶次噪声的水平越高，排气噪声的动力感越强的结论[3]。Pang Jian等人通过对一款6缸V型发动机进行仿真分析表明，通过修改Y型连接管的结构，可改变排气半阶次噪声的组成结构[4]。

以上研究成果表明，主阶次、半阶次噪声是影响排气声品质差异的重要因素。在排气噪声声压级相差不大的情况下，半阶次噪声越大，排气噪声更富有动力感；反之，半阶次越小，则更为柔和安静。

本文以一款1.5 L自然吸气4缸发动机为研究对象，在原机基础上对排气噪声进行调制，使其噪声更富有动力感品质。

根据上述理论，需要噪声组成中含有较高声压水平的半阶噪声。为了能最终调制出含有较高声压水平的半阶次排气噪声，需要在原始声源中提高半阶次噪声的声压水平，也就是提高发动机排气总管口处的半阶次声压水平。

1 排气噪声调制原理

在发动机排气管道中传播的声波，可认为是以平面波的形式传播[5]。声波在管道中传播，当到达管道顶端时，一部分透过管道继续传播，另一部分被反射回去，形成反射波，如图1所示。

图1 管道中的声波

管道中任何一点的声压是入射声波声压和反射声波声压的合成。可用公式表示：

式中：k 为声波的波数，m-1；ω1为声波的圆频率，rad/s；pA和pB分别为入射声波和反射声波的声压幅值，Pa。

发动机的排气歧管结构如图2所示。

图2 排气歧管结构

假设排气歧管的长度不一样，各缸排气歧管的长度分别为 l1，l2，l3，l4。声波在每个歧管中传递时，到达排气总管的时间不一样。声波在第i个歧管中传播的时间为：

式中：t为声波传播时间，s；li为第i个歧管的长度，m；c为声速，m/s。

把声波在第i个歧管中传播的时间转换为发动机曲轴转角，可表示为：

式中：ω为发动机曲轴的角速度，rad/s。ω的计算公式为：

式中：n为发动机转速，r/min。

对于均匀运转的发动机，点火均匀，每个气缸之间运转的间隔相等。相邻发火气缸的曲轴转角差为：

式中：N为气缸数；Ф为发动机工作一个循环的曲轴转角，°CA。

对于4缸发动机，Φ =4π，N=4，则 Δθ= π。

假设以第1缸为参考气缸，那么，发火顺序为j的第i号气缸相对于参考气缸的曲轴转角为：（j-1）Δθ。

发火顺序为j的第i号气缸声音传递到排气总管口的绝对转角为：

式中：θ为第1缸对应的曲轴转角，°CA。

在排气总管口，声压为各缸传递到此的声压之和，可表示为：

对于4缸发动机，公式（7）可展开为：

式中：m为发动机发火阶次。

当m=1、3、5等非发火阶次及其谐阶次和半阶次之外的整数阶次时，假设发动机各缸工作均匀，认为 PAi=PA，PBi=PB，公式（8）可表示为：

当m=2、4、6等发火阶次及其谐阶次时，公式（8）可表示为：

当 m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 等半阶次时，公式（8）可表示为：

因此，对于4缸发动机，根据上述推导，可得到以下结论：

1）对于半阶次噪声，在同一工况下，只受间隔发火2缸的歧管长度影响。即受第1号、第4号歧管长度相互变化关系和第2号、第3号歧管长度相互变化关系的影响。特别地，如果采用l1=l2=l3=l4的等长歧管结构，半阶次噪声理论上可消除为零；如果采用l1=l4≠l2=l3的对称等长结构形式，半阶次噪声理论上也可消除为零。

2）对于除主阶次及谐阶次外的整阶次噪声，在同一工况下，只受相邻发火2缸歧管长度相互关系影响。特别地，如果采用l1=l2=l3=l4的等长歧管结构，整阶次噪声理论上可消除为零。

3）主阶次及其谐阶次噪声等于4个缸的噪声叠加之和，不能消除。

虽然，从上述推导得出，采用等长排气歧管结构的半阶次噪声和主阶次及谐阶次外的整阶次噪声能完全消除为零，但在实际的排气系统中，由于流体噪声等因素的影响，半阶次和整阶次噪声仍然存在[6]。

2 排气歧管仿真模型搭建与验证

图3为原机排气歧管三维模型，排气歧管的设计参数如表1所示。4根排气歧管长度相等，为等长方案排气歧管。

图3 原机排气歧管三维模型

表1 原机排气歧管参数mm

根据所获得的控制参数、结构参数及测试数据，使用仿真软件GT-Power建立发动机的性能与声学仿真模型并进行验证。

图4为原机的实验转矩与仿真转矩对比。通过比较，2种转矩最大偏差不超过4 N·m，偏差低于5%，仿真模型精度较高，可用于后面的研究工作。

图4 原机转矩仿真与实验数据对比

3 排气歧管优化方案设计

根据发动机的布置空间做预设计。由于空间限制，排气歧管长度最大为260 mm，最小为170 mm。由于半阶次噪声受间隔发火2缸对应的歧管长度相互变化关系影响，设计仿真优化方案时，首先将第1号与第4号歧管的长度设置为定值，改变第2号与第3号歧管的长度差。仿真方案如表2所示。

表2 排气歧管仿真方案（改变第2号与第3号歧管的长度差）mm

图5、图6、图7分别为4个方案（方案 1～方案4）及原机的4.5阶、5.5阶、6.5阶等主要半阶噪声仿真结果。

由图5、图6、图7的仿真结果可以看到，采用不等长方案后，会大幅度提高半阶次噪声。并且，随着歧管长度差的增大，半阶次噪声有增大的趋势。

图5 4个方案及原机4.5阶噪声仿真对比

图6 4个方案及原机5.5阶噪声仿真对比

图7 4个方案及原机6.5阶噪声仿真对比

由上述仿真可知，方案4是4个方案中最能提高半阶次噪声的方案。据此，固定第2号与第3号歧管的长度不变，改变第1号与第4号歧管的长度差，仿真方案如表3所示。

表3 排气歧管仿真方案（改变第1号与第4号歧管的长度差）mm

图8、图9、图10分别为4个新方案（方案5～方案8）与上一轮仿真最优方案（方案4）及原机的4.5阶、5.5阶、6.5阶等主要半阶噪声仿真结果。

图8 5个方案及原机4.5阶噪声仿真对比

图9 5个方案及原机5.5阶噪声仿真对比

图10 5个方案及原机6.5阶噪声仿真对比

由图8、图9、图10的仿真结果可以看到，随着歧管长度差值的增加，半阶次噪声增加，也就是说，歧管越不等长，半阶次噪声越大。

但由于空间布置的限制，无法设计出最优的歧管方案。因此，根据歧管越不等长，半阶次噪声越大的仿真结论，尽量使歧管长度不等。最后设计出如图11所示的不等长歧管方案。表4为最终设计的不等长方案各歧管长度。

图12、图13、图14分别为最终使用方案与上一轮5个方案及原机方案的4.5阶、5.5阶、6.5阶等主要半阶次噪声仿真结果。

由图12、图13、图14的仿真结果可知，最终采用的不等长方案，虽然不是最优的，但具有较好的效果。

图11 不等长方案排气歧管三维模型

表4 最终设计方案mm

图12 最终使用方案与5个方案及原机4.5阶噪声仿真对比

图13 最终使用方案与5个方案及原机5.5阶噪声仿真对比

图14 最终使用方案与5个方案及原机6.5阶噪声仿真对比

图15 为最终使用方案的主阶次及半阶次噪声仿真结果。

图15 最终使用方案主阶次及半阶次噪声仿真

由图15可知，半阶次噪声有较大的提高，声压级接近主阶次噪声，说明最终使用的优化设计方案具有较理想的效果。

4 排气歧管声学及性能实验验证

图16为不等长优化方案的排气歧管。将它替换原机等长排气歧管，进行性能和噪声测试。实验验证结果表明，发动机的功率和转矩变化不大，最大变化不超过0.2%，说明优化方案不影响发动机的动力性。

图16 不等长优化方案排气歧管

图17 为原机的主阶次与半阶次噪声实验对比，图18为优化方案的主阶次与半阶次噪声实验对比。

图17 原机主阶次与半阶次噪声测试结果对比

图18 不等长优化方案主阶次与半阶次噪声测试结果对比

从图17、图18可以看出，优化方案的半阶次噪声与主阶次噪声更相近，满足具有动力感的要求。

图19为原机与优化方案的主阶次噪声测试结果，图20为原机与优化方案的半阶次噪声测试结果。

图19 原机与优化方案主阶次噪声测试结果

图20 原机与优化方案半阶次噪声测试结果

由图19、图20可知，相比原机，不等长优化方案的主阶次噪声变化很小，但半阶次噪声明显提高。因此可以认为，排气歧管结构的变化，对主阶次噪声影响较小，但会改变半阶次噪声的大小，从而改变排气噪声的品质特点。

5 结论

通过以上仿真研究与实验验证结果，可以得到以下结论：

1）适当改变排气歧管管长结构，对发动机的动力性、发火阶次及其谐阶次噪声的声压水平影响不大。

2）与传统的等长排气歧管方案相比，增加歧管管长差的不等长方案，能提高半阶次噪声的声压水平，从而提高了排气噪声的动力感。

3）理论分析显示，完全等长的排气歧管方案不应该存在非主整阶次和半阶次噪声，对称等长排气歧管方案不应该存在半阶次噪声。但是，在实际的排气系统中，由于流体噪声等因素的影响，存在整阶次和半阶次噪声。