基于国六柴油发动机进气系统噪声的分析

王强，李旭林，李哲，赵文虎，杨军锋，张文虎

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

引言

随着发动机排放技术的升级，国六发动机的普及成为汽车行业发展的必然趋势。汽车保有量逐年增加，汽车噪声给人们的工作和生活带来很大的影响。人类如果长时间在比较强烈的噪声下，会导致听力减退和心情烦躁，刺激人的神经系统，干扰人的学习、工作、休息等。随着人们环保意识的加强，对发动机噪声的控制也日益重视。

经试验发现，某款配置国六柴油发动机的牵引车在发动机怠速工况下存在较大的噪音，对此，在进气系统中设计一种消声器来控制噪声。经过声学有限元分析和实车验证表明，增加消声器后，声音传递损失显著增加，降噪效果显著。

1 某款载货汽车发动机异响分析

车辆在发动机怠速时出现异常噪声，类似“嗡嗡嗡”敲鼓声。经听诊器查找声源，在空气滤清器入口及腔体外围发现明显的噪声异响。后用噪声测试设备记录噪声数据，经滤波分析发现该噪声频率为130Hz。

为了满足发动机热管理和国六排放的需求，发动机在涡轮增压器排气端增加了ETV 节流阀。当发动机ETV 节流阀打开时，异响消失；当发动机ETV 阀关闭时，异响发生，体现在130Hz 频率下存在较大的声压。此噪音是在发动机点火频率32.5Hz 及其倍数频率下产生，产生原因是由于ETV 节流阀频繁的开闭使涡轮增压器处气流的压力发生变化，产生气流压力脉动，当脉动频率与进气气流频率一致时，就会产生共振噪声。对进气系统进行分析，发现其气流固有模态为130Hz，同时对噪声进行试验分析，也发现在130Hz 下，系统存在声压峰值。说明气流脉动激励的频率与进气气流固有频率相同，均为130Hz，所以产生气流共振噪音。

2 进气系统消声器的设计

为消除共振噪音，解决国六柴油发动机异响问题，需要在空气滤清器和涡轮增压器之间的管路上增加一个扩张式消声器。

扩张式消声器（如图1）是利用管道截面的突变，使部分沿管壁传播的声波反射回去，在声波反射的过程中，入射声波与反射声波相互抵消从而达到消减噪声的作用。

图1 扩张式消声器示意图

进气系统消声器设计的第一个问题是消音容积。消音容积一般是指空气滤清器和进气消音器的容积之和。一般来说，消音容积越大越好。对扩张消音器来说，其容积越大，传递损失可以调节的频带也就越宽，传递损失也可能增加；其次，扩张式消声器的传递损失也取决于扩张比（扩张腔的截面积与管道截面积之比），扩张比增加，传递损失就随之增加。

空气滤清器本身就是一种扩张式消声器，但在降噪效果上能力有限，故需要在空气滤清器与增压器之间串联一个扩张式消声器，增加消音容积，使声音传递损失增大，从而达到降噪的效果。

结合整车的安装布置空间和发动机的NVH 性能要求，经分析，设计一个扩张式消声器，消音容积为40L，安装在空气滤清器与涡轮增压器之间的管路上，如图2 所示。

图2 扩张式消声器安装图

3 进气系统声学有限元分析

为了模拟增加扩张式消声器后进气系统的消声效果特性，对包含扩张式消声器、空气滤清器、进气管路等部件的进气系统进行了声学有限元分析。图3 为安装扩张式消声器进气系统有限元模型。

图3 进气系统有限元模型

采用声学专业分析软件计算进气系统的压力分布情况。仿真时在空气滤清器进气口设为无反射边界，增压器进气管出口截面加载1W 的声功率，求得进气系统的声音传递损失曲线如图4 所示，声压分布如图5 所示。

图4 声音传递损失曲线

图5 130Hz 时声压分布

从图5 可以看出，安装扩张式消声器的进气系统在频率为130Hz 时，声音传递损失增加了17.72dB，传递损失增加的频带较宽，满足设计要求。

4 试验验证

在理论分析的基础上，制作了扩张式消声器样件，并在实车上做验证试验。测试时，整车定置怠速运转，发动机ETV节流阀完全关闭。传声器置于离发动机进气口1m，离地高度1.2m 处位置，并垂直指向汽车侧面，测试发动机整体噪声和130Hz 下的噪声，测试结果如表1。

表1 试验测试结果

从表1 可以得出，安装扩张式消声器后，可降低发动机总成1 米噪音3.5dB，降低130Hz 噪音20.6dB，可有效解决国六柴油发动机异响问题。

5 结论

对于国六柴油发动机因增加ETV 节流阀引起的异响问题，在进气系统中增加扩张式消音器，经过理论分析及实车验证，降噪效果显著，满足了设计要求，提高了整车的NVH性能。