某发动机气流敲击异响试验分析及优化

陶书杰 杨国芳 郝少华 杨磊 王平

摘  要：本文以某款混动车型搭载1.5L增程式发动机为研究对象，发现该混动车型在怠速充电工况下产生有节奏的“咕噜音”异响。通过对异响源进行特征频率和传递路径测试分析，确定了“咕噜音”异响来自于进气系统，为歧管前端驻波共振引起的气流敲击异响，其特征频率为“300-500Hz”。通过对进气系统的噪声频率分析优化，针对异响特征频率设计了一款排式谐振腔式的消声单元，并在发动机NVH台架上进行了优化验证试验，其进气口噪声在“300-500Hz”频段，噪声下降约7-9dB（A），解决了异响“咕噜音”的问题，取得了较好的降噪效果。

关键字：发动机;进气系统;咕噜音;特征频率;气柱共振

中图分类号：U467.2+1      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）01-0103-06

Experimental Analysis And Optimization Of Intake Pulsation Noise Of An Engine

TAO Shu-jie， YANG Guo-fang， HAO Shao-hua， YANG Lei， WANG Ping

（ Dongfeng Motor Company Technology Center， Quality Verification Center，

Wuhan 430058， China ）

Abstract： This paper takes a hybrid model equipped with a 1.5L add-on engine as the research object， and finds that the hybrid model produces a rhythmic “grunt” sound under idle charging conditions. Through the characteristic frequency and transmission path test analysis of the iso-loud source， it is determined that the “grunt sound” noise comes from the intake system and is caused by the resonance of the front of the manifold， with a characteristic frequency of “300-500Hz”. Through the optimization of noise frequency analysis of the intake system， a row-type resonant cavity-type muffler unit is designed for the characteristics frequency of the noise， and the optimization and verification test is carried out on the engine NVH bench， and its air intake noise is in the “300-500Hz” band， the noise drop is about 7-9dB（A）， which solves the problem of the  “grunt” sound and achieves good noise reduction effect.

Key Words：  Engine;  Intake System; Grunt;  Characteristic Frequency;  The Gas Column Resonance

發动机是汽车的主要噪声源，随着发动机的应用场景的不同，其动力输出型式的变化也带来了新的噪声问题， 其中的异响问题也是汽车声品质研究中最普遍与最棘手的问题之一[1]。而进气噪声又是发动机的主要噪声源之一，在有的高速发动机上，进气噪声甚至能比发动机本体噪声高[2]，因此对于发动机进气噪声控制的研究是很有必要的。

本文以某混动车型搭载1.5L增程式发动机为研究对象，发现该混动车型在怠速充电工况下产生有节奏的“咕噜音”异响，此异响与机械敲击特征相似。通过对整车以及发动机进行噪声、振动数据采集分析，锁定噪声源，确定了“咕噜音”是一种进气脉动异响。本文介绍了针对该异响问题的排查思路，以及关于该异响问题的优化改进方案，有效地降低了进气咕噜音异响噪声，并为同类异响问题的排查思路及改善优化方案提供了借鉴及参考。

1    异响源识别试验与分析

1.1   试验概况

试验在较为安静且空旷的环境进行，本文用于试验研究的整车为一混合动力汽车。搭载的发动机为4缸直列、16气门的汽油机，其主要技术参数见表1：

1.2   异响源场景复现及主观评价

通过对异响工况进行整车复现试验，发现在怠速充电工况出现有节奏的“咕噜音”异响，此时发动机的转速为1050rpm，输出扭矩为90～140Nm，输入给发电机的扭矩为30Nm～50Nm。通过用听诊器进行声源排查，首先发现发动机机舱与车前近场噪声异响特征最明显，初步判断异响来自于发动机。

1.3   异响特征频率分析

采用多通道振动噪声信号分析系统，在主观判断异响较为明显（车的正前方）的位置布置传声器，并进行噪声测试分析。图1为车前近场噪声信号的小波分析图，由图1（a）可以看出，车前近场存在一种特征频率在“300～500Hz”的有节奏的敲击音，为确认车前近场噪声信号中的异响特征是否对应实际听到的异响，通过对信号进行300至500Hz的带通滤波处理，如图1（b）为滤波处理后的噪声信号，发现处理后的声音在音色与节奏上与咕噜音异响基本一致，因此确定咕噜音异响为300-500Hz有节奏的敲击音。

观察图1，由于异响特征频率突出位置在1s出现约17次，此时发动机转速为1050rpm，则该异响有17/（1050/60）≈1阶特征;观察幅值较高的几个敲击音特征，也可以描述为1s出现8～9次，也就是0.5阶特征。

由以上分析可知，此敲击异响的特征频率为“300-500Hz”，敲击节奏与发动机的1阶和0.5阶相关。由此推断异响主要与发动机的两个因素相关：（1）结构传递--发动机曲柄连杆机构运转所产生的机械敲击异响;（2）噪声辐射--发动机燃烧时进气门周期性开闭引起的气体压力波动造成的进气噪声[1]。

1.4   异响源传递路径分析

1.4.1 结构传递路径分析

若异响由发动机曲柄连杆机构运转所产生的机械敲击异响，其传递路径应以结构振动传递为主，即由发动机缸体—悬上—悬下—座椅异轨—车内。在悬置主动侧与被动侧、发动机排气侧缸体、变速箱壳体以及空气滤清器上、进气歧管上等布置振动测点，并进行振动测试与分析。

图2为部分发动机振动测点与进气系统振动测点的异响特征频率分析图。由图2（a）可以看出，发动机排气侧缸体、变速箱壳体、左右悬置主动侧无明显异响特征。而由图2（b）可看出，空气滤清器、进气歧管、进气软管前振动有明显的异响特征。异响特征在发动机缸体本身的振动信号上不体现，而在与进气系统相关的振动测点上体现，这说明异响源与发动机曲柄连杆机构不相关，而与进气系统相关。

1.4.2 噪声辐射传递路径分析

若异响由进气系统相关，则其传递路径应以噪声辐射传递为主，分别在车内（副驾驶右耳）、发动机舱近场、发动机下方近场、进气口近场（车前进气格栅处）布置噪声测点，采用多通道振动噪聲测试系统进行振动噪声测试与分析，图3为四个噪声测点的噪声信号小波分析图，由图3可以看出，进气口近场异响特征（300-500Hz敲击音特征）最明显，而发动机下方近场与发动机舱近场无明显特征。结合噪声数据可知异响在车前进气口明显，异响主要来自于进气系统。

2    异响源位置聚焦及原因分析

2.1   异响场景再现—发动机台架

为了进一步确定声源的根本原因，此项声源分解试验在发动机NVH台架上进行。根据发动机轴与发电机轴的连接齿轮的速比关系，计算得出整车怠速充电状态下，发电机扭矩40Nm对应发动机扭矩约为105Nm。因此在发动机半消声室中进行发动机转速1050rpm，扭矩105Nm的工况再现测试，发现进气口近场有明显异响特征。为了进一步明确异响与发动机转速和扭矩的关联性，在发动机不同转速与扭矩控制下进行振动噪声测试。

异响与发动机扭矩的关联性。固定发动机转速为1050rpm，在40s内将发动机扭矩从50Nm均匀提升到150Nm，测试进气软管引出的进气口近场，发现异响特征在发动机扭矩约100Nm到130Nm时较为明显。扭矩低于100Nm时，异响在300-500Hz附近较弱，而扭矩高于130Nm时，噪声在200-800Hz频段附近能量都较高，没有明显的敲击特征。

2.2   进气系统部件拆装验证试验

为进一步确认异响源来源于进气系统的哪一部分，进行了以下的排查试验。拆卸下发动机的空气滤清器，图4为增压器前进气口噪声信号小波分析图，由图4可以看出，在压缩机前的进气口近场噪声仍存在明显的异响特征。由此可以判断异响源并非由空气滤清器产生。

更换增压器后进行的振动噪声测试，将进气软管延长引出，分别测试原状态的引出进气口近场噪声与更换竞品增压器后的引出进气口近场噪声，噪声测点如图5（a）。图5（b）为该噪声测点换装增压器前后异响特征频率对比图，结合主观评价以及图5（b）数据结果分析，异响均无明显改善。则可判断异响源并非增压器。

而把节气门敞开后（进气不经过空气滤清器、增压器、中冷器），在发动机1050rpm/105Nm工况下测试节气门前进气口近场噪声。图 6为节气门前近场噪声信号小波分析图，由图6可以看出明显异响特征，这说明异响来源于进气系统中冷后的部分。又结合节气门近场噪声1阶的敲击特征，推断异响的波动与不同缸进气过程产生的气流波动有关。1阶的敲击特征说明在发动机一个工作循环中异响出现两次，因此推断异响是此发动机在工作循环中两个缸在进气过程中的气流波动大造成的。

2.3   异响敲击时刻转角分析试验

为进一步验证咕噜音异响具体在进气过程哪一时刻，进行曲轴转角分析试验。对节气门近场噪声进行300～500Hz滤波，并将所得滤波信号的时域转换为角度域。如图 7可知，异响在发动机一次工作循环中，出现于曲轴转角约40°与400°时刻。考虑异响在进气歧管中的传播时间，异响出现的时刻仍是在1缸与4缸进气过程中。因此判断咕噜音异响产生于发动机四个缸进气过程的气流脉动大小不一，1缸与4缸气流脉动较大，因此在发动机的的工作循环中出现这样一种气流导致的1阶敲击特征的咕噜音异响。

由以上分析确认咕噜音异响是在发动机转速1000～1500rpm，发动机扭矩100～130Nm出现的一种1阶敲击特征，其特征频率为300～500Hz，来自于发动机的进气系统的气流脉动。此发动机进气脉动噪声主要是由进气歧管前端处存在的驻波导致的，即某一缸进气过程中，进气系统中空气柱振动的模态和对各缸激励力的响应耦合，造成其对应的歧管口与进气系统歧管前管内各处的压力在特定的频谱模态下（如300～500Hz）出现较明显峰值，即产生了气柱共振[3-4]。关于发动机气柱共振异响产生的机理，可查阅丰田公司针对于发动机缸内气柱共振所产生的异响隆隆声的论文，本文对此不做详述。

3    优化改进效果验证试验

3.1   优化改进方案

由以上排查试验分析，咕噜音异响主要由气柱共振产生的，其中进气歧管长度不一会造成发动机运转时各缸进气过程中气流模态的不同。因此，可通过调节进气歧管长度来调节进气系统声品质[5]，考虑采用等长进气歧管方案，从激励源上改善气流均匀性，从而解决异响问题。本文采用的是在进气系统中安装特定频率的谐振腔结构，从“传递路径”上有效减弱对应频率的噪声。制作的进气消音器由370Hz、385Hz、400Hz三个频率的谐振腔组合而成，其结构类似图 8（b）。按图8（a）所示将其安装在进气系统的空气滤清器与增压器之间。

3.2   进气消音器效果验证试验

在发动机噪声试验台架上分别对原状态与安装了进气消音器的状态进行噪声试验，试验工况为发动机转速1050rpm，扭矩105Nm。通过试验可以看出，采用改进方案后，由进气软管引出近场噪声信号的小波分析图（如图 9.a）可知其在300-500Hz范围有明显减弱，由该噪声的频谱（如图 9.b）可知其在300-500Hz的声压级降低了约7dB。进气消音器对于咕噜音异响有明显改善效果。

4    結束语

通过进行整车异响排查和台架声源分解试验，确定了异响的特征频率及阶次特征，并判断出异响与进气系统相关。通过对节气门近场噪声滤波分析，找到异响敲击对应的曲轴转角时刻，判断异响产生于1缸与4缸的进气过程中，进一步验证了进气歧管前端处气柱共振是咕噜音异响的根源。

通过对异响产生机理的分析，提供了两种改善方案。一是将进气歧管改为等长进气歧管，从振源上减弱4个缸之间的进气脉动差异，从而减弱这种敲击特征;二是从传递路径上在进气管路上安装谐振腔以消除对应频率段的异响。第二种方案经过试验验证，进气口近场噪声在300-500Hz频率段，声压级下降约7-9dB（A），对发动机低速高扭矩工况下这种咕噜音异响，有着明显的改善效果。

以上这些优化改进方案，只是针对于发动机整机的进气噪声降噪措施之一，发动机进气噪声的其他问题还需根据发动机的具体情况，采取相应的改进措施。但这种对于气流敲击异响的排查解析方法以及对这种进气噪声异响的改善措施对同类机型的进气系统的噪声开发具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]庞剑，谌刚，何华. 汽车车身噪声与振动控制 [M] . 北京：北京理工大学出版社，2006：11-12.

[2]边强，高文志，张 晶. 发动机进气系统阶次噪声及其消减方法 [J] . 农业工程学报，2012，28（1）：57-63.

[3]徐志超，祖炳锋，王振等，发动机进气歧管的气动噪声预测方法研究 [J].机械科学与技术，2018，37（8） ： 1280-1285.

[4]Suzuki T，Kayaba F.The Analysis and Mechanism of Engine 'Intake Rumbling Noise' [J] . SAE Transactions， 1990， 99 ： 2059-2067.

[5]马大猷.现代声学理论基础 [M] .北京： 科学出版社，2004.

专家推荐语

王必璠

东风商用车技术中心

平台总师  研究员高级工程师

发动机的噪声问题是近些年国内提升发动机品质的一个重要方面。在噪声的起源和传递分析上有着许多新面临的问题需要发动机厂家进行研究。该论文在选题上切合了发动机目前关注的方向，应用的理论和实际分析方法符合目前的主流方向。通过理论和分析，对实际问题进行了解决，具备交流的条件。该论文条理清晰，语言通顺，解决问题的实例具有一定的参考意义。