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[发动机] 发动机进气系统噪声的优化

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发表于 2016-2-28 20:18:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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发动机进气系统噪声的优化

发动机进气系统噪声的优化

        图1  进气口噪声

        进气噪声是考察汽车NVH性能的重要内容之一,利用CAE技术优化进气系统噪声的过程,在该过程中,利用Sysnoise软件精确地模拟进气系统的声场特性,可为优化设计提供改进思路,不仅能加快开发过程,而且能节约开发成本。
        现在NVH(噪声、振动与舒适性)性能已经成为评价汽车品质的一个重要指标。各大整车厂都致力于通过提高汽车的NVH性能来提升其品牌价值与市场竞争力。同时,随着人们对噪声污染的不断重视,针对汽车噪声的法规也愈加严格。进气噪声作为汽车的一个重要噪声源也得到了足够的重视。而传统的设计手段已不能针对市场需求,快速反应,设计出满足要求的进气系统。运用现代的CAE技术开发进气系统势在必行。
        本文阐述了一款自吸发动机进气系统噪声的优化过程。在该过程中运用CAE技术,分析了整个进气系统(包括进气歧管在内)的声场特性,发现了原进气系统在降噪方面的缺陷。通过计算分析,合理设计、布置消声单元,弥补了原进气系统在降噪方面的不足。
       

发动机进气系统噪声的优化

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        图2  直管进气口处的噪声

        进气系统噪声源及降噪措施
        1. 进气系统噪声源
        发动机的进气系统是一个非常复杂的噪声源,包含各种类型的噪声,每种噪声产生的机理各不相同。因此,对进气系统噪声进行优化首先要明确各个噪声源产生的原因,并确定各个噪声源的贡献量,再有针对性地解决噪声问题。
        进气系统噪声从总体上可以分为空气噪声和结构噪声两大类。空气噪声包括脉动噪声和流体噪声。脉动噪声由进气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化而形成,这部分噪声主要影响进气系统低频噪声特性。另外,在进气管空气柱的固有频率与周期性脉动噪声的主要频率一致时,会产生空气柱的共鸣声。此外,由于进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔,因此也可能产生额外的共鸣噪声。流体噪声是气流以高速流经进气门流通截面,形成涡流,产生的高频噪声。由于进气门流通截面是不断变化的,因此这种噪声具有一定宽度的频率分布,主要频率成分在1 000Hz以上。此外,在节气门体处有时也会产生涡流噪声。
       

发动机进气系统噪声的优化

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        图3  进气系统的传递损失

        进气系统结构辐射噪声,是由塑料壳体较小的刚度特性造成的。在内部压力波的激励下,壳体产生振动,外表面推动空气产生波动,从而辐射出噪声。这里所说的内部压力波实际上就是壳体内部的声波。
        2. 发动机进气系统的降噪措施
        流体噪声和结构噪声处理的方法相对比较单一,而且往往不是进气系统的主要噪声。这里主要探讨低频噪声的降噪措施。
        (1)合理设计空气滤清器。根据安装空间设计空气滤清器本体。空气滤清器容积应该尽可能大,这样传递损失大且覆盖的频带宽。空滤器的进气管和出气管有时会插入到空滤器中,插入的长度对传递损失有影响,不同的插入长度都能够提高空滤器的传递损失,但插入管会带来较大的功率损失,其功率损失比减小管道截面积带来的损失还要大。
       

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        图4  进气系统在60Hz处的声压云图

        (2)确定空滤器进出管的管径和长度。减小空滤器进、出管管径,增大扩张比,对降低噪声有好处,但是会增加进气系统的压力损失,降低发动机的进气量,影响发动机的性能。进气管的长度会影响到空气滤清器的有效消声频率,随着进气管长度的增加,空气滤清器有效消声频率将移向低频,因此,设计时根据需要合理确定进、出气管的长度也很重要。
        (3)合理使用消声单元。常用的消声单元有赫姆霍兹共振腔、1/4波长管及1/2波长管等。赫姆霍兹消声器一般是针对低频的,1/4 波长管一般用来消除高频噪声。
       

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        图5  在进气口处添加赫姆霍兹共振腔

        (4)特殊的消声措施。当发动机机舱空间不能满足布置消声单元要求时,可以考虑使用特殊的消声措施,如采用进气编织管,可以在较宽的范围内,取得消声效果。在空气滤清器模态高声压集中区域布置多孔吸声材料。
        原进气系统声源识别及根源探究
        为了准确识别进气系统的噪声源,同时测试了进气口噪声和空气滤清器壳体辐射噪声。对比发现进气口噪声占主要成分。从图1可以看出,总声压级线性度差,而且比设定的进气口噪声目标高出许多。2阶噪声在1 900r时存在峰值,4阶噪声在4 000r时存在峰值,6阶噪声在2 636r时存在峰值,8阶噪声在2 000r时存在峰值。除2级噪声外,其他几个峰值对应的频率基本一致(见表1)。2阶噪声在63Hz处的峰值,造成车内的共鸣声。
       

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        图6  加上赫姆霍兹共振腔后,进气系统的传递损失

        为进一步分析各阶噪声峰值产生的原因,我们用直管代替进气系统测试进气口处的噪声。从图2可以看出2阶噪声在1 900转时并没有峰值存在,并且比带空气滤清器进气口处的2阶噪声小10dB(A)。所以此处峰值和声源无关,应是在传递路径中引起的。为此,我们分析了整个进气系统的传递损失。从传递损失计算结果(见图3)可以得出,整个进气系统在60Hz处存在谷点,在260Hz左右存在谷带。因此,为了改善进气系统的降噪效果,需要在这两处做改进。
       

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        图7  在出气口管上添加1/4波长管

        进气系统的优化设计
        1. 设计赫姆霍兹共振器
        为了消除2阶噪声在63Hz处的噪声峰值,同时根据空间布置要求,设计了一个3L的赫姆霍兹共振器。设计赫姆霍兹共振腔的关键是选对安装位置,不恰当的安装位置往往起不到应有的作用。按照相关的噪声理论,赫姆霍兹共振器应布置在声压最大的区域。从图4可以看出,声压最大的区域在进气歧管上,但在这里布置赫姆霍兹消声器是不现实的,实际最优位置应在进气管的进口处(见图5)。在设计赫姆霍兹共振腔时,还要考虑到进气系统的温度与流速对当地声速的影响,流速对声速的影响较为重要。在转速低工况时,流速较慢,对声速影响相对较小。从图6可以看出,添加赫姆霍兹共振器后,在60Hz左右处的传递损失得到改善。
       

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        图8  加1/4波长管后,进气系统的传递损失

        2. 添加1/4波长管
        针对260Hz左右存在的谷带,设计了一个1/4波长管。与设计赫姆霍兹共振腔一样,设计1/4波长管时,首先要考虑安装位置(见图7)。其次,还要考虑流速和温度对声速的影响。这里与赫姆霍兹共振腔有区别的是,1/4波长管要在三个不同转速下都能起到降噪的作用,而且这三个转速跨度较大,2 000~4 000r/min,进气流速大致为10~21m/s。从图8可以看出,添加1/4波长管后,在260Hz左右处的传递损失得到很大改善。
       

发动机进气系统噪声的优化

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        图9  优化方案的两次测试结果

        3. 试验验证
        为了验证优化效果,我们制作了快速样件进行测试。从表2可以看出,2阶噪声在1 900r/min时的峰值从100dB(A)下降到94dB(A);4阶噪声在4 000r/min时的峰值从102dB(A)下降到87dB(A);6阶噪声在2 636r/min时的峰值从93dB(A)下降到73dB(A);8阶噪声在2 000r/min时的峰值从90dB(A)下降到73dB(A),总声压级也得到很大改善(见图9)。
       

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        总结
        1. 在进气系统噪声优化时,要明确产生噪声问题的根源,有针对性地提出解决问题的方案。
        2. 计算进气系统声场性质时,最好将进气歧管包含在内一起计算,从而更全面地考察进气系统的声场性质,发现进气噪声传递路径上的缺陷,提出改进措施。
       

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        3. 优化进气系统时,要清楚各个消声单元的作用和消声原理,同时也要综合考虑消声措施对发动机性能的影响,以及产生其他噪声的可能因素。
        4. Sysnoise声学软件能够精确模拟进气系统的声场性质,满足设计要求,节约了开发成本,成为进气优化设计的一种重要工具。
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