發(fā)動機(jī)排氣噪聲優(yōu)化研究

段繼翔 張曉雪 魯成 徐士 周勝余 李風(fēng)芹

摘要： 針對整車通過噪聲超標(biāo)問題，進(jìn)行分析確定為發(fā)動機(jī)排氣噪聲高導(dǎo)致。針對發(fā)動機(jī)排氣噪聲進(jìn)行分析，確定采用優(yōu)化后處理消音結(jié)構(gòu)提高后處理消音能力方式降低排氣噪聲：通過對三種消音結(jié)構(gòu)后處理的仿真計算，確定不同方案對后處理插入損失的影響。通過對裝配三個消音結(jié)構(gòu)后處理的整車進(jìn)行通過噪聲試驗驗證，確定插入損失最優(yōu)方案后處理可解決整車通過噪聲問題。

Abstract： Through the analysis of the Passing Noise problemof the vehicle， determined that the engine exhaust noise caused. The exhaust noise of engine is analyzed and the optimized catalyst silencing structure is adopted to reduce exhaustnoise. The influence of different schemes on insertion loss was determined by studying the catalyst of three silenced structures. The optimal post-processing scheme of insertion loss is adopted to solve the passing noise problem of vehicle.

關(guān)鍵詞： 通過噪聲;排氣噪聲;后處理消音結(jié)構(gòu);插入損失

Key words： passingnoise;exhaust noise;the silenced structure of catalyst;insertion loss

中圖分類號：U448.213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0004-04

0 ?引言

天然氣商用車自上世紀(jì)90年代在國內(nèi)逐漸推廣開始，近年來市場容量逐年提升，應(yīng)用范圍越來越廣。近期國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》表示，要積極擴(kuò)大電力、氫能、天然氣、先進(jìn)生物液體燃料等新能源、清潔能源在交通運輸領(lǐng)域應(yīng)用。在政策推動下，天然氣商用車未來應(yīng)用前景廣闊。天然氣發(fā)動機(jī)由于普遍使用單點預(yù)混點燃式技術(shù)路線，燃燒周期長于柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)調(diào)速率低于柴油機(jī)[1]。同等配置下天然氣商用車整車的加速性較同馬力柴油機(jī)商用車差。隨著用戶對整車動力性要求不斷提高，調(diào)速特性優(yōu)化也更加重要。隨之而來的整車燃燒排氣噪聲也隨之提高，天然氣商用車噪聲控制的就顯得愈加重要。

整車噪聲不僅對駕駛?cè)藛T感官造成影響，而且車輛在加速通過時會對外界帶來嚴(yán)重的噪聲污染。因此相關(guān)法規(guī)對整車加速通過噪聲的限值要求在不斷降低，噪聲的分析和控制成為整車開發(fā)過程中的關(guān)鍵控制要素。本研究針對某型天然氣商用車排氣噪聲高導(dǎo)致通過噪聲超標(biāo)問題，使用仿真及試驗驗證手段，分析不同消音結(jié)構(gòu)方案對后處理插入損失的影響，最終確定抑制排氣噪聲最佳后處理消音方案，達(dá)到降低整車通過噪聲的目的。

1 ?整車通過噪聲問題

匹配天然氣發(fā)動機(jī)的某型N3類6×4牽引車在按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》進(jìn)行的整車通過噪聲測試時產(chǎn)生了通過噪聲超出法規(guī)限值問題，無法滿足車輛開發(fā)要求。其中測試車輛主要技術(shù)參數(shù)及配置見表1所示。

測試試驗按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求開展。測試實驗天氣條件環(huán)境溫度必須在5℃～40℃范圍內(nèi)，傳聲器高度處風(fēng)速不超過5m/s，確保測試結(jié)果不受陣風(fēng)影響。噪聲采集設(shè)備采用滿足GB/T3785.1要求的LMS加速行駛車外噪聲采集測試試驗設(shè)備。測試場地選取平整試驗場地，加速起點線與加速終點線間加速段長度為2×（10m±0.05m）。試驗場地以測量場地中心為基點、半徑為50m的范圍內(nèi)，沒有大的聲反射物，如圍欄、巖石、橋梁或建筑物等。試驗路面和其余場地表面干燥，沒有積雪、松土或爐渣之類的吸聲材料。傳聲器附近沒有任何影響聲場的障礙物，并且聲源與傳聲器之間沒有任何人站留。測量場地應(yīng)達(dá)到的聲場條件為在該場地的中心放置一個無指向性小聲源時，半球面上各方向的聲級偏差不超過±1dB。測試過程中當(dāng)汽車參考點通過加速起點線時，必須盡可能迅速地將加速踏板踩到底（汽車不能自動降檔至比城市工況中通常使用檔位更低的檔位），并保持到汽車最后端通過加速終點線，或汽車參考點通過終點線后至少5m（以先達(dá)到的位置為準(zhǔn)），然后盡快地松開加速踏板。整車測試工況采用8檔進(jìn)行，當(dāng)連續(xù)四次測試結(jié)果偏差不超過2dB（A）時視為聲級有效測試結(jié)果。記錄過線發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為950±50r/min。

根據(jù)測試試驗結(jié)果分析，整車通過噪聲超出法規(guī)限值84dB（A）要求。通過噪聲測試結(jié)果見表2所示。利用LMS Test.Lab分析軟件設(shè)置相應(yīng)濾波器，通過對濾波后的時域信號和原始時域信號進(jìn)行對比分析，評估確認(rèn)噪聲主要貢獻(xiàn)在200Hz-1400Hz范圍內(nèi)。通過噪聲噪聲圖譜見圖1所示。

按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求進(jìn)行8檔全負(fù)荷排氣近場噪聲測試，噪聲分布頻率與通過噪聲超限頻率高度一致。排氣近場噪聲圖譜見圖2所示。分析判斷：排氣近場噪聲試驗與通過噪聲試驗高分貝噪聲區(qū)域分布高度一致，判定通過噪聲超限的主要原因為發(fā)動機(jī)排氣噪聲大[2]。

發(fā)動機(jī)的排氣噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)燃燒。在整個發(fā)動機(jī)工作過程中，隨著工況的變化，進(jìn)排氣流量也不斷變化。特別是發(fā)動機(jī)加速過程中，隨著負(fù)荷增加，增壓器的轉(zhuǎn)速快速增加。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量快速增加。同時發(fā)動機(jī)排氣流量也快速增加，廢氣氣流快速通過后處理結(jié)構(gòu)，排氣尾管口噪聲急劇增大，造成整車噪聲超限[3～5]。

2 ?排氣噪聲優(yōu)化方案及驗證

在發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)特別是動力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)不變化的情況下，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣及排氣流量的變化難以調(diào)整，因此發(fā)動機(jī)難以通過燃燒控制來調(diào)整排氣噪聲。排氣噪聲的大小更依賴于被動的噪聲控制。消音器在整個排氣系統(tǒng)中起到被動噪聲控制的作用，合理的消音結(jié)構(gòu)能夠有效降低排氣噪聲[6]。根據(jù)傳遞路徑的不同，消聲器噪聲可分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。前者通過橡膠隔振器、吊耳由排氣系統(tǒng)傳給車身，引起地板、頂棚和內(nèi)飾件振動，產(chǎn)生輻射噪聲;另一部分由消聲器本體輻射產(chǎn)生，直接進(jìn)入駕駛室。兩類噪聲均與消聲器結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)關(guān)系密切，對整車NVH性能有直接影響[7]。本車型受限于整車布置空間，采用了三元催化器與消音器集成的后處理結(jié)構(gòu)，具有尾氣催化凈化和消音雙重功能。

2.1 改進(jìn)方案

因整車布置受限，后處理外形結(jié)構(gòu)尺寸無法進(jìn)行大的改動，設(shè)計優(yōu)化方向為在后處理現(xiàn)有三元催化載體布置不變情況下，對消音結(jié)構(gòu)部位優(yōu)化。從而達(dá)到進(jìn)一步增加后處理在整個排氣系統(tǒng)中的插入損失，提升后處理消音能力的目的。確定優(yōu)化方向如下：

①優(yōu)化廢氣氣流流道，減少可能產(chǎn)生高速湍流的結(jié)構(gòu)。去除消音孔管結(jié)構(gòu)，降低孔管對氣流的擾動作用，進(jìn)而降低廢氣湍流產(chǎn)生的幾率。

②提高廢氣流通面積，降低排氣阻力。加大排氣尾管的直徑，降低尾管對排氣的節(jié)流作用。

在后處理整體外形尺寸不變的情況下，新設(shè)計后處理改進(jìn)方案見表3所示，方案結(jié)構(gòu)示意圖見圖3所示。

2.2 仿真驗證

插入損失表示安裝消音結(jié)構(gòu)前后的在消音器出口某測點處的聲功率級或聲壓級的差值。插入損失就反映了消聲結(jié)構(gòu)前后聲學(xué)性能的變化，直接反饋消聲結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中使用時的實際消聲的能力強(qiáng)弱[8～9]。對原方案及改進(jìn)方案后處理在GT-power仿真軟件進(jìn)行3D建模，采用后處理一維模型與發(fā)動機(jī)耦合計算后處理在排氣系統(tǒng)中的插入損失，從而評估各方案優(yōu)化效果。仿真模型見圖4所示。

根據(jù)仿真計算結(jié)果分析，改進(jìn)方案后處理較原方案插入損失均有較大提升。三個方案后處理插入損失仿真對比如圖5所示。改進(jìn)方案1后處理在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)較原方案插入損失提升7dB（A）作用。改進(jìn)方案2后處理在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1300r/min以下改進(jìn)效果差于改進(jìn)方案1，但仍高于原方案2dB（A）以上;在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1300r/min以上改進(jìn)方案2在三個方案中最優(yōu)，較原方案改進(jìn)幅度大于8dB（A）。

2.3 試驗驗證

選用一輛實驗車進(jìn)行試驗改裝，先后安裝原方案、改進(jìn)方案1、改進(jìn)方案2三個方案后處理，按照GB1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》要求開展整車通過噪聲測試。測試設(shè)備、環(huán)境、場地等要求需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。整車測試工況采用8檔進(jìn)行，當(dāng)連續(xù)四次測試結(jié)果偏差不超過2dB（A）時視為聲級有效測試結(jié)果。記錄過線發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為950±50r/min。

利用LMS Test.Lab分析軟件進(jìn)行噪聲分析，對三個方案噪聲圖譜進(jìn)行對比分析：改進(jìn)方案1后處理及改進(jìn)方案2后處理較原方案對比，在370-2300Hz頻率內(nèi)的高頻噪聲明顯減少。裝配三個方案后處理的車輛通過噪聲噪聲圖譜對比見圖6所示。整車裝配改進(jìn)方案1后處理時通過噪聲為85.9dB（A），隨較裝配原方案后處理時通過噪聲明顯降低但仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值84dB（A）要求。整車裝配改進(jìn)方案2后處理時通過噪聲為82.3dB（A），滿足整車通過噪聲限值要求。三個方案后處理通過噪聲試驗測試結(jié)果見表4所示。

根據(jù)整車裝配三個方案后處理通過噪聲測試結(jié)果，最終確定取消孔管結(jié)構(gòu)、增大尾管直徑的后處理方案為消音效果最優(yōu)方案，滿足整車開發(fā)需求。

3 ?結(jié)論

本文針對某型發(fā)動機(jī)排氣噪聲大導(dǎo)致整車通過噪聲超標(biāo)問題，通過對后處理消音結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，提高了后處理的插入損失，達(dá)到了發(fā)動機(jī)排氣噪聲優(yōu)化目的。根據(jù)分析仿真及試驗驗證過程，得出如下結(jié)論：①后處理消音結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)排氣噪聲影響顯著，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計將大大降低發(fā)動機(jī)排氣噪聲。②消音結(jié)構(gòu)中的孔管會降低后處理插入損失，減弱后處理消音能力;增大后處理尾管直徑，可提高高排氣流量時的后處理插入損失，提高后處理消音能力。③采用后處理一維模型與發(fā)動機(jī)耦合計算的仿真方式，能準(zhǔn)確的評估后處理在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的插入損失。

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