輕型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲分析及優(yōu)化

魏濤，肖鵬，趙之升，王毅，曾小春

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 前言

車內(nèi)噪聲是評價(jià)汽車駕乘舒適性的重要性能指標(biāo)[1-2]。進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲(以下簡稱“進(jìn)氣噪聲”)作為汽車動(dòng)力系統(tǒng)的重要噪聲源，帶來的噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度(NVH)問題越來越多樣化，在車輛開發(fā)過程中備受關(guān)注[3-6]。尤其是進(jìn)氣系統(tǒng)安裝在駕駛室背面，進(jìn)氣口距離副駕駛位置較近，進(jìn)氣噪聲極易傳遞到車內(nèi)。因此，有必要在開發(fā)階段對進(jìn)氣噪聲進(jìn)行控制，提升用戶的駕乘舒適性。

目前，進(jìn)氣噪聲的優(yōu)化途徑主要有增加消聲器、加長進(jìn)氣管路及使用降噪材料等，其中消聲器有主動(dòng)式消聲器、半主動(dòng)式消聲器和被動(dòng)式消聲器。被動(dòng)式消聲器在進(jìn)氣噪聲優(yōu)化過程中被廣泛應(yīng)用[7],如擴(kuò)張腔、赫姆霍茲消聲器、1/4波長管等。

本文使用GT-POWER軟件對一款輕卡增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行管道聲學(xué)分析，預(yù)測進(jìn)氣噪聲水平，評估并識(shí)別進(jìn)氣系統(tǒng)NVH風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使進(jìn)氣噪聲滿足進(jìn)氣系統(tǒng)NVH目標(biāo)要求。

1 進(jìn)氣噪聲目標(biāo)設(shè)定

依據(jù)競品車型及基礎(chǔ)車型的進(jìn)氣噪聲水平，制定該輕卡增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲目標(biāo)，正對進(jìn)氣口10 cm位置的總進(jìn)氣噪聲目標(biāo)如表1所示。

表1 總進(jìn)氣噪聲設(shè)計(jì)要求

2 進(jìn)氣噪聲分析模型

進(jìn)氣系統(tǒng)的開發(fā)需要根據(jù)整車布置邊界進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)(以下簡稱“原方案”)，同時(shí)需要考慮增加降噪元件的可行性，預(yù)留足夠的空間。一般情況下，需要預(yù)留能布置1.5 L消聲器的位置。圖1為該方案的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括進(jìn)氣管、波紋連接管、空氣濾清器、進(jìn)氣干凈管、中冷器等。

圖1 原方案進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)氣噪聲主要為中低頻噪聲，由于GT-POWER軟件在1 000 Hz以下的聲學(xué)計(jì)算誤差較小，所以采用該軟件來計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)的中低頻噪聲。

將進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按實(shí)際的尺寸和特性參數(shù)離散為分析所需的一維分析單元，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型，建立進(jìn)氣噪聲分析模型，包括進(jìn)排氣的大氣邊界、進(jìn)氣系統(tǒng)管路、渦輪增壓器、水冷中冷器及發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)的零部件等。模型邊界溫度和壓力參照試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入，熱力學(xué)分析的性能數(shù)據(jù)需要與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)，以提升計(jì)算模型的準(zhǔn)確度，確保計(jì)算分析能夠與真實(shí)的進(jìn)氣噪聲水平相吻合。

3 計(jì)算分析

計(jì)算完成后提取總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)及各階次噪聲聲壓級(jí)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和2 500 r/min時(shí)出現(xiàn)噪聲峰值，在2 750 r/min之前超過了初始定義的噪聲目標(biāo)值，其中4階噪聲在轉(zhuǎn)速2 250～3 500 r/min時(shí)影響較大，且與總噪聲聲壓級(jí)曲線比較接近，存在4階噪聲轟鳴風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算，4階噪聲在轉(zhuǎn)速2 250～3 500 r/min時(shí)對應(yīng)的頻率為150～233 Hz。

圖2 進(jìn)氣噪聲分析結(jié)果

圖3為進(jìn)氣噪聲的頻譜圖。由圖3可以看出：進(jìn)氣噪聲在200 Hz和700 Hz附近存在共振帶，其中200 Hz附近的共振能量較大，對各轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣噪聲有影響，該共振帶也是導(dǎo)致在轉(zhuǎn)速2 250～3 500 r/min時(shí)4階噪聲較大的主要原因。因此，需要對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，降低200 Hz附近的頻率共振對整體噪聲的影響。

4 優(yōu)化方案

對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行傳遞損失分析，原方案進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線如圖4所示。由圖4可以看出：在170 Hz附近傳遞損失曲線存在波谷，與200 Hz附近共振帶分析結(jié)果吻合。針對170 Hz附近傳遞損失低的問題，為了提升進(jìn)氣系統(tǒng)在該頻率段的傳遞損失，降低該頻率段對整體噪聲的影響，計(jì)劃增加1個(gè)赫姆霍玆消聲器(以下簡稱“方案1”)。方案1進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線如圖5所示。

圖4 原方案進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失

將新設(shè)計(jì)赫姆霍玆消聲器加入分析模型進(jìn)行優(yōu)化方案分析驗(yàn)證，并對比方案1與原方案的進(jìn)氣噪聲，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：方案1對總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)有明顯優(yōu)化效果，降低了轉(zhuǎn)速1 000～3 250 r/min時(shí)的整體噪聲，尤其是轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)降低了近10 dB，使總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)滿足NVH設(shè)計(jì)要求。

圖6 方案1與原方案的進(jìn)氣噪聲分析對比

由圖6可以看出：4階噪聲在轉(zhuǎn)速3 250 r/min時(shí)仍然存在峰值，且與總噪聲聲壓級(jí)接近。這說明增加170 Hz的諧振腔無法降低4階噪聲轟鳴風(fēng)險(xiǎn)，因此需要另外增加1個(gè)中心頻率為233 Hz的諧振腔，以降低3 250 r/min的4階噪聲峰值(以下簡稱“方案2”)。方案2進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失曲線如圖7所示。

圖7 方案2進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失

對比方案2、方案1與原方案的進(jìn)氣噪聲，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出：方案2的4階噪聲在轉(zhuǎn)速3 250 r/min時(shí)的噪聲峰值有所降低，與該轉(zhuǎn)速的總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)相差約5 dB，優(yōu)化效果明顯，降低了進(jìn)氣轟鳴風(fēng)險(xiǎn)；方案2對總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)也有明顯的優(yōu)化效果，與原方案相比，在轉(zhuǎn)速3 250 r/min之前總進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)下降了近10 dB，完全符合進(jìn)氣系統(tǒng)的NVH設(shè)計(jì)要求。

圖8 3種方案的進(jìn)氣噪聲分析對比

5 結(jié)論

針對進(jìn)氣噪聲控制問題，在項(xiàng)目開發(fā)前期對進(jìn)氣噪聲進(jìn)行分析，提前識(shí)別進(jìn)氣噪聲風(fēng)險(xiǎn)，對輕卡增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲超標(biāo)問題提出了優(yōu)化方案，改善了進(jìn)氣噪聲水平，得到以下結(jié)論：

(1)對輕型商用車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了管口噪聲分析，計(jì)算獲得了初步設(shè)計(jì)方案的進(jìn)氣噪聲水平，對分析結(jié)果進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，總噪聲聲壓級(jí)超標(biāo)且具有4階噪聲轟鳴的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)針對進(jìn)氣噪聲超標(biāo)問題，提出了增加赫姆霍玆消聲器的優(yōu)化改進(jìn)方案，通過計(jì)算分析顯示，改進(jìn)方案優(yōu)化效果顯著，有效降低總進(jìn)氣噪聲及4階噪聲轟鳴風(fēng)險(xiǎn)，使其滿足進(jìn)氣系統(tǒng)NVH設(shè)計(jì)要求，達(dá)到項(xiàng)目開發(fā)預(yù)期。