杜愛民，邵長(zhǎng)慧，冉超，魏娜

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海索菲瑪汽車濾清器有限公司，上海 201707)*

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渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲控制分析

杜愛民1，邵長(zhǎng)慧1，冉超2，魏娜1

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海索菲瑪汽車濾清器有限公司，上海 201707)*

針對(duì)某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，利用GT-POWER軟件進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲建模仿真，分析其進(jìn)氣噪聲總值，確定降噪頻率段.針對(duì)降噪頻率段，利用赫姆霍茲共振原理設(shè)計(jì)一組共振腔消聲器，并對(duì)共振腔的消聲性能進(jìn)行仿真.結(jié)果表明，安裝共振腔后，該渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲總值低于目標(biāo)限值，滿足設(shè)計(jì)要求.

赫姆霍茲共振腔消聲器；共振頻率；GT-POWER；渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品，應(yīng)用日漸普及.但渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲問題也日益突出.隨著排氣消聲器的不斷改進(jìn)，排氣噪聲逐步得到控制，進(jìn)氣噪聲問題得以凸顯.內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣噪聲主要包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、氣缸的Helmholtz共振噪聲等，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還包括壓氣機(jī)的氣動(dòng)噪聲[1].其中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)氣閥的周期性開閉引起管道內(nèi)高速氣流在進(jìn)氣管道各接口處產(chǎn)生氣流分離和漩渦，從而產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng).壓力脈動(dòng)噪聲具有階次性[2-3]，是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲的主要組成.

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲一般是從路徑上控制，即加裝各種類型的消聲器.目前消聲器主要有兩種，一種是利用聲波傳遞時(shí)遇到的結(jié)構(gòu)上的突變或利用聲波發(fā)生反射、干涉等變化來使其傳遞的能量衰減，按照這種原理設(shè)計(jì)的消聲器為抗性消聲器[4-5].抗性消聲器對(duì)中低頻的噪聲消音效果較好；另一種是利用在聲波傳遞路徑上加吸聲材料來吸收聲波的能量，根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的消聲器為阻性消聲器[6].由于抗性消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，耐潮濕性和耐高溫性相對(duì)較好，具有較高的傳遞損失，因此應(yīng)用廣泛.常用的抗性消聲器種類有擴(kuò)張式消聲器、旁支結(jié)構(gòu)(1/4插入管和赫姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu))消聲器、干涉結(jié)構(gòu)消聲器等[7-8].本文針對(duì)某渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行分析，利用GT-POWER軟件進(jìn)行建模仿真，設(shè)計(jì)一組抗性消聲器，安裝在空氣濾清器干凈側(cè)管路處，使之達(dá)到目標(biāo)降噪效果.

1 消聲器降噪目標(biāo)

本次仿真和設(shè)計(jì)所針對(duì)的某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.5 L，流量為122 g/s.首先對(duì)其進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行噪聲的仿真提取和分析，確定目標(biāo)降噪的頻率范圍，然后有針對(duì)性地進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì).要求在1 000～6 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進(jìn)氣系統(tǒng)總噪聲低于目標(biāo)限值，具體降噪目標(biāo)如表1所示.

表1 降噪目標(biāo)

2 原始進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能分析

2.1 建立進(jìn)氣系統(tǒng)仿真模型

本文利用GT-POWER軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行建模.利用GT-POWER軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)建模有兩種方法.一種是直接在GT-POWER的零件庫中調(diào)出各種管、管接頭的模塊，在其中進(jìn)行各種參數(shù)，比如管直徑、長(zhǎng)度、三通管的各個(gè)方向的角度、容積、彎管角度等的設(shè)置，然后將各個(gè)部分連接起來形成進(jìn)氣系統(tǒng).另一種方法是利用GEM3D將3D格式的三維模型轉(zhuǎn)換成GT-POWER識(shí)別的.gtm格式文件[8].本文對(duì)空氣濾清器進(jìn)管和出管處采用自由離散，分別調(diào)出管和管接頭的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與連接.而對(duì)于空氣濾清器殼體，則采用GEM3D中離散的方式.圖1為進(jìn)氣系統(tǒng)CAD模型在GEM3D中離散的模塊分解示意圖.

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)在GEM3D中離散分解模塊

空濾器在GEM3D界面下離散后的模型如圖2所示.將離散化模型封裝到子模塊中，與空濾器進(jìn)管和出管模型連接起來，設(shè)置每個(gè)模塊的具體參數(shù)，就完成了進(jìn)氣系統(tǒng)的軟件建模.

圖2 空濾器的離散化模型

為了得到該發(fā)動(dòng)機(jī)原始進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能，將空濾器離散模型與發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行耦合，定義相關(guān)參數(shù)，并加入諸如聲壓傳感器、麥克風(fēng)等模塊，構(gòu)成如圖3所示的整機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真模型.其中，根據(jù)要求[7]，麥克風(fēng)的放置位置為距離進(jìn)氣系統(tǒng)前方100 mm×100 mm，斜向上45°處.

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真模型

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真結(jié)果分析

在軟件環(huán)境下，設(shè)置仿真運(yùn)行的工況和邊界條件，計(jì)算得到進(jìn)氣噪聲仿真值，具體結(jié)果可在GT-Post中查看.圖4表示發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000～6000r/min轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲值.其中橫坐標(biāo)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示噪聲聲壓級(jí).實(shí)線為總噪聲仿真值，而虛線表示目標(biāo)限值.

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲值

由仿真結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 ～3750r/min時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)總噪聲值明顯高于目標(biāo)值，且在1 000 ～4 000 r/min范圍內(nèi)，每隔1 000 r/min就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)噪聲小高峰.在高于3 750 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲總值低于目標(biāo)值；而當(dāng)轉(zhuǎn)速在3 750～4000r/min范圍時(shí)，噪聲隨轉(zhuǎn)速的增加而下降；4000r/min以上轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲變化不大.

圖5為得到的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲頻譜圖.其中，橫坐標(biāo)為噪聲頻率，縱坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.可知，在轉(zhuǎn)速1 000 ～4 500 r/min范圍內(nèi)，噪聲頻率分布不均勻.相比較750～1 000 Hz頻率段，頻率750 Hz以下的噪聲聲壓明顯較高.其中，在117、300、500 Hz附近的噪聲尤其嚴(yán)重，如圖5中三個(gè)方框標(biāo)注所示.因此，如何有針對(duì)性地對(duì)頻率117、300、500 Hz附近的噪聲進(jìn)行消噪，同時(shí)降低總噪聲值，直至滿足目標(biāo)要求，將是本次消聲器設(shè)計(jì)的重要方向.

圖5 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲頻譜圖

3 消聲器設(shè)計(jì)和性能仿真分析

抗性消聲器由于其耐高溫，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)降噪消聲方面一直有廣泛應(yīng)用[9].其中，赫姆霍茲共振消聲器結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單.且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)不需要做過多改動(dòng).考慮到成本和安裝尺寸的要求，優(yōu)先設(shè)計(jì)赫姆霍茲共振腔消聲器，安裝在空濾器出口干凈側(cè)管路.

3.1 赫姆霍茲消聲器設(shè)計(jì)

赫姆霍茲消聲器屬于旁支消聲結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示.封閉腔通過一個(gè)管子連接到進(jìn)氣管，形成共振腔.當(dāng)噪聲在進(jìn)氣管中傳播，達(dá)到共振腔的連接管時(shí)，部分聲波進(jìn)入共振腔中或者推動(dòng)共振腔中氣體運(yùn)動(dòng)，從而使聲能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能能量，通過能量的轉(zhuǎn)換使聲能降低，達(dá)到降噪目的.同時(shí)，由于流動(dòng)截面的突變而產(chǎn)生的聲阻，也能對(duì)噪聲起到衰減作用[10-11].

圖6 赫姆霍茲消聲器基本結(jié)構(gòu)

空氣在消聲器中共振時(shí)頻率為：

(1)

其中，c0為聲速(m/s), A為連接管截面積(m2), L為連接管長(zhǎng)度(m), V為共振腔體積(m2),F為共振頻率(Hz).

赫姆霍茲消聲器的傳遞損失為：

(2)

其中，Ap為主管橫截面積(m2),f0為主管中所傳聲波頻率(Hz).

從式(1)、(2)可以看出，赫姆霍茲共振腔共振頻率僅與連接管的截面積即連接管直徑、連接管長(zhǎng)度以及共振腔體積大小有關(guān)，與共振腔結(jié)構(gòu)形狀無關(guān).而且，這三個(gè)參數(shù)也直接影響著噪聲的傳遞損失.赫姆霍茲共振腔可大大降低共振頻率附近的噪聲，根據(jù)對(duì)該渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲階次譜圖的分析，分別針對(duì)117、300、500 Hz頻率噪聲段設(shè)計(jì)共振腔.同時(shí)考慮到進(jìn)氣系統(tǒng)安裝限制，根據(jù)式(1)和(2)，設(shè)計(jì)共振腔尺寸如表2所示.

表2 赫姆霍茲共振腔尺寸設(shè)計(jì)表

3.2 赫姆霍茲消聲器仿真和性能分析

將設(shè)計(jì)的三個(gè)赫姆霍茲共振腔在GT-POWER軟件中按照進(jìn)氣系統(tǒng)中氣流的方向建模，并安裝在空濾器干凈側(cè)管路處，如圖7所示.

圖7 GT-POWER中赫姆霍茲共振腔模型

在加入共振腔的進(jìn)氣系統(tǒng)模型中，再次進(jìn)行進(jìn)氣噪聲的仿真計(jì)算，得到在安裝赫姆霍茲共振腔后，進(jìn)氣系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的噪聲值，如圖8所示.其中，橫坐標(biāo)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示噪聲總值.虛線代表目標(biāo)限值，實(shí)線代表仿真值.

圖8 安裝赫姆霍茲共振腔后發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣噪聲值

由仿真結(jié)果可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 ～6000r/min之間，安裝赫姆霍茲共振腔后的進(jìn)氣噪聲明顯低于目標(biāo)限值，而且在轉(zhuǎn)速大于3 800 r/min范圍內(nèi)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲值明顯下降.在1 000 ～1 500 r/min范圍內(nèi)，仿真噪聲值雖略大于目標(biāo)值，但超標(biāo)噪聲在10 dB(A)以內(nèi)，就整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)而言，可以忽略.因此可知，在安裝三個(gè)赫姆霍茲共振腔后，該渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲得到有效控制，總噪聲值滿足目標(biāo)要求.

綜上所述，根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)安裝共振腔前后噪聲情況的建模和仿真，可知安裝赫姆霍茲共振腔消聲器后，總噪聲得到有效降低，基本滿足降噪要求.本次對(duì)三個(gè)共振腔的設(shè)計(jì)是可取的.

4 結(jié)論

(1)通過GT-POWER對(duì)某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)建立進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真模型，仿真得到進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲總值隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，以及噪聲階次譜圖.確定在頻率為117、300、500 Hz附近，噪聲聲壓級(jí)最高，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)赫姆霍茲消聲器來進(jìn)行降噪;

(2)根據(jù)赫姆霍茲共振腔工作原理設(shè)計(jì)共振腔，即分別設(shè)計(jì)共振腔的連接管直徑、長(zhǎng)度和共振腔體積.將設(shè)計(jì)的赫姆霍茲共振腔在GT-POWER軟件中進(jìn)行建模;

(3)在GT-POWER軟件中，對(duì)安裝有共振腔的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲再次進(jìn)行仿真，得到總噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)噪聲總值基本在目標(biāo)限值以下.說明安裝赫姆霍茲共振腔后，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲得到有效控制.本文對(duì)赫姆霍茲共振腔的合理設(shè)計(jì)和組合，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的降噪有重要的理論和實(shí)踐意義.

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Research on the Control of Noise Generated by Air-intake System in Turbocharged Engine

DU Aimin1，SHAO Changhui1，RAN Chao2，WEI Na1

(1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.Sofima Automotive Filter Company, Shanghai 201707, China)

Based on the air intake system, a model of the air intake system is constructed with GT-POWER to simulate the noise generation. Through the analysis of the total noise, the frequency of the noise to be reduced is determined, and the resonators for the frequency are designed according to the theory of Helmholtz. The result of the simulation indicates that the total noise from the air intake system is almost below target line with the resonators.

Helmholtz resonator muffler; resonant frequency; GT-POWER; turbocharged engine

1673-9590(2016)04-0072-04

2015-12-28

上海市產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目(青產(chǎn)學(xué)研2014-11)

杜愛民(1971-)，男，副教授，博士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和NVH的研究E-mail:duaimin1971@aliyun.com.

A