王若平，洪 森

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

多缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流動(dòng)是非常復(fù)雜的三維非等嫡不穩(wěn)定流動(dòng)，各支管之間的相互干擾對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)聲品質(zhì)具有重要影響。本文利用GEM-3D建立中心進(jìn)氣歧管與旁支進(jìn)氣歧管的三維模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行離散化，導(dǎo)入到GT-POWER模型中，構(gòu)建完整的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型。采集虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲，運(yùn)用GT-POST對(duì)比分析2種進(jìn)氣歧管對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在加速與常用轉(zhuǎn)速2種工況下進(jìn)氣噪聲聲品質(zhì)的影響，總結(jié)出一般規(guī)律，為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供方向與理論支持。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與噪聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣系統(tǒng)可以分為2個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣多支管和空氣進(jìn)入系統(tǒng)。多支管系統(tǒng)包括進(jìn)氣分管和進(jìn)氣總管。空氣進(jìn)入系統(tǒng)包括進(jìn)氣控制閥、怠速進(jìn)氣通道、柔性連接管、1/4波長管、空氣過濾器、赫姆霍茲消聲器、前進(jìn)氣導(dǎo)流管和后進(jìn)氣導(dǎo)流管等。進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.進(jìn)氣分管; 2.進(jìn)氣總管; 3.進(jìn)氣控制閥; 4.怠速進(jìn)氣通道; 5.柔性連接管; 6.后進(jìn)氣導(dǎo)流管; 7.1/4波長管; 8.空氣過濾器; 9.空氣過濾網(wǎng); 10.赫姆霍茲消聲器; 11.前進(jìn)氣導(dǎo)流管

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高速氣流經(jīng)過空氣濾清器、進(jìn)氣管、氣門進(jìn)入氣缸，在此空氣流動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力噪聲，其主要成分包括：周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、氣缸赫姆霍茲共振噪聲和進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是調(diào)節(jié)動(dòng)力系統(tǒng)聲品質(zhì)的關(guān)鍵系統(tǒng)，一般通過兩方面來調(diào)節(jié)聲音：本體設(shè)計(jì)和歧管設(shè)計(jì)。一方面，通過本體消聲元件以及支路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所需頻率的聲音，并消除一些不喜歡的聲音。另一方面，通過進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)來改變進(jìn)氣口的聲音階次。階次調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)相配合，以此實(shí)現(xiàn)所期望的運(yùn)動(dòng)感聲音、動(dòng)力感聲音、舒適感聲音或豪華感聲音。

進(jìn)氣歧管進(jìn)氣方式通過對(duì)周期性壓力脈動(dòng)噪聲的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)動(dòng)力總成噪聲中的階次組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲品質(zhì)的改善。

2 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管模型及離散處理

2.1 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管模型

本文利用GEM-3D建立2種進(jìn)氣歧管的三維模型，該進(jìn)氣歧管由進(jìn)氣口、諧振腔、歧管3部分組成。如圖2、3所示。

圖2 旁支進(jìn)氣歧管

圖3 中心進(jìn)氣歧管

為嚴(yán)格控制變量的個(gè)數(shù)，保證仿真的精確度，2種進(jìn)氣歧管差別在于進(jìn)氣口的位置不同，其余參數(shù)均保持一致。

2.2 模型的處理

采用GEM-3D軟件與GT-POWER軟件的耦合，對(duì)采用GEM-3D建立的歧管三維模型進(jìn)行離散化，然后導(dǎo)入GT-POWER中。離散化的進(jìn)氣歧管如圖4、5所示。

圖4 中心進(jìn)氣歧管離散化模型

圖5 旁支進(jìn)氣歧管離散化模型

3 GT-POWER控制方程與發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

GT-POWER是以一維CFD為基礎(chǔ)，采用有限容積法對(duì)熱流體進(jìn)行模擬計(jì)算的軟件，在計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)流體狀態(tài)時(shí)應(yīng)用的基本控制方程為：

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

能量方程

利用離散化的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管模型與相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(表1)，在GT-POWER中搭建了2種進(jìn)氣歧管完整的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型，采集2種歧管所產(chǎn)生的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲。2種歧管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型如圖6、7所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)

圖6 中心進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型

圖7 旁支進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型

4 仿真結(jié)果分析

利用GT-POST對(duì)搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)模型采集到的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲進(jìn)行后處理。對(duì)加速和常用轉(zhuǎn)速3 000 r/min兩種工況下的虛擬進(jìn)氣噪聲進(jìn)行相關(guān)聲品質(zhì)的客觀分析。

4.1 加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲聲品質(zhì)分析

4.1.1 線性度

線性度指噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線接近一根直線。由圖8可知：在低轉(zhuǎn)速下，2種歧管的進(jìn)氣方式對(duì)進(jìn)氣噪聲的聲壓級(jí)影響基本一致，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，節(jié)氣門的開度增大，進(jìn)氣量加大，且流速更快，旁支進(jìn)氣歧管與中心進(jìn)氣歧管相比較，進(jìn)氣的不均勻性加大，從而導(dǎo)致歧管中傳播的噪聲更加劇烈。中心進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣噪聲的線性度更好，因而給人的聽覺舒適感更好，而旁支進(jìn)氣歧管線性度較差，并且存在尖峰，使進(jìn)氣噪聲更具有階躍感。

圖8 旁支進(jìn)氣歧管與中心進(jìn)氣歧管進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速比較

4.1.2 階次分析

由圖9、10可知：2種進(jìn)氣歧管所形成的進(jìn)氣噪聲在階次組成上半階的差別較大，而2階(點(diǎn)火階次)和諧階次的差別較小。由于中心進(jìn)氣歧管的各支管等長且存在中心對(duì)稱，如果忽略各氣缸之間點(diǎn)火間隔差角的影響，每個(gè)支管雖然到中心位置的距離不等，但存在對(duì)稱關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知：中心進(jìn)氣歧管的各支管的發(fā)火階次聲壓相位相互增強(qiáng)，而半階次聲壓相位會(huì)相互抑制。對(duì)于旁支進(jìn)氣歧管不存在這種中心對(duì)稱關(guān)系，因此半階次相位相互抑制情況將會(huì)被極大的減弱，因而半階次聲壓級(jí)比較高。當(dāng)半階次聲壓級(jí)比重較高時(shí)，使進(jìn)氣噪聲更具有運(yùn)動(dòng)感。因此，中心進(jìn)氣歧管所形成的進(jìn)氣噪聲聽覺體驗(yàn)更加渾厚，而旁支進(jìn)氣歧管所形成的進(jìn)氣噪聲運(yùn)動(dòng)感更佳。

4.2 對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速3 000 r/min進(jìn)氣噪聲聲品質(zhì)分析

4.2.1高頻噪聲

語言清晰度在高頻時(shí)比低頻時(shí)低，所以高頻噪聲嚴(yán)重影響到說話清晰度。由圖11、12可知：在500 Hz以后，中心進(jìn)氣歧管的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)大部分在80 dB以下，而旁支進(jìn)氣歧管的聲壓級(jí)普遍在80 dB以上，旁支進(jìn)氣歧管的高頻噪聲聲壓級(jí)遠(yuǎn)高于中心進(jìn)氣歧管的聲壓級(jí)。根據(jù)高頻噪聲與語言清晰度的關(guān)系，當(dāng)高頻噪聲的聲壓級(jí)高時(shí)，語言清晰度將會(huì)變差，所以中心進(jìn)氣歧管對(duì)車內(nèi)的語言清晰度貢獻(xiàn)量小，因而中心進(jìn)氣歧管車內(nèi)語言清晰度相比旁支進(jìn)氣歧管會(huì)更好。

圖9 旁支進(jìn)氣歧管與中心進(jìn)氣歧管2階與4階進(jìn)氣噪聲隨轉(zhuǎn)速比較

圖10 旁支進(jìn)氣歧管與中心進(jìn)氣歧管1階與1.5階進(jìn)氣噪聲隨轉(zhuǎn)速比較

圖11 3 000 r/min旁支進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨頻率的變化情況

圖12 3 000 r/min中心進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨頻率的變化情況

4.2.2 階次組成

由圖13、14可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min時(shí)，由于中心進(jìn)氣歧管的對(duì)稱關(guān)系，中心進(jìn)氣歧管的各支管的發(fā)火階次聲壓相位相互增強(qiáng)，而半階聲壓相位會(huì)相互抑制，中心進(jìn)氣歧管的點(diǎn)火階次以及其諧階次處的聲壓級(jí)高于旁支進(jìn)氣歧管，使進(jìn)氣噪聲聽起來更加渾厚，而旁支進(jìn)氣歧管在半階次組成上高于中心進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣噪聲會(huì)更具有階躍感與運(yùn)動(dòng)感。

圖13 3 000 r/min旁支進(jìn)氣歧管進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨階次變化情況

圖14 3 000 r/min中心進(jìn)氣歧管進(jìn)氣噪聲聲壓級(jí)隨階次變化情況

5 結(jié)束語

由于條件的限制，沒有對(duì)2種歧管進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，也忽略了實(shí)際安裝過程的空間要求，因而仿真與實(shí)際會(huì)存在一定的誤差。

采用控制變量法，有效地比較了2種進(jìn)氣歧管因進(jìn)氣方式不同對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲品質(zhì)的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

利用GEM-3D軟件與GT-POWER軟件耦合，更加全面地分析了整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲，比單純利用參數(shù)建立GT-POWER模型進(jìn)行仿真更精確。

由仿真可以得出一般性結(jié)論：中心進(jìn)氣歧管所形成的進(jìn)氣噪聲的線性度好，聽覺舒適性好；旁支進(jìn)氣歧管所形成的進(jìn)氣噪聲階躍感與運(yùn)動(dòng)感更佳，但是語言清晰度會(huì)稍差。

[1] 龐劍,湛剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)——理論應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 汪念平.汽車聲品質(zhì)分析方法與評(píng)價(jià)流程[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[3] 宋恩棟,陳劍.基于某車的主客觀聲品質(zhì)評(píng)價(jià)[J].振動(dòng)與噪聲控制,2009,29(3):92-95.

[4] 孔傳旭,何偉平.主觀評(píng)價(jià)聲品質(zhì)參數(shù)的計(jì)箅[J].汽車工程師,2010(1):31-34.

[5] 邊強(qiáng),高文志.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)階次噪聲及其消減方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(s1):57-62.

[6] NIELSEN L B.A neural network model for prediction of sound quality[Z].The Achoustics Laboratory,Technical University of Denmark,1993.

[7] FRANZ B.Engine Noise Reduction[C]//AVL Vehicle NVH Conference 2005,2005.

[8] BYONGHO C.Nonmetric Multidimensional Complex Sounds[D].Olden:The University of Olden burg,2011.

[9] OTTO N,AMMAN S,EATON C,et al.Guidelines for jury evaluations of automotive sounds[J].Sae Technical Papers,2001,35(4):1-11.

[10] LIU C,HAO Z Y,CHEN X R.Optimal design of acoustic performance for automotive air-cleaner[J].Applied Acoustics,2010,71(5):431-438.